NL7904816A

NL7904816A - Stappenmotor.

Info

Publication number: NL7904816A
Application number: NL7904816A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1979-06-20
Filing date: 1979-06-20
Publication date: 1980-12-23
Also published as: JPS5610069A; US4327299A; CH651707A5; JPH0328149B2; FR2459574B1; DE3022392A1; GB2052174A; GB2052174B; FR2459574A1; CA1135760A

Description

« “ \ 5 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

PHN 9^93 1 S tappenmo to r.

De uitvinding heeft betrekking op een stappenmotor met een stator die tenminste omvat een eerste ringvormig statordeel met een ringspoel en een die ringspoel omvattend magnetisch geleidend omhul-5 sel dat in een eerste en tweede ringvormig tandstelsel uitmondt, een tweede ringvormig statordeel met een ringspoel en een die ringspoel omvattend magnetisch geleidend omhulsel dat in een derde en vierde ringvormig tandstelsel 10 uitmondt, en een axiaal gemagnetiseerd en ringvormig permanent-magnetisch deel dat coaxiaal met beide statordelen tussen die statordelen is gelegen, waarbij het tweede en het derde ringvormig tandstelsel aan dat permanent-magnetisch deel 1® grenzen, en een rotor met een met het eerste, tweede, derde en vierde tandstelsel samenwerkende vertanding waarbij het eerste tandstelsel en het tweede tandstelsel onderling ten opzichte van de rotorvertanding een electromagnetische hoek 20 van nominaal 180° maken, het derde en het vierde tandstelsel onderling ten opzichte van de rotorvertanding een electromagnetische hoek van nominaal 180° maken, het eerste en het vierde tandstelsel onderling ten opzichte van de rotorvertanding een electromagnetische hoek van nominaal 90° 7904816 ί* 4 ΡΗΝ 9493 2 maken en het tweede en derde tandstelsel onderling ten opzichte van de rotorvertanding een electromagnetische hoek van nominaal 90° maken.

Een dergelijke stappenmotor is bekend uit de ter 5 visie gelegde Nederlandse octrooiaanvrage nr. 7701510 (PHN 8454c). Een dergelijke motor is in het bijzonder geschikt voor de realisatie van zeer kleine staphoeken, bijvoorbeeld 1.8°. In die aanvrage is aangegeven dat .velschillen in de permeanties van de wegen van de permanent-mag-10 netische ring naar het eerste en tweede tandstelsel evenals in die naar het derde en vierde tandstelsel aanleiding geven tot a-symmetrische koppel, dat wil zeggen ongelijke koppel bij de diverse bekrachtigingsfasen. Daarbij zijn een aantal manieren aangegeven om deze ongelijkheden van 15 die wegen op te heffen.

Het blijkt dat gelijkmaking van genoemde permeanties in de praktijk erg moeilijk is. Daarnaast blijkt dat genoemde a-symmetrische koppel gepaard gaan met staphoekfouten wat veel storender is-dan het a-symmetrisch zijn van die koppels.

De uitvinding heeft tot doel een motor van het in de aanhef genoemde type met in hoge mate geëlimineerde s taphoekfouten.

De uitvinding wordt daartoe gekenmerkt, dat ter 25 reductie bij één bepaalde bekrachtiging van staphoekfouten de geometrie van de tanden van het tweede en derde stator-tandstelsel in relatie tot de daarmee samenwerkende tanden van de rotorvertanding afwijkt van de geometrie van de tanden van het eerste en vierde tandstelsel in relatie tot de 30 daarmee samenwerkende tanden van de rotorvertanding, zodanig, dat de amplitude van de permeantie van de luchtspleet tussen de tanden van het tweede en derde statortandstelsel en de daarmee samenwerkende rotorvertanding als funktie van de rotorpositie tenminste 1$ kleiner is dan de amplitu-

QC

de van de permeantie van de luchtspleet tussen de tanden van het eerste en vierde statortandstelsel en de daarmee samenwerkende rotorvertanding als funktie van de rotorposi- 7904816 t * PHN 9493 3 tie, waarbij genoemde ge ome trien van de tweede en derde tandstelsels onderling gelijk zijn en de genoemde ge ome -triën van de eerste en vierde tandstelsels eveneens onderling gelijk zijn.

