DD224725A1 - Schrittmotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Schrittmotoren in rotatorischer als auch translatorischer Form, soweit diese mit Magnetsystemen ausgeruestet sind, die sich zum Schliessen des magnetischen Kreises anderer, nicht erregter Systeme bedienen. Die Erfindung verfolgt das Ziel, das Masse-Leistungs-Verhaeltnis derartiger Schrittmotoren weiter zu verbessern. Die Aufgabe, bei Schrittmotoren mit einer Anzahl von 3 aktiven, gegenseitig zum magnetischen Rueckfluss genutzten Magnetsystemen eine weitere Reduzierung magnetisch wirksamen Materials zu erreichen, wird geloest, indem an mindestens einem Ende der aneinandergereihten, aus Polschuhen und Erregerspulen bestehenden Magnetsysteme ein mit dem systemeigenen geometrischen Versatz versehener wicklungsloser Polschuh angeordnet ist. Fig. 1

Description

27. 07. 1983

ES El 245-Schl/Si

Titel der Erfindung Schrittmotor

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Schrittmotoren sowohl rotatorischer als auch translatorischer Art, speziell die Anordnung der die Schrittbewegung erzeugenden magnetisch aktiven Elemente.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Sowohl Rotations- als auch Linearschrittmotoren sind in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt geworden. Ihnen i3t jedoch gemeinsam, daß die jeweils relativ zueinander beweglichen Glieder in der Bewegungsrichtung sich wiederholende adäquate Magnetstrukturen aufweisen, mittels derer, einschließlich de3 räumlichen Versatzes der magnetisch aktiven Elemente und ihrer zeitlichen Aufeinanderfolge in der elektrischen Ansteuerung, die schrittförmig fortschreitende Bewegung resultiert.

Jedes aktive Magnetsystem erzeugt bei seiner Ansteuerung einen magnetischen Fluß, nach dessen Größe alle magnetisch durchfluteten Teile dimensioniert werden müssen, um die Gesamt durchflutung voll zu realisieren und damit wirksam werden zu lassen.

Die Festlegung der diesbezüglichen Magnetwerkstoffquerschnitte erfolgt unabhängig davon, ob die einzelnen Magnetsysteme autonom durchflutet oder andere, nicht erregte Systeme zur Schließung des magnetischen Kreises eines erregten, die Durchflutung bewirkenden Magnetsystems genutzt werden. Das bedeutet, daß nicht nur die von den Srregerspulen umgebenen

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Magnetwerkstoff querschnitte der konzipierten Durchf lutung entsprechend dimensioniert sein müssen, sondern auch die die magnetischen Joche "bildenden Teile des jeweiligen magnetischen Kreises. Während dies bei Rotationsschrittmotoren den in den Magnetfluß einbezogenen Mantel als auch den Rotor, selbst betrifft, sind bei Linearschrittmotoren je nach Bauform Joch oder Mantel und Stator einbezogen. Der damit verbundene Nachteil großer Massen bzw, Massenträgheitsmomente wird noch, gravierender dadurch, daß das im Schrittmotor vorhandene Magnetmaterial sowie die installierten Wicklungen in jedem Zeitpunkt nur gering ausgenutzt werden, in der Regel lediglich der einem magnetischen System zugeordnete Magnetwerkstoff und Wicklungsanteil.

In der Erfindungsanmeldung W? HO2K/248 676 0 wurde bereits ein Linearschrittmotor beschrieben, bei dem jedes der aktiven Magnetsysteme aus einem ringförmigen Polschuh und zwei zugeordneten konzentrischen Teilspulen gebildet ist. Der damit erzeugte, von dem betreffenden Polschuh ausgehende magnetische Fluß wird in einen magnetischen Kreis geleitet, der von dem Polschuh ausgehend, sich über den Stator, zwei der nicht erregten Magnetsysteme und den rohrförmigen Mantel schließt. Obwohl magnetischer Werkstoff hier bereits mehrfach genutzt wird, müssen dennoch alle flußleitenden Teile dem Gesamtfluß eines Magnetsystems entsprechend dimensioniert sein..

