NL8200285A

NL8200285A - ELECTRO-DYNAMIC DAMPED STEPPER MOTOR.

Info

Publication number: NL8200285A
Application number: NL8200285A
Authority: NL
Original assignee: Elektromasch Forsch Entwick
Priority date: 1981-03-12
Filing date: 1982-01-26
Publication date: 1982-10-01
Also published as: GB2095046A; JPS57160358A; DD156109A1; GB2095046B; DE3200163A1

Description

V.O.3010V.O.3010

Titel: Elektro-dynamisch gedempte stapmotor.Title: Electro-dynamically damped stepper motor.

De uitvinding heeft betrekking op een stapmotor met een elektro-dynamische inrichting voor het dempen van de rotorbeweging, meer in het bijzonder voor stapmotoren met permanent bekrachtigde rotor.The invention relates to a stepper motor with an electro-dynamic device for damping the rotor movement, more in particular for stepper motors with permanently powered rotor.

Stapmotoren zijn voorzien van een discontinu roterende rotor, die 5 in afhankelijkheid van de aan de arbeidswikkeJing toegevoerde pulsen stapsgewijze roteert, waarbij de rotor na elke stap quasi tot stilstand komt. Voor een betrouwbare werking is het vereist, dat de motor binnen de bedrijfsparameters daarvan elke stap exact uitvoert. Om daarbij hoge stapfrequenties en koppels te verkrijgen, is een demping van het elektro- · 10 mechanische stelsel nodig. Daartoe zijn verschillende constructies bekend. Volgens het Duitse Auslegeschrift 1.488.654 en het Duitse Offenlegungs-schrift 2.108.001, wordt de demping verkregen doordat het huis van de stapmotor met een vloeistof met een bepaalde viscositeit is gevuld, waarmede de rotatiebeweging van de rotor door vloeistofwrijving wordt ge-15 dempt. Een soortgelijk .voorstel vindt men in het DDR octrooi 59311, waarbij de stapmotor eveneens met vloeistof is gevuld of met een met vloeistof gevuld rotatiestelsel is gekoppeld.Stepper motors are provided with a discontinuous rotating rotor, which rotates stepwise in dependence on the pulses supplied to the work winding, the rotor coming to a near standstill after each step. For reliable operation, it is required that the motor performs each step exactly within its operating parameters. In order to obtain high step frequencies and torques, damping of the electro-mechanical system is necessary. Various constructions are known for this. According to German Auslegeschrift No. 1,488,654 and German Offenlegungs No. 2,108,001, the damping is obtained by filling the housing of the stepper motor with a liquid of a certain viscosity, which dampens the rotational movement of the rotor by liquid friction . A similar proposal is found in DDR patent 59311, wherein the stepper motor is also liquid-filled or coupled to a liquid-filled rotary system.

, De bezwaren van dergelijke constructies voor het dempen van stap motoren liggen meer in het bijzonder -in de technologische problemen bij 20 de vervaardiging van vloeistofdichte huizen en legers en in de noodzaak constante bedrijfstemperaturen te realiseren aangezien de viskositeit van de vloeistoffen en daardoor de dempingseigenschappen daarvan met de temperatuur veranderen.The drawbacks of such structures for damping stepper motors lie more particularly in the technological problems in the manufacture of liquid-tight houses and bearings and in the need to realize constant operating temperatures since the viscosity of the liquids and therefore their damping properties change with the temperature.

Verdere constructies voor het dempen van het- electro-mechanische 25 stelsel van stapmotoren omvatten, zoals is beschreven in het Duitse - Offenlegungsschrift 1.538.962,vrij roteerbare extra oscxöatie-assen bij - ;r · de -rotor,, die door mechanische wrijvings- of vloeistofkoppelingen met de rotor zijn gekoppeld. De hoeveelheid arbeid en onderdelen vo'or de vervaardiging van dergelijke constructies zijn zeer groot.Further constructions for damping the electro-mechanical system of stepper motors include, as described in German Offenlegungsschrift 1,538,962, freely rotatable additional oscillation shafts on the rotor, which are driven by mechanical frictional whether fluid couplings are coupled to the rotor. The amount of labor and parts for the manufacture of such structures is very great.