5 Onder een electromagnetiscbe boek van 360° wordt bierbij verstaan een relatieve verplaatsing van rotor ten opzichte van stator gelijk aan de tandsteek, dat is de hart op hart afstand van die tanden. Bij een 1.8° stappenmotor, dat is een stappenmotor waarvan de rotor per stap 1.8° en per cyclus van vier stappen 7>2° verdraait, komen, dus 360 electromagnetische graden met 7>2 ruimtelijke graden overeen.

De uitvinding berust op bet inzicht, dat genoemde ongelijkheid in permeanties aanleiding geeft tot een kleef-I5 koppel, zijnde het koppel in onbekrachtigde toestand, welke tesamen met het door de bekrachtiging bepaalde koppel aanleiding geeft tot ongelijke koppels in de vier verschillende bekrachtigingsfasen en tot ongelijke staphoeken tussen de bij de vier bekrachtigingfasen behorende stabiele posi-20 ties van de rotor, en dat het voor eliminatie van de stap-hoekfouten niet nodig is genoemde ongelijkheid in permeanties te elimineren maar dat het door verkleining van de amplitude van de rotorpositie afhankelijke permeanties van de luchtspleten tussen het tweede en derde statortandstel-25 sel en de rotorvertanding ten opzichte van de amplitude van de rotorpositie afhankelijke permeanties van de luchtspleten tussen het eerste en vierde statortandstelsel en de rotorvertanding mogelijk is om de staphoekfouten te elimineren zonder de permeanties van genoemde wegen gelijk te 33 maken. Hierbij zij opgemerkt, dat het verkleinen van genoemde permeanties van genoemde luchtspleten niet overeenkomt met het gelijkmaken van de amplitude van de totale permeantiefunkties van die wegen plus de corresponderende luchtspleten.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening waarin

Figuur 1 een doorsnede van een stappenmotor waarop 35 7904816 Γ $ ΡΗΝ 9493 4 de uitvinding kan worden toegepast, toont,

Figuur 2 een schematische weergave van de onderlinge posities van de stator- en rotorvertanding, toont,

Figuur 3 een aantal diagrammen ter verduidelijking 5 van de bekrachtiging van een motor volgens figuur 1, toont, Figuur 4 een vectordiagram ter verklaring van het optreden van staphoekfouten bij een motor volgen figuur 1 bij enkelfasige bekrachtiging toont,

Figuur 5 een vectordiagram zoals dat volgens fi-10 guur 4 bij dubbelfasige bekrachtiging toont,

Figuur 6 een doorsnede volgens figuur 1 van een eerste uitvoeringsvorm van een stappenmotor volgens de uitvinding,

Figuur 7 een doorsnede volgens figuur 1 van een 15 tweede uitvoeringsvorm van een stappenmotor volgens de uitvinding, en

Figuur 8 een weergave van de onderlinge positie van de stator- en rotorvertanding bij een derde uitvoeringsvorm van een stappenmotor volgens de uitvinding toont.

20 Figuur 1 toont een axiale doorsnede van een stappen motor waarin het principe volgens de uitvinding kan worden toegepast. De stappenmotor is nu hoofdzaak rotatiesymme- trisch om de as A - A en omvat een rotor 1 en een stator 2. De stator bestaat uit twee coaxiale statordelen 3 en 4 met 25 coaxiaal daartussen een in axiale richting gemagnetiseerde permanent-magnetische ring 5» Elk van de statordelen 3 respectievelijk 4 omvat een coaxiaal gelegen ringspoel 8 respectievelijk 9 omgeven door een magnetisch geleidende omhulling 6 respectievelijk 7 die aan de binnenzijde uit- on u mondt in twee ringvormige tandstelsels 10 en 11 respectievelijk 12 en 13. De rotor 1 is voorzien van met de ringvormige tandstelsels 10, 11, 12 respectievelijk 13 samenwerkende ringvormige tandstelsels 14, 15, 16 respectievelijk 17.

Figuur 2 toont schematisch de ligging van de stator-tandstelsels 10, 11, 12 respectievelijk 13 ten opzichte van de rotortandstelsels 14, 15, 16 respectievelijk 17· Hierbij 35 7904816

r "V

PHN 9493 5 zijn de rot or tand en axiaal in lijn geplaatst zodat de bovenste rij in figuur 2 de tandstelsels 14, 15» 16 en 17 voorstelt (het omgekeerde, namelijk de statortanden axiaal in lijn en de rotortanden verschoven, is daarbij mogelijk) .