Ziel der Erfindung

Die Erfindung bezweckt, das Masse-Leistungs-Verhältnis bei Schrittmotoren günstiger zu gestalten und gleichzeitig eine effektive Herstellbarkeit zu gewährleisten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schrittmotor mit zwei .relativ gegeneinander beweglichen, durch einen Luftspalt getrennten, magnetisch durchflutbaren Gliedern,

die im Bereich des Luftspaltes quer zur Bewegungsrichtung orientierte rippenförmige Magnetstrukturen aufweisen, und von denen das magnetisch aktive Glied mit einer Anzahl von - 3 in schrittbewirkendem Versatz angeordneten, gegenseitig zum magnetischen Rückfluß genutzten Magnetsystemen ausgestattet ist, zu konzipieren, der bei gleichbleibenden Kräfte- bzw« Leistungsverhältnissen eine weitere Reduzierung des magnetisch -wirksamen Materials sowie Wicklungswerkstoffes erlaubt.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß an mindestens einem Ende der aneinandergereihten, aus Pol3chuhen und Erregerspulen bestehenden Magnetsysteme ein mit dem gleichen systemeigenen geometrischen Versatz versehener wicklungsloser Polschuh angeordnet ist.

Eine vorteilhafte Ausbildung erlangt die Erfindung, indem benachbarte magnetische Systeme eine gemeinsame, bei Ansteuerung jedes einzelnen Systems jeweils anschaltbare Erregerspule besitzen und daß die Erregerspulen abwechselnd gegensinnig gewickelt sind.

Zwischen benachbarten Polschuhen ist der entsprechend der Anzahl der magnetischen Systeme des Schrittmotors sich ergebende geringstmögliche Versatz der Magnetstrukturen vorhanden, und innerhalb des Schrittmotors weisen alle Versätze gleiche absolute Beträge auf bzw, genügen dem gleichen Bildungsalgorithmus.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll im Folgenden an einigen Ausführungsbeispielen mittels Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

?ig. 1: ein erstes Beispiel eines konzentrisch aufgebauten Linearschrittmotors,

?ig. 2 u.3tin einer vereinfacht-schematischen Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels die magnetischen ?lüsse in zwei aufeinanderfolgenden Phasen,

Pig. 4: ein Beispiel für eine kombinierte Anschaltung der Erregerspulen,

Fig. 5: einen erfindungsgemäß aufgebauten Hotationssanrittmotor,

Pig. 6: eine Anwendung der Erfindung bei einem linearschrittmotor in Flachbauweise.

Im ersten Beispiel (Pig. 1) sind um einen zylindrischen Stator 5 mit einer gewindeförmigen Magnetstruktur 6 der Steigung -.0 konzentrische magnetische Systeme IA bis 1D angeordnet. Diese setzen sich zusammen aus je einem ringförmigen Polschuh 2 mit einer dem Stator 5 entsprechenden Magnetstruktur 7 und in Ausnehmungen des Polschuhs 2 untergebrachten konzentrischen Teilerregerspulen 3, 4, welche im stromdurchf lossenen Zustand ira Magnetmaterial des Polschuhs 2 einen radialen Magnetfluß erzeugen. Die Erregerspulen 3, 4 sind von Magnetsystem zu Magnetsystem wechselnd ,jeweils gegensinnig gewickelt bzw, geschaltet, was zur Folge hat, daß die magnetische Plußrichtung im gleichen Rhythmus alterniert. Beiderseits dieser Gruppe der vier magnetischen Systeme 1A bis 1D befindet sich ge ein erregungswicklungsloser Polschuh 2Y, 2Z. Die Aneinanderreihung aller Pol3chuhe 2 (2Y, 2A bis 2D, 2Z), die sich sämtlich mit ihrem äußeren Mantel berühren, wird durch Flansche 8 mechanisch fixiert und mittels Lagerungen 9 gegenüber dem Stator 5 unter Einhaltung eines Luftspaltes beweglich gelagert.

