CH651707A5 - Schrittmotor. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrittmotor gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Schrittmotor ist aus der DE-OS 27 27 450 bekannt. Ein derartiger Motor ist insbesondere zur Verwirklichung sehr kleiner Schrittwinkel von z. B. 1,8° geeignet. In der genannten Offenlegungsschrift ist angegeben, dass Unterschiede in den magnetischen Leitwerten der Wege von dem dauermagnetischen Ring zu dem ersten und dem zweiten Zähnesystem, gleich wie der Wege zu dem dritten und dem vierten Zähnesystem, zu asymmetrischen Drehmomenten, d. h. ungleichen Drehmomenten bei den unterschiedlichen Erregungsphasen, führen. Dabei sind eine Anzahl von Verfahren angegeben, durch die diese Ungleichheiten dieser Wege beseitigt werden können.

Es stellt sich heraus, dass es in der Praxis besonders schwierig ist, die genannten magnetischen Leitwerte gleich zu machen. Ausserdem stellt sich heraus, dass die genannten asymmetrischen Drehmomente mit Schrittwinkelfehlern einhergehen, was viel störender als der asymmetrische Charakter dieser Drehmomente ist.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Motor der eingangs genannten Art mit in hohem Masse beseitigten Schrittwinkelfehlern zu schaffen. Erfindungsgemäss weist der Schrittmotor der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale auf.

Unter einem elektromagnetischen Winkel von 360° ist dabei eine Relativverschiebung des Rotors in bezug auf den Stator gleich dem Zahnteilungsabstand, d. h. gleich dem Mittenabstand dieser Zähne, zu verstehen. Bei einem 1,8°-Schrittmotor, d. h. einem Motor, dessen Rotor sich pro Schritt 1,8° und pro Zyklus von vier Schritten 7,2° verdreht, entsprechen also 360 elektromagnetische Grad 7,2 räumlichen Grad.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die genannte Ungleichheit in magnetischen Leitwerten zu einem Klebmoment, d. h. dem Drehmoment in unerregtem Zustand, führt, das zusammen mit dem durch die Erregung bestimmten Drehmoment zu ungleichen Drehmomenten in den vier verschiedenen Erregungsphasen und zu ungleichen Schrittwinkeln zwischen den zu den vier Erregungsphasen gehörigen stabilen Lagen des Rotors führt, und dass es für die Beseitigung der Schrittwinkelfehler nicht erforderlich ist, die genannte Ungleichheit in magnetischen Leitwerten zu eliminieren, sondern dass es durch Verkleinerung der Amplitude der von der Rotorlage abhängigen magnetischen Leitwerte der Luftspalte zwischen dem zweiten und dem dritten Statorzähnesystem und der Rotorverzahnung in bezug auf die Amplitude der von der Rotorlage abhängigen magnetischen Leitwerte der Luftspalte zwischen dem ersten und vierten Statorzähnesystem und der Rotorverzahnung möglich ist, die Schrittwinkelfehler zu eliminieren, ohne dass die magnetischen Leitwerte der genannten Wege einander gleichgemacht werden. Dabei sei bemerkt, dass die Verkleinerung der genannten magnetischen Leitwerte der genannten Luftspalte nicht mit der Gleichmachung der Amplitude der gesamten magnetischen Leitwerte dieser Wege zuzüglich der entsprechenden Luftspalte übereinstimmt.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Schrittmotor, bei dem die Erfindung angewandt werden kann,

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Fig. 2 schematisch die gegenseitigen Lagen der Stator-und Rotorverzahnung,

Fig. 3 eine Anzahl von Diagrammen zur Erläuterung der Erregung eines Motors nach Fig. 1,

Fig. 4 ein Vektordiagramm zur Erläuterung des Auftretens von Schrittwinkelfehlern bei einem Motor nach Fig. 1 bei Einwegerregung,

Fig. 5 ein Vektordiagramm gleich dem nach Fig. 4 bei Doppelwegerregung,

Fig. 6 einen Schnitt nach Fig. 1 durch eine erste Ausführungsform eines Schrittmotors nach der Erfindung,

Fig. 7 einen Schnitt nach Fig. 1 durch eine zweite Ausführungsform eines Schrittmotors nach der Erfindung, und