5 Bij een bepaalde positie van de rotor staan de tanden van statortandstelsel 10 tegenover de rotortanden zoals in figuur 2 getoond is. De tanden van statortandstelsel 11 moeten dan in hoofdzaak 180° oftewel tandsteek verschoven staan ten opzichte van de tanden van statortandstelsel 10·.

10 De tanden van tandstelsel 12 staan 90° oftewel \ tandsteek (of tandsteek in de andere richting gezien) verschoven ten opzichte van die van tandstelsel 10 en de tanden van tandstelsel 13 staan 270° oftewel £ tandsteek (of { tandsteek in de andere richting gezien) verschoven ten opzichte 15 van die van tandsteek 10. De onderlinge posities van de tanden van tandstelsel 12 en 13 kunnen ook net andersom zijn.

Figuur 3 toont een tweetal mogelijkheden om de motor volgens figuur 1 te bekrachtigen. Hierin tonen de diagrammen a respectievelijk b de bekrachtigingsstromen voor de 20 spoelen 8 respectievelijk 9 in het geval van enkelfasige bekrachtiging (telkens slechts één spoel bekrachtigd) en de diagrammen c respectievelijk d die stromen in het geval van dubbelfasige bekrachtiging. Hierbij is een stroom +1 zodanig gericht dat het door spoel 8 in de luchtspleet 25 tussen tandstelsels 10 en 14 opgewekte veld dezelfde richting heeft als het door de permanent-magnetische ring 5 in die luchtspleet opgewekte veld en dat het door spoel 9 in de luchtspleet tussen de tandstelsels 12 en 16 opgewekte veld dezelfde richting heeft als dat door de permanent-mag-30 netische ring 5 ia die luchtspleet opgewekte veld.

Wordt op het moment t^ een stroom +1 aan spoel 8 toegevoerd en blijft spoel 9 onbekrachtigd dan wordt er door het veld in de luchtspleet tussen tandstelsels 10 en 14 een koppel opgewekt dat de rotortanafen richt naar de

QC

tanden van tandstelsel 10 en mits de rotor kan bewegen zal dan de in figuur 2 geschetste situatie ontstaan. Wordt op moment t^ spoel 9 met een stroom +1 bekrachtigd terwijl 790 48 16 ΡΗΝ 9493 6 ΗΓ 4 spoel 8 onbekrachtigd is, dan werkt liet veld in de lucht-spleet tussen tandstelsels 12 en 16 een koppel op dat de tanden van tandstelsel12 tegenover die van tandstelsel 16 tracht te richten en de rotor verplaatst zich over γ tand-5 steek. Een daaropvolgende bekrachtiging van spoel 8 op moment t^ met een stroom -I doet de tanfen van tandstelsel 11 zich richten naar die van tandstelsel 15 en een op moment t^ volgende bekrachtiging van spoel 9 met een stroom -I doet de tanden van tandstelsel 17 zich richten naar die ^ van tandstelsel 13· Zo beweegt de rotor zich achtereenvolgens met stappen van 90° vanaf* de in figuur 2 geschetste positie op 0° naar 90°, 180°, 270° en 360°.

Bij de in figuur 3c en 3d weergegeven dubbelfasige bekrachtiging worden er telkens in twee paren tandstelsels koppels op de'rotor uitgeoefend. Bijvoorbeeld bij de bekrachtiging op moment t^ van de spoelen 8 en 9 met elk een stroom +1 wekken de velden in de luchtspie ten tussen tandstelsels 10 en 14 en tandstelsels 12 en 16 koppels op die resulteren in een verplaatsing van de rotor naar een posi-^ tie die ligt op 45° van de in figuur 2 weergegeven positie. Door de spoelen 8 en 9 achtereenvolgens op een in figuren 3c en 3d geschetste wijze te bekrachtigen beweegt de rotor zich achtereenvolgens met stappen van 90° naar posities op 45°, 135°, 225° en 315°.

25

Figuur 4 toont een vectordiagram waarin de richting van de vectoren de positie aanduidt· waar de rotor bij een bepaalde bekrachtiging van de stator naartoe gedreven wordt en de lengte van die vector een maat is voor de grootte van het drijvende koppel. Door veetoropteHing van de bij be-30 paalde bekrachtiging behorende vectoren wordt de vector die bij de som van die bekrachtiging hoort, verkregen, De vectoren P.j, Ρ^, Ρ^ respectievelijk P^ behoren bij enkelfasige bekrachtiging van spoel 8 met een stroom +1, spoel 9 met een stroom +1, spoel 8 met een stroom -I respectievelijk 35 spoel 9 met een stroom -I. De grootten van de bijbehorende koppels zijn bij een ideale motor gelijk.