30 Volgens het Duitse Offenlegungsschrift 2.136.531 bevindt zich op de rotor van een stapmotor een laag van elektrisch goed geleidend materiaal. In deze laag worden door de arbeidsflux wervelstromen geïnduceerd, die dempend werken op de rotorbeweging.According to German Offenlegungsschrift 2,136,531, the rotor of a stepper motor has a layer of electrically conductive material. Eddy currents are induced in this layer by the working flux, which damp the rotor movement.

De in deze laag geïnduceerde wervelstromen zijn derhalve slechts .The eddy currents induced in this layer are therefore only.

35 werkzaam in de periode waarin een arbeidsflux aanwezig is. Tegelijkertijd “ 820 0 2 85 ”............... 7 .......... ~~ -2- treedt als bezwaar een demping van de arbeidsflux en derhalve een verlaging van het rendement op.35 working in the period in which a working flux is present. At the same time, “820 0 2 85” ............... 7 .......... ~~ -2- objection is the damping of the working flux and therefore a reduction of the return on.

Tenslotte is het uit het DDR octrooi 59911 bekend rotoren door mechanische wrijvingsonderdelen te dempen. Het van de rotatiesnelheid 5 praktisch onafhankelijke wrijvingskoppel beïnvloedt het aanloopgedrag van de startmotoren op een ongunstige wijze en begrenst de levensduur daarvan. ' .Finally, it is known from DDR patent 59911 to dampen rotors by mechanical friction parts. The frictional torque which is practically independent of the rotational speed 5 adversely affects the starting behavior of the starter motors and limits their service life. ".

In hetzelfde octrooischrift is het dempen van startmotoren door wervelstroomremmen beschreven. Daarbij roteert een koperen schijf in een 10 elektromagnetisch veld en bewerkstelligt deze schijf een met de rotatie -. snelheid evenredige demping. De voor de vereiste demping noodzakelijke grootte van de wervelstroomdempinrichting beïnvloedt echter het traag-heidsmoment van de ~stapmotor op een aanzienlijke wijze en kan meer in het bijzonder bij kleine constructies moeilijk worden ondergebracht.In the same patent, damping of starter motors by eddy current brakes is described. Thereby a copper disk rotates in an electromagnetic field and this disk produces one with the rotation. speed proportional damping. However, the size of the eddy current damping device necessary for the required damping influences the moment of inertia of the stepping motor considerably and is more difficult to accommodate especially in small structures.

15 De uitvinding stelt zich ten doel bij elektrodynamisch gedempte stapmotoren de hoeveelheid onderdelen en de kosten bij de vervaardiging • daarvan te reduceren en het rendement daarvan te verbeteren.The object of the invention is to reduce the amount of parts and the costs in the manufacture of electrodynamically damped stepper motors and to improve their efficiency.

De uitvinding beoogt een elektrodynamisch gedempte stapmotor met een elektrisch bekrachtigde polen bezittende stator en een meer in het 20 bijzonder permanent bekrachtigde rotor met aan de omtrek aangebrachte polen te verschaffen, die een met de rotatiesnelheid evenredige, eenvoudig te verwezenlijken elektrodynamische demping bezit, waarmede een hoog rendement en een lange levensduur bij een klein constructievolume wordt gewaarborgd. Tegelijkertijd dient het massatraagheidsmoment van het ro-25 terende stelsel zo mogelijk. niet. te worden vergroot.The object of the invention is to provide an electro-dynamically damped stepper motor with an electrically-actuated pole stator and a more in particular permanently-energized rotor with circumferentially arranged poles, which has an electrodynamic damping which is proportional to the rotation speed and which provides a high efficiency and a long service life with a small construction volume is guaranteed. At the same time, the mass moment of inertia of the rotating system should be as possible. not. to be enlarged.