Fig. 8 eine Darstellung der gegenseitigen Lagen der Stator- und der Rotorverzahnung bei einer dritten Ausführungsform eines Schrittmotors nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen axialen Schnitt durch einen Schrittmotor, in dem das Prinzip nach der Erfindung angewandt werden kann. Der Schrittmotor ist nun im wesentlichen drehsymmetrisch um die Achse A-A1 und enthält einen Rotor 1 und einen Stator 2. Der Stator besteht aus zwei koaxialen Statorteilen 3 und 4 mit einem koaxial dazwischenliegenden in axialer Richtung magnetisierten dauermagnetischen Ring 5. Jeder der Statorteile 3 bzw. 4 enthält eine koaxial liegende Ringspule 8 bzw. 9, die von einer magnetisch leitenden Umhüllung 6 bzw. 7 umgeben ist, die auf der Innenseite in zwei ringförmige Zähnesysteme 10 und 11 bzw. 12 und 13 mündet. Der Rotor 1 ist mit mit den ringförmigen Zähnensystemen 10, 11, 12 bzw. 13 zusammenarbeitenden ringförmigen Zähnesystemen 14, 15, 16 bzw. 17 versehen.

Fig. 2 zeigt schematisch die Lage der Statorzähnesysteme 10, 11, 12 bzw. 13 in bezug auf die Rotorzähnesysteme 14, 15, 16 bzw. 17. Dabei sind die Rotorzähne axial fluchtend angeordnet, so dass die obere Reihe in Fig. 2 die Zähnesysteme 14, 15, 16 und 17 darstellt (das Umgekehrte, wobei dann die Statorzähne axial fluchtend angeordnet und die Rotorzähne verschoben sind, ist auch möglich). Bei einer bestimmten Lage des Rotors liegen die Zähne des Statorzähnesystems 10 den Rotorzähnen gegenüber, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Zähne des Statorzähnesystems 11 müssen dann im wesentlichen über 180° oder über einen halben Zahnteilungsabstand gegen die Zähne des Statorzähnesystems 11 verschoben sein. Die Zähne des Zähnesystems 12 sind über 90° oder aber über einen Viertelzahnteilungsabstand (oder Dreiviertelzahntei-lungsabstand in der anderen Richtung gesehen) gegen die des Zähnesystems 10 verschoben und die Zähne des Zähnesystems 13 sind über 270° oder aber über Dreiviertelzahntei-Iungsabstand (oder einen Viertelzahnteilungsabstand in der anderen Richtung gesehen) gegen die des Zähnesystems 10 verschoben. Die gegenseitigen Lagen der Zähne der Zähnesysteme 12 und 13 können auch gerade umgekehrt sein.

Fig. 3 zeigt zwei Möglichkeiten zur Erregung des Motors nach Fig. 1. Dabei zeigen die Diagramme a bzw. b die Erregungsströme für die Spulen 8 bzw. 9 bei Einwegerregung (jeweils nur eine Spule erregt) und die Diagramme c bzw. d diese Ströme bei Doppel wegerregung. Dabei ist ein Strom +1 derart gerichtet, dass das von der Spule 8 im Luftspalt zwischen den Zähnesystemen 10 und 14 erzeugte Feld dieselbe Richtung wie das vom dauermagnetischen Ring 5 in diesem Luftspalt erzeugte Feld aufweist und dass das von der Spule 9 im Luftspalt zwischen den Zähnesystemen 12 und 16 erzeugte Feld dieselbe Richtung wie das vom dauermagnetischen Ring 5 in diesem Luftspalt erzeugte Feld aufweist.

Wenn zum Zeitpunkt ti der Spule 8 ein Strom +1 zugeführt wird und die Spule 9 unerregt bleibt, wird vom Feld in dem Luftspalt zwischen den Zähnesystemen 10 und 14 ein Drehmoment erzeugt, das die Rotorzähne zu den Zähnen des Zähnesystems 10 richtet und dann ergibt sich, vorausgesetzt,

dass sich der Rotor bewegen kann, die in Fig. 2 dargestellte Situation. Wenn zum Zeitpunkt ti die Spule 9 mit einem Strom +1 erregt wird, während die Spule 8 unerregt ist, erzeugt das Feld im Luftspalt zwischen den Zähnesystemen 12 und 16 ein Drehmoment, das die Zähne des Zähnesystems 12 gegenüber denen des Zähnesystems 16 zu richten sucht, wobei sich der Rotor über einen Viertelzahnteilungsabstand verschiebt. Eine darauffolgende Erregung der Spule 8 zum Zeitpunkt t3 mit einem Strom -1 bewirkt, dass sich die Zähne des Zähnesystems 11 zu denen des Zähnesystems 15 richten, während eine zum Zeitpunkt t» erfolgende Erregung der Spule 9 mit einem Strom — I bewirkt, dass sich die Zähne des Zähnesystems 17 zu denen des Zähnesystems 13 richten. So bewegt sich der Rotor nacheinander mit Schritten von 90° von der in Fig. 2 dargestellten Lage auf 0° zu 90°, 180°, 270° und 360°.