In einem vereinfachten Schema ist in Fig. 2 zum einen der Versatz der Magnetstrukturen 7 der einzelnen Polschuhe 2 gegenüber der Magnetstruktur β des Stators 5 anschaulich aufgezeigt, wobei die Darstellung der Teilung t nur einfach vorgenommen wurde, während in der Praxis jeder Polschuh 2 die Magnetstruktur mehrmals (η-fach) nebeneinander besitzt, so wie auch die Magnetstruktur des Stators 5 entsprechend ausgelegt ist. Besitzt der Stator 5 die Teilung t bzw. η . t,

so muß zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Polschuhen 2 der Versatz η «ti 1/4 ♦ t betragen. Pur den allgemeinen Pail gilt η · t ± VAnzahl der magnetischen Systeme • t. Diese Beziehung gilt für alle.benachbarten Polschuhe. Beispielsweise ist bei dem in Fig. 5 dargestellten Rotationsschrittmotor der Versatz zwischen den benachbarten Magnetsystemen 1A und 1B genau so groß wie der zwischen den ebenfalls benachbarten Magnetsystemen 1B und 1C, Zum anderen ist in den Pig. 2 und 3 der etwaige Verlauf des magnetischen Flusses bei nacheinanderfolgender Ansteuerung der magnetischen Systeme 1A und 1B wiedergegeben« Die mit symbolisierter Stromflußrichtung dargestellten Erregerspulen 3A, 4A (Pig. 2) und 3B, 4B (Pig. 3) erzeugen dabei jeweils den notwendigen, zwischen zwei benachbarten Magnetsystemen in der Richtung stets wechselnden magnetischen Gesamtfluß 11 bzw» 14 der sich - vom Joch des erregten Polschuhs ausgehend - im Stator 5 als auch im rohrförmigen Mantel des magnetisch aktiven läufers in die magnetischen Teilflüsse 12 und 13 bzw, 13 und 15 aufteilt.

Auch die zum magnetischen Rückfluß benutzten, dem erregten System benachbarten Polschuhe werden jeweils nur von den Teilflüssen durchflutet. Dies bedeutet, daß sowohl Mantel 10 als auch Stator 5 lediglich den Teilflüssen gemäß ausgelegt zu werden brauchen und nur die Joche der Pol3chuhe dem Gesamtfluß entsprechend ausgebildet sein müssen.

Des weiteren wirkt sich bei der Ausbildung der Magnetflüsse günstig aus, daß mit dem Wechsel der Ansteuerung, im Beispiel vom System A (Pig. 2) zum System B (Pig, 3), der quasi beiden Systemen zu orden bare Teilfluß 13 in ^rröße und Richtung gleich bleibt, d.h., beim Wechsel der Erregung findet in dem beiden Systemen angehörenden magnetischen Kreis keine Plußänderung statt. DieseTUmstand ist bezüglich der dj-namischen Eigenschaften des Schrittmotors ebenso positiv wirkend wie bei der dadurch weniger kritischen Auswahl des Magnetwerkstoffes hinsichtlich Remanenz und Koerzitivkraft.

Wie ebenfalls aus den Pig. 2 und 3 deutlich sichtbar ist, wird bei Ansteuerung des magnetischen Systems 1A die Erregerspule 4A in der gleichen Weise betrieben wie die Spule 3B bei

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Erregung des Systems 1B, Da "beide Errege rs pulen im gleichen magnetischen Kreis liegen, können sie zusammengefaßt werden bzw. eine von. beiden kann entfallen. Dasselbe gilt natürlich für die anderen Systeme.

In Fig. 4 ist beispielsweise eine Schaltungsanordnung gezeichnet, bei der die Erregerspulen 4A und 3B durch eine Spule 43AB und die Spulen 4C und 3D durch eine gemeinsame Erregerspule 43CD ersetzt sind« Zwei von acht Systemen können deshalb entfallen und so 25 % Wicklungsmaterial eingespart werden« Mittels anderer elektrischer bzw. elektronischer Ansteuerungen ist auch die Zusammenfassung der Spulen 4B und 3C sowie 3A und 4D möglich und damit eine wei- \ tere Gewichtsreduzierung zu erzielen«