Daartoe bezit volgens.de uitvinding de rotor ten minste, aan een kopzijde magnetische zones met wisselende polariteit en is evenwijdig daaraan in de stator, van de rotor door een axiale luchtspleet gescheiden, een elektrisch of elektrisch en magnetisch geleidende reactieschijf rota-30 tievast aangebracht.,To this end, according to the invention, the rotor has at least one end-zone magnetic zones of varying polarity and, parallel to it in the stator, is separated from the rotor by an axial air gap, an electrically or electrically and magnetically conductive reaction disc rotatably mounted. ,

Voor het reduceren van de vervaardigingskosten is de reactieschijf bij voorkeur als een deel van het motorhuis uitgevoerd. Daarbij is' de vervaardiging van de reactieschijf uit met het motorhuis identiek-, elektrisch geleidend, zacht magnetisch materiaal van voordeel.In order to reduce the manufacturing costs, the reaction disc is preferably constructed as part of the motor housing. The production of the reaction disc from the motor housing of identical, electrically conductive, soft magnetic material is advantageous.

35 Bij deze meest eenvoudige uitvoering volgens de uitvinding bezit 8 2 0 0 2 8 5 ........ ....... ........ _~~ 'r^ *·’ -3- de gedempte stapmotor ten opzichte van de niet-gedempte stapmotor geen extra onderdeel aangezien de functionele elementen van de dempinrichting in de construktieëlementen van de stapmotor zijn geïntegreerd. Als extra ’ is slechts de aan de kopzijde van de rotor uit te voeren magnetisering 5 'noodzakelijk. ·'·'- ‘In this simplest embodiment according to the invention, 8 2 0 0 2 8 5 ........ ....... ........ _ ~~ 'r ^ * ·' - 3- the damped stepper motor compared to the non-damped stepper motor is not an additional part since the functional elements of the damping device are integrated in the construction elements of the stepper motor. As an extra, only the magnetization 5 'to be carried out at the head of the rotor is necessary. · '·' - "

De in de elektrisch geleidenderzacht magnetische reactieschijf ge-' induceerde wervelstromen wekken een dempingsmoment op, waarbij de ver-· eiste grootte van de inductie wordt verkregen doordat de reactieschijf tegelijkertijd de voor het geleiden van een grote magnetische fluxver-10 eiste lage magnetische weerstand waarborgt,The eddy currents induced in the electrically conductive soft magnetic reaction disk generate a damping moment, the required magnitude of the induction being obtained by the reaction disk simultaneously ensuring the low magnetic resistance required for conducting a large magnetic flux,

De axiale trekkrachten, die tussen de rotor en de reactieschijf optreden, verzekeren in samenwerking met een afstandsschijf de voor een reproduceerbare demping vereiste constante luchtspleet zonder dat stren- -ge tolêrantieêisen voor de axiale legerspeling of andere gelijksoortige 15 constructieve maatregelen nodig zijn.The axial tensile forces which occur between the rotor and the reaction disc, in conjunction with a spacer disc, ensure the constant air gap required for reproducible damping without the need for strict tolerance requirements for the axial bearing clearance or other similar constructional measures.

Voor het aanpassen van de dempingskarakteristiek aan de bedrijfs-karakteristiek van 'de stapmotor ën het gelijktijdig'optimaliseren"van de ' axiale legerkrachten bestaat de reactieschijf bij een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding uit twee lagen, waarvan de naar de rotor gekeerde 20 laag uit elektrisch geleidend niet-magnetisch materiaal en de van de rotor afgekeerde schijf uit zacht magnetisch materiaal bestaat.In order to adapt the damping characteristic to the operating characteristic of the stepper motors and to simultaneously optimize the axial bearing forces, the reaction disk in an embodiment according to the invention consists of two layers, the layer of which faces the rotor and is electrically conductive. non-magnetic material and the disc facing away from the rotor consists of soft magnetic material.

Bij een speciale uitvoeringsvariant neemt de elektrisch geleidende niet-magnetische laag 30-70% van de totale dikte van de reactieschijf in beslag, waarbij de zacht magnetische laag niet dikker dan voor het ge- · 25 leiden van de flux nodig, is,is gedimensioneerd..In a special embodiment variant, the electrically conductive non-magnetic layer takes up 30-70% of the total thickness of the reaction disc, the soft magnetic layer being no thicker than necessary for conducting the flux, is dimensioned ..