Bei der in Figuren 3c und 3d dargestellten Doppelwegerregung werden jeweils in zwei Paaren von Zähnesystemen Drehmomente auf den Rotor ausgeübt. Z. B. bei der Erregung der Spulen 8 und 9 mit je einem Strom +1 zum Zeitpunkt ti erzeugen die Felder in den Luftspalten zwischen den Zähnesystemen 10 und 14 und den Zähnesystemen 12 und 16 Drehmomente, die eine Verschiebung des Rotors zu einer Lage ergeben, die auf 45° von der in Fig. 2 dargestellten Lage liegt. Dadurch, dass die Spulen 8 und 9 nacheinander auf eine in den Figuren 3c und 3d dargestellte Weise erregt werden, bewegt sich der Rotor nacheinander mit Schritten von 90° zu Lagen auf 45°, 135°, 225° und 315°.

Fig. 4 zeigt ein Vektordiagramm in dem die Richtung der Vektoren die Lage angibt, in die der Rotor bei einer bestimmten Erregung des Stators getrieben wird, wobei die Länge dieses Vektors ein Mass für die Grösse des Treibmoments ist. Durch vektorielle Addition der zu einer bestimmten Erregung gehörigen Vektoren wird der Vektor, der zu der Summe dieser Erregung gehört, erhalten. Die Vektoren Pi, P2, P3 bzw. P4 gehören zu der Einwegerregung der Spule 8 mit einem Strom +1, der Spule 9 mit einem Strom +1, der Spule 8 mit einem Strom -1 bzw. der Spule 9 mit einem Strom -1. Die Grössen der zugehörigen Drehmomente sind bei einem idealen Motor einander gleich.

Dadurch, dass die magnetischen Leitwerte der Wege von dem dauermagnetischen Ring 5 zu den Zähnesystemen 10, 11, 12 und 13 in der Praxis einander nicht gleich sein werden,

wird der Rotor für den Fall, dass der Motor unerregt ist, doch eine bevorzugte Lage aufweisen, die, weil die magnetischen Leitwerte zu den Zähnesystemen 11 und 12 kleiner als die zu den Zähnesystemen 10 und 13 sein werden und weil der Stator zu dem dauermagnetischen Ring 5 symmetrisch ist, auf etwa 135° liegen wird. Der Vektor, der diese Lage und die Grösse des zugehörigen Klebmoments symbolisch darstellt, ist in Fig. 4 mit Pd bezeichnet.

Bei Erregung des Motors werden die dieser Erregung entsprechenden Vektoren dadurch gefunden, dass der zugehörige Vektor Pi, P2, P3 oder P4 vektoriell zu dem Vektor Pd addiert wird. Dabei sei bemerkt, dass dies theoretisch nicht ganz richtig ist, u. a. weil das Istdrehmoment nicht völlig der Summe des idealen Drehmoments und des Klebmoments im unerregten Zustand entspricht. Im erregten Zustand kann auch ein Vektor Pd mit derselben Richtung wie das Klebmoment, jedoch mit einer anderen Länge wegen u. a. infolge der Erregung auftretender Sättigungen, als vorhanden angenommen werden, wobei dieses Drehmoment Pd, das dann nicht für alle Erregungszustände eine gleiche Länge aufzuweisen braucht, zusammen mit dem «idealen» Drehmoment das Istdrehmoment ergibt. Es stellt sich aber heraus, dass, wenn der Motor nicht zu stark von einem idealen Motor abweicht,

diese Darstellungsweise ziemlich genau mit der wirklichen Situation übereinstimmt.