Doordat de permeantie van de wegen van de permanent-magnetische ring 5 naar de tandstelsels 10, 11, 12 en 13 7904816 Λ » ΡΗΝ 9493 7 in de praktijk niet gelijk zullen zijn zal de rotor in liet geval dat de motor onbekrachtigd is toch. een voorkeurspositie vertonen die omdat de permeantie naar de tandstelsels 11 en 12 kleiner zullen zijn dan die naar de tandstelsels 5 10 en 13 en omdat de stator ten opzichte van de permanent- magnetische ring 5 symmetrisch is, zal liggen op ongeveer 135°· De vector die deze positie en de grootte van het bijbehorende kleefkoppel symboliseert is in figuur 4 met P^ aangeduid.

1° Bij bekrachtiging van de motor worden de met die be krachtiging corresponderende vectoren gevonden door de bijbehorende vector P.j, P^, P^ of vectorieel op te tellen bij de vector P^. Hierbij zij opgemerkt dat dit theoretisch niet geheel juist is onder andere omdat het werkelijke kop-pel niet geheel overeenstemt met de som van het ideale koppel en het kleefkoppel in onbekrachtigde toestand. In bekrachtigde toestand kan ook een vector P^ met dezelfde richting als het kleefkoppel, echter met een andere lengte vanwege onder andere verzadigingen die tengevolge van de be-20 krachtig!ng optreden, aanwezig gedacht worden welk koppel P^, dat dan niet voor alle bekrachtigingstoestanden een gelijke lengte behoeft te hebben, te samen met het "ideale" koppel het werkelijke koppel geeft. Het blijkt echter dat wanneer de motor niet te veel afwijkt van een ideale motor, 25 deze voorstellingswijze vrij goed overeenstemt met de werkelijke situatie.

111

In figuur 4 stellen de vectoren P^, P^, P^ respectievelijk P^ de som voor van de vectoren P^, P^, P^ respectievelijk 'P^ en de vector P^. Tengevolge van de aanwezig-heid van het koppel P^ wijken dus de rotorposities bij de diverse ehkelfasige bekrachtigingen af van de ideale posities en zijn de staphoeken onderling niet gelijk. De werkelijke rotorposities bij de diverse ehkelfasige bekrachtigingen zijn de posities «C, 90° + , 180° - βΛ en 270° 35 iii · zodat de staphoekfouten gelijk zijn aan /, - °V en 20^.

Daarbij zijn de koppels niet meer onderling evengroot, wat echter veel minder bezwaarlijk is dan het optreden van 7904816 PHN 9493 8 staphoekfouten.

Figuur 3 geeft eenzelfde vectordiagram als figuur 4 echter van de aan de hand van figuur 3c en 3d besproken dubbelfasige bekrachting. Hierin representeren de vectoren 5 P-12’ P23’ **34 en ^4'V de koppels bij dubbelfasige be krachtiging in een ideale motor zouden optreden en die ontstaan door combinatie van de vectoren P1 en P9, P_ en P„, I d d ^ P^ en P^ respectievelijk P^ en P^. De vectoren P^ > ^ Z3 * P^1 en ^41^ representeren de werkelijke koppels, welke 10 vectoren ontstaan door vectoriële optelling van de vectoren P10, P00, P0i, respectievelijk P.M en de vector P . De 2j j>4 -j .j 4l d bij de vectoren P^ en P^ behorende posities van de rotor blijken dan ongewijzigd te zijn ten opzichte van de posities van de vectoren P. en P00, terwijl de bij de 1 ^ 41 23 15 vectoren P^ ^ P^ behorende posities van de rotor een fout o<2 iu de hoek vertonen. Ook hier zijn de koppels onderling qua grootte niet meer gelijk.

Volgens de uitvinding kunnen genoemde staphoekfouten in hoge mate geëlimineerd worden bij nominale bekrachtiging 20 door verkleining van de amplitude van de permeantiefunktie van de luchtspleet tussen de binnenste statortandstelsels 11 respectievelijk 12 en de rotorvertanding 15 respectievelijk 16 ten opzichte van de amplitude van de permeantiefunktie van de luchtspleet tussen de buitenste statortandstel-25 seis 10 respectievelijk 13 en de rotorvertanding 14 respectievelijk 17> hetgeen een vergroting van de koppels op de buitenste tandstelsels ten opzichte van de koppels op de binnenste tandstelsels tot gevolg heeft. Omdat de koppels behalve van die permeanties ook van de bekrachtigingsstroom 30 in de spoelen 8 en 9 afhangen geldt een correctie ter eliminatie van staphoekfouten slechts bij één bepaalde nominale bekrachtingingsstroom. De benodigde correctie op die permeanties kan experimenteel of via computerberekeningen bepaald worden.