Terwijl bij de uitvoering van de reactieschijf uit elektrisch ge- » t · leidend zacht magnetisch materiaal een proportionele invariabele samen- « .While the reaction disc made of electrically conductive soft magnetic material, a proportional invariable combined.

hang tussen het door wervelstromen opgewekte dempingsmoment (betrokken op een constante rotatiesnelheid) en de axiale trekkracht bestaat, kan 30 bij een· reactieschijf uit twee, zoals_ boven beschreven lagen het dempingsmoment binnen ruime grenzen onafhankelijk van de axiale trekkracht worden gekozen. Hierdoor wordt, ondanks een eventuele vergroting van het dempingsmoment de axiale legerbelasting aanmerkelijk gereduceerd.en kan de levensduur van de stapmotor worden vergroot.Depending on the damping moment generated by eddy currents (based on a constant rotational speed) and the axial tensile force, the damping moment can be chosen within a wide range, independent of the axial tensile force, in a reaction disc of two layers as described above. As a result, despite an increase in the damping moment, the axial bearing load is considerably reduced and the life of the stepper motor can be increased.

35 Wanneer voor de rotor van de stapmotor een permanente magneet met zeer grote veldsterkte bijvoorbeeld groter dan 1500 A cm 1 ter beschikking staat, is voor de reactieschijf een elektrisch geleidend niet-magne- X *r _ . _ " 8200285...........For example, if a permanent magnet with a very high field strength of more than 1500 A cm 1 is available for the rotor of the stepper motor, the reaction disc is an electrically conductive non-magnetic X * r _. _ "8200285 ...........

-4--4-

V. 'WV. 'W

tisch materiaal voldoende. In dat geval moeten aangezien geen axiale trekkrachten aanwezig zijn, voor het verkrijgen van een constante lucht-spleet andere constructieve maatregelen worden getroffen.material sufficient. In that case, since no axial tensile forces are present, other constructional measures must be taken to obtain a constant air gap.

De uitvinding zal voor een uitvoeringsvorm daarvan onderstaand ....... 5 nader worden, toegelicht -onder verwijzing naar .-de .tekening. Daarbij toont: - .The invention will be explained in more detail below for an embodiment thereof, with reference to the drawing. It shows:.

fig. 1 een perspectivisch aanzicht van een permanent bekrachtigde rotor en fig. 2 een halve doorsnede van een stapmotor volgens de uitvinding.fig. 1 shows a perspective view of a permanently energized rotor and fig. 2 shows a half section of a stepper motor according to the invention.

10 De in fig. 1 afgeheelde rotor 1 bestaat uit een op een as 2 beves tigd cilindrisch magneetlichaam aan de omtrek waarvan zestien polen 3 en aan een kopvlak waarvan vier gemagnetiseerde zonés 4 met afwisselende poolvolgorde aanwezig zijn.The rotor 1 shown in fig. 1 consists of a cylindrical magnetic body mounted on a shaft 2, on the circumference of which sixteen poles 3 and on a front surface of which four magnetized zones 4 with alternating pole order are present.

In fig. 2 is een dergelijke volgens fig. 1 gemagnetiseerde rotor 15 1 binnen de stator van een stapmotor opgesteld. De stator omvat twee .. . - . met .elkaar.-verbonden,..uit. zacht magnetisch.,'diep getrokken plaat bestaan?;· .· . .In FIG. 2, such a rotor magnetized according to FIG. 1 is disposed within the stator of a stepper motor. The stator includes two ... -. interconnected, off. soft magnetic., 'deep drawn sheet exist?; ·. ·. .

de binnenste huisschelen. 5 en 5' met steeds acht polen 6 respectievelijk 61, die in twee buitenste huisschalen 7 respectievelijk 7' uit hetzelfde materiaal zijn aangebracht. De huisschalen 7 respectievelijk 7' bezitten 20 elk acht polen 8 'respectievelijk 81, die zich midden in de ruimten tussen twee polen 6 respectievelijk 6’ bevinden.the innermost house shells. 5 and 5 'with eight poles 6 and 61 respectively, which are arranged in two outer shell shells 7 and 7' of the same material. The housing shells 7 and 7 'each have eight poles 8' and 81, respectively, which are located in the middle of the spaces between two poles 6 and 6 '.