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In Fig. 4 stellen die Vektoren Pi, P2, P.5 bzw. Pi die Summe der Vektoren Pi, P2, P3 bzw. Pj und des Vektors Pd dar. Infolge des Vorhandenseins des Drehmoments Pd weichen also die Rotorlagen bei den unterschiedlichen Einwegerregungen von •den idealen Lagen ab und sind die Schrittwinkel einander nicht gleich. Die Istlagen des Rotors bei den unterschiedlichen Einwegerregungen sind die Lagen ai, 900 +ßi, 180° -ßi und 270° — ai, so dass die Schrittwinkelfehler gleich ßi — ai, 2ßi und 2ai sind. Dabei sind die Drehmomente nicht mehr gleich gross, was aber viel weniger bedenklich als das Auftreten von Schrittwinkelfehlern ist.

Fig. 5 zeigt ein gleiches Vektordiagramm wie Fig. 4. jedoch der an Hand der Figuren 3c und 3d beschriebenen Doppelwegerregung. Dabei stellen die Vektoren Pu, P23, P34 und P41 die Drehmomente dar, die bei Doppelwegerregung in einem idealen Motor auftreten würden und die durch Kombination der Vektoren Pi und P2, P2 und P3, P3 und P4 bzw. P4 und Pi erhalten werden. Die Vektoren P12, P23, Pl» und P41 stellen die Istdrehmomente dar, welche Vektoren durch vek-torielle Addition der Vektoren P12, P23, P34 bzw. P41 und des Vektores Pd erhalten werden. Die zu den Vektoren Pii und P23 gehörigen Lagen des Rotors sind dann, wie gefunden wurde, in bezug auf die Lagen der Vektoren P41 und P23 unverändert, während die zu den Vektoren P12 und P34 gehörigen Lagen des Rotors einen Fehler cu in bezug auf den Winkel aufweisen. Auch hier sind die Drehmomente nicht mehr gleich gross.

Nach der Erfindung können die genannten Schrittwinkelfehler in hohem Masse bei nominaler Erregung durch Verkleinerung der Amplitude des magnetischen Leitwertes des Luftspaltes zwischen den inneren Statorzähnesystemen 11 bzw. 12 und der Rotorverzahnung 15 bzw. 16 in bezug auf die Amplitude des magnetischen Leitwertes des Luftspaltes zwischen den äusseren Statorzähnesystemen 10 bzw. 13 und der Rotorverzahnung 14 bzw. 17 beseitigt werden, was eine Ver-grösserung der Drehmomente auf die äusseren Zähnesysteme in bezug auf die Drehmomente auf die inneren Zähnesysteme zur Folge hat. Da die Drehmomente nicht nur von diesen magnetischen Leitwerten, sondern auch von dem Erregungsstrom in den Spulen 8 und 9 abhängen, gilt eine Korrektur zur Beseitigung von Schrittwinkelfehlern nur bei einem bestimmten Nennerregungsstrom. Die benötigte Korrektur in 5 bezug auf diese magnetischen Leitwerte kann durch Versuche oder über Computerberechnungen bestimmt werden.

Es gibt zahlreiche Verfahren zur Verkleinerung der magnetischen Leitwerte der Luftspalte zwischen den inneren Zähnesystemen und dem Rotor in bezug auf die magneti-io sehen Leitwerte der Luftspalte zwischen den äusseren Zähnesystemen und dem Rotor. Figuren 6,7 und 8 zeigen drei Möglichkeiten.

Fig. 6 zeigt die Hälfte des Schnittes nach Fig. 1, wobei die Zähne der Zähnesysteme 10 und 13 eine axiale Höhe hi und 15 die der Zähnesysteme 11 und 12 eine axiale Höhe I12 aufweisen. Indem nun hi kleiner als I12 gewählt wird, kann der Effekt nach der Erfindung erhalten werden. Es versteht sich, dass diese ungleichen Zähnehöhen auch im Rotor statt im Stator oder in beiden vorgesehen werden können.

20 Fig. 7 zeigt denselben Schnitt wie Fig. 6, jedoch mit gleicher Höhe der Statorzähne. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Abstand der Zähne der Statorzähnesysteme 10 und 13 von den Zähnen der Rotorzähnesysteme 14 und 17 gleich d2, welcher Abstand kleiner als der Abstand di der Zähne der 25 Statorzähnesysteme 11 und 12 von den Zähnen der Rotorzähnesysteme 15 und 16 ist.