Er zijn' talloze manieren om de permeanties van de luchtspleten tussen de binnenste tandstelsels en de rotor te verkleinen ten opzichte van de permeanties van de lucht- 7904816

Claims

1. Stappenmotor met een stator (2) die tenminste omvat een eerste ringvormig statordeel (3) met een ringspoel (8) en een die ringspoel omvattend magnetisch geleidend omhulsel (6) dat in een eerste (10) en tweede (11) ringvormig tandstelsel uitmondt, 35 een tweede ringvormig statordeel (4) met een ring spoel (9) en een die ringspoel omvattend magnetisch geleidend omhulsel (7) dat in een derde (12) en vierde (13) ring- 7904816 * PHN 9493 10 vormig tandstelsel uitmondt, en een axiaal gemagnetiseerd en ringvormig permanent-magnetisch deel (5) dat coaxiaal met beide statordelen tussen die statordelen is gelegen, waarbij het tweede (11) 5 en het derde (12) ringvormig tandstelsel aan dat permanent-magnetisch deel grenzen, en een rotor (2) met een met het eerste, tweede, derde en vierde tandstelsel samenwerkende vertanding (l4, 15, 16, 17), waarbij het eerste tandstelsel en het tweede tandstel-10 sel onderling ten opzichte van de rotorvertanding een electromagnet ische hoek van nominaal 180° maken, het derde en het vierde tandstelsel onderling ten opzichte van de rotorvertanding een electromagnetische hoek van nominaal 180° maken, het eerste en het vierde tandstelsel onderling ten 1® opzichte van de rotorvertanding een electromagnetische hoek van nominaal 90° maken en het tweede en derde tandstelsel onderling ten opzichte van de rotorvertanding een electromagnetische hoek van nominaal 90° maken, met het kenmerk, dat ter reductie bij één bepaalde bekrachtiging 20 van staphoekfouten de geometrie van de tanden van het tweede en derde statortandstelsel (11, 12) in relatie tot de daarmee samenwerkende tanden (15, 16) van de rotorver tanding afwijkt van de geometrie van de tanden van het eerste en vierde tandstelsel (10, 14) in relatie tot de 25 daarmee samenwerkende tanden (l4, 17) van de rotorvertanding, zodanig, dat de amplitude van de permeantie van de luchtspleet tussen de tanden van het tweede en derde statortandstelsel (11, 12) en de daarmee samenwerkende rotorvertanding (15, 16) als funktie van de rotorpositie ten-minste 1$ kleiner is dan de amplitude van de permeantie van de luchtspleet tussen de tanden van het eerste en vierde statortandstelsel (11, 13) en de daarmee samenwerkende rotorvertanding (l4, 17) als funktie van de rotorpositie, waarbij genoemde geometriën van de tweede en derde tand-35 / v stelsels (11, 12) onderling gelijk zijn en de genoemde geometriën van de eerste en vierde tandstelsels eveneens onderling gelijk zijn. 7904816 PHN 9^93 11

2. Stappenmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de hoogte in ax'ia'le richting van de tanden van het tweede en derde statortandstelsel en/of de hoogte van de daarmee samenwerkende tanden van de rotorvertanding klei- 5 ner gekozen is dan de hoogte van de tanden van het eerste en vierde statortandstelsel en/of de daarmee samenwerkende tanden van de rotorver tanding.

3. Stappenmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat radiele afstand tussen de tanden van het tweede en jq derde statortandstelsel en de daarmee samen werkende tanden van de rotorvertanding groter is dan de radiele afstand tussen de tanden van het eerste en vierde statortandstelsel en de daarmee samenwerkende rotorver tanding.

4. Stappenmotor volgen conclusie 1, met het kenmerk, 15 dat de tangentiële breedte van de tanden van het tweede en derde statortandstelsel en/of die breedte van de daarmee samenwerkende rotortanden kleiner gekozen is dan de breedte van de tanden van het eerste en vierde statortandstelsel en/of daarmee samenwerkende tanden 20 van de rotorver tanding. 25 30 35 7904816