De polen 6 respectievelijk 6' en 8 respectievelijk 8' zijn ten opzichte van elkaar over een halve poolsteek verschoven. Binnen de schalen 5 respectievelijk 5' en 7 respectievelijk 7' zijn op spoellichamen 9 en 25 9' de arbeidswikkelingen 10 en 10' aangebracht. In de buitenste schalen . · - 7 en 7' zijn de legers 11 en 11' voor de as 2 van de rotor 1 aangebracht.,The poles 6 and 6 'and 8 and 8', respectively, are shifted by half a pole pitch with respect to each other. Within the shells 5 and 5 'and 7 and 7' respectively, the working windings 10 and 10 'are arranged on coil bodies 9 and 9'. In the outer shells. · - 7 and 7 'bearings 11 and 11' are mounted in front of the shaft 2 of the rotor 1.,

De op het leger 11 aansluitende, ringvormige zone 12 van een buitenste schaal 7 is rotatievast verbonden met een aluminiumschijf 13. De ringvormige zone 12 en de aluminiumschijf 13 vormen tezamen dè met de gemag-30 netiseerde zones 4 aan de kopzijde 14 van de rotor 1 satnenwerkendë réac-tieschijf. Voor het verzekeren van een constante axiale luchtspleet 15 is tussen het leger 11 en de kopzijde 14 van de rotor 1 een afstands-schijf 16 aangebracht, die uit een glijmateriaal. bestaat.The annular zone 12 of an outer shell 7 connecting to the bearing 11 is connected rotationally to an aluminum disk 13. The annular zone 12 and the aluminum disk 13 together form with the magnetized zones 4 on the front side 14 of the rotor 1. working disc disk. In order to ensure a constant axial air gap 15, a spacing disc 16 made of a sliding material is arranged between the bearing 11 and the front side 14 of the rotor 1. exists.

De dikteverhouding tussen de diep getrokken plaat in de ringvor-35 mige zone 12 en de aluminiumschijf 13 is gelijk aan 1: 1 gekozen, waar—.-;.,-,.The thickness ratio between the deep drawn sheet in the annular zone 12 and the aluminum disc 13 is chosen to be 1: 1, where -.-;., - ,.

* \ - ëTmes 7 7 ~ -5- door men voor de bepaalde stapmotor een optimaal afgestemde bedrijfs-karakteristiek verkrijgtτ 82 0 0 2 8 5 ‘.....~* \ - ëTmes 7 7 ~ -5- by optimally attuned operating characteristics for the particular stepper motor τ 82 0 0 2 8 5 "..... ~

Claims

1. Electrodynamically damped stepper motor with an electrically powered pole-mounted stator and, more particularly, a permanently-powered rotor with circumferentially arranged poles, characterized in that the rotor (1) has at least one end side of magnetic zones with alternating polarity is provided and parallel to the stator, an electrically or electrically and magnetically conductive reaction disc is arranged rotationally in the stator, separated from the rotor by an axial air gap. "

Stepper motor according to claim 1, characterized in that the reaction disk 10 is part of the motor housing.

Stepper motor according to claim 1 or 2, characterized in that the reaction disk consists of electrically conductive, soft magnetic material.

Stepper motor according to claim 1 or 2, characterized in that the reaction disc. is provided with two layers, of which the layer facing the rotor consists of electrically conductive non-magnetic material and the layer facing away from the rotor consists of soft magnetic material.

Stepper motor according to claims 1 and 4 or 2 and 4, characterized in that the layer of electrically conductive non-magnetic material takes up 30-70% of the total thickness of the reaction disc, the soft magnetic layer not thicker than is necessary for conducting the flux, is dimensioned.

6. Stepper motor according to claim 1 or 2, characterized in that the reaction *: disk consists of electrically conductive material,. - '. . : 1.

8 S 'w ^ ·'