Fig. 8 zeigt auf die gleiche Weise wie Fig. 2 die gegenseitigen Lagen der Zähne der Statorzähnesysteme 10, 11, 12 und 13 in bezug auf die Rotorzähnesysteme 14,15,16 und 17 in 30 einem Schrittmotor nach der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist die tangentielle Breite b2 der Zähne der Statorzähnesysteme 11 und 12 kleiner als die tangentielle Breite bi der Zähne der Statorzähnesysteme 10 und 13 gewählt, um den gewünschten Unterschied in magnetischen Leitwerten zu 35 erhalten. Auch hier gilt wieder, dass die Ungleichheit auch in den Rotorzähnen statt in den Statorzähnen angebracht werden kann.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

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1. Schrittmotor, der wenigstens enthält: einen ersten ringförmigen Statorteil (3) eines Stators (2) mit einer Ringspule (8) und einer dieser Ringspule umschliessenden magnetisch leitenden Umhüllung (6), die in ein erstes (10) und ein zweites (11) ringförmiges Zähnesystem mündet; einen zweiten ringförmigen Statorteil (4) des Stators (2) mit einer Ringspule (9) und einer diese Ringspule umschliessenden magnetisch leitenden Umhüllung (7), die in ein drittes ( 12) und ein viertes (13) ringförmiges Zähnesystem mündet; einen axial magneti-sierten und ringförmigen dauermagnetischen Teil (5), der koaxial zu den beiden Statorteilen zwischen diesen Statorteilen liegt, wobei das zweite (II) und das dritte (12) ringförmige Zähnesystem an diesen dauermagnetischen Teil grenzen; und einen Rotor (1) mit einer mit dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Zähnesystem zusammenarbeitenden Verzahnung (14, 15, 16, 17), wobei das erste Zähnesystem und das zweite Zähnesystem miteinander in bezug auf die jeweilige Rotorverzahnung einen elektromagnetischen Nennwinkel von 180° einschliessen, das dritte und das vierte Zähnesystem miteinander in bezug auf die jeweilige Rotorverzahnung einen elektromagnetischen Nennwinkel von 180° einschliessen, das erste und das vierte Zähnesystem miteinander in bezug auf die jeweilige Rotorverzahnung einen elektromagnetischen Nennwinkel von 90° einschliessen und das zweite und das dritte Zähnesystem miteinander in bezug auf die jeweilige Rotorverzahnung einen elektromagnetischen Nennwinkel von 90° einschliessen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herabsetzung von Schrittwinkelfehlern bei einer bestimmten Erregung die Geometrie der Zähne des zweiten und des dritten Zähnesystems (11, 12) in bezug auf die damit zusammenwirkenden Zähne (15,16). der Rotorverzahnung von der Geometrie der Zähne des ersten und des vierten Zähnesystems (10, 13) in bezug auf die damit zusammenwirkenden Zähne (14, 17) der Rotorverzahnung abweicht, derart, dass die Amplitude des magnetischen Leitwertes des Luftspaltes zwischen den Zähnen des zweiten und des dritten Zähnesystems (11,12) und der damit zusammenwirkenden Zähne (15,16) der Rotorverzahnung als Funktion der Rotorlage mindestens 1% kleiner als die Amplitude des magnetischen Leitwertes des Luftspaltes zwischen den Zähnen des ersten und des vierten Statorzähnesystems (10, 13) und der damit zusammenwirkenden Zähne (14,17) der Rotorverzahnung als Funktion der Rotorlage ist, wobei die genannten Geometrien des zweiten und des dritten Zähnesystems (11, 12) einander gleich sind und die genannte Geometrien des ersten und des vierten Zähnesystems ebenfalls einander gleich sind.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe in axialer Richtung der Zähne des zweiten und des dritten Zähnesystems und/oder die Höhe der damit zusammenwirkenden Zähne der Rotorverzahnung kleiner als die Höhe der Zähne des ersten und des vierten Zähnesystems und/oder der damit zusammenwirkenden Zähne der Rotorverzahnung gewählt ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand zwischen den Zähnen des zweiten und des dritten Statorzähnesystems und den damit zusammenwirkenden Zähnen der Rotorverzahnung grösser als der radiale Abstand zwischen den Zähnen des ersten und des vierten Statorzähnesystems und den Zähnen der damit zusammenwirkenden Rotorverzahnung ist.

4. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die tangentielle Breite der Zähne des zweiten und des dritten Statorzähnesystems und/oder die tangentielle Breite der damit zusammenwirkenden Zähne der Rotorverzahnung als die Breite der Zähne des ersten und des vierten

Statorzähnesystems und/oder der damit zusammenwirkenden Zähne der Rotorverzahnung gewählt ist.