Daß die Erfindung ebenso bei RotationsSchrittmotoren anwendbar ist, zeigt Fig. 5, wobei hier beispielsweise die in Fig. 4 erläuterte Kombination von Erregerspulen Anwendung findet. Auch die Form der Polschuhe, die nur noch mit einer Ausnehmung für/die Erregerspulen ausgestattet sind, bietet Torteile hinsichtlich ihrer effektiven Herstellbarkeit und Montagefreundlichkeit. Die aktiven magnetischen Systeme besitzen in diesem Fall Statorfunktion« Die aufgereihten Polschuhe 20 mit den Erregerspulen 21 werden durch Flansche 23, die die Lager 22 beinhalten, fixiert. Auf der Rotorwelle 26 befinden sich Flansche 24, die mit dem aus magnetischem Werkstoff bestehenden rohrförmigen Rotorkörper 25 verbunden sind. Im Rotorkörper 25 sowie in den Polschuhen 20 sind in axialer Richtung, also rechtwinklig zur Bewegungsrichtung verlaufende adäquate Magnetstrukturen 27, 28 eingebracht. Der notwendige schrittbewirkende Versatz zwischen den Polschuhen 20 ist durch.ihr einfaches Verdrehen um 1/4 der Teilung nach dem in Fig. 2 angegebenen Schema realisiert.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß nach dem gleichen Kon-

zept unter Beaciit-ung der spezifischen Eigenheiten (Anordnung der Magnetstrukturen und des Versatzes) ebenso Linearsclirittmotoren aufgebaut werden können. Die Erfindung ist ' auch nicht auf Linearschrittmotoren in konzentrischer Form beschränkt, sondern gleichfalls für Motoren in Flachbauweise, wie beispielsweise in Fig. 6 prinzipiell angedeutet, geeignet. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine prismatische Statorschiene 30 mit einer Magnetstruktur 31, die der Magnetstruktur 35 der mit Erregerwicklungen 34 versehenen Polschuhe 32 und der wicklungslosen Polschuhe 33 entspricht, ausgerüstet. Die beiderseits der schrittbewirkenden Polschuhe 32 angeordneten Polschuhe 33 dienen auch hier ausschließlich der Bewältigung des magnetischen Bückflusses der äußeren magnetischen Systeme.

Es hat sich bei allen Anwendungen der Erfindung gezeigt, daß trotz Hinzufügen^ mindestens eines weiteren Polschuhs einerseits die aus der Verringerung von magnetischem und Wicklungsmaterial sich ergebenden Massereduzierungen ausschlaggebender sind, um die resultierende Gesamtmasse niedriger zu halten als bei vergleichbaren Schrittmotoren herkömmlicher Bauweise, und andererseits bei gleichbleibender bzw, leicht erhöh2ter Masse dennoch das Masse-Leistungs-Verhältnis in jedem Falle verbessert werden kann.

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Claims (3)

1. Erf indun gs ans pruch

   1. Schrittmotor mit zwei relativ gegeneinander beweglichen, durch einen Luftspalt getrennten, magnetisch durchflutbaren.Gliedern, die im Bereich des Luftspaltes quer zur Bewegungsrichtung orientierte rippenförmige Magnetstrukturen aufweisen und von denen das magnetisch aktive Glied mit einer Anzahl von - 3 in schrittbewirkendem "Versatz angeordneten, gegenseitig zum magnetischen Kickfluß genutzten Magnetsysteme ausgestattet ist, dadurch gekenn-

   zeichnet, daß an mindestens einem Snde der aneinandergereihten, aus Polschuhen und Srregerspulen bestehenden Magnetsysteme (1A bis 1D) ein mit dem gleichen, systemeigenen geometrischen Versatz versehener wicklungsloser Polschuh (2Y, 2Z, 2OY, 2OZ, 33) angeordnet ist. ·
2. 2. Schrittmotor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte magnetische Systeme (1) eine gemeinsame, bei Ansteuerung jedes einzelnen Systems jeweils anschalt bare Erregerspulen (43AB, 43CD, 21) besitzen und daß die Erregerspulen abwechselnd gegensinnig gewickelt bzw, geschaltet sind,
3. 3. Schrittmotor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeweils benachbarten Polschuhen (2A bis 2D, 2Y,. 2Z, 2OA bis 2OD, 2OY, 2OZ, 33) der geringstmögliche, entsprechend der Anzahl der magnetischen Systeme des Schrittmotors sich ergebende geometrische Versatz der Magnetstrukturen (T, 27, 35) vorhanden ist und daß alle Versätze innerhalb des Schrittmotors gleiche absolute Beträge aufweisen bzw. dem gleichen Bildungsalgorithmus genügen.

   Hierzu.2 Blatt Zeichnungen