DD255824A1

DD255824A1 - Schrittmotor mit permanentmagnetischer phase

Info

Publication number: DD255824A1
Application number: DD29597086A
Authority: DD
Inventors: Thomas Gottwald; Manfred Rauch; Holger Felber
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1986-11-06
Filing date: 1986-11-06
Publication date: 1988-04-13
Also published as: CH677710A5; DE3735732A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor mit permanentmagnetischer Phase, der zur Umwandlung diskreter elektrischer Signale in mechanische Bewegung dient. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Phase ohne jegliche elektrische Erregung durch Permanentmagnete aktiviert wird. Er ist insbesondere überall dort vorteilhaft anwendbar, wo mechanische Positionieraufgaben durch lange und häufige Verweilzeiten gekennzeichnet sind, wie z.B. bei Drucker-Walzen-Antrieben, beweglichen Bohrköpfen usw.. Ziel und Aufgabe der Erfindung sind es, einen Schrittmotor zu entwickeln, der im Stillstand eine Haltekraft erzeugen kann, ohne dabei ständig Energie zu verbrauchen. Erfindungsgemäß besitzt der Schrittmotor ein ständig permanent erregtes Phasen-Magnetsystem und weitere elektrisch erregbare Phasen-Magnetsysteme, deren Verzahnungs-Versatz von ihrer Phasenlage definiert abweicht. Im stromlosen Zustand kommt nur das permanent erregte Phasen-Magnetsystem zur Wirkung. Bei Bestromung eines elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsystems addiert sich dessen Wirkung mit der das permanent erregten Phasen-Magnersystems so, dass die entsprechende Phase eingestellt wird. Fig. 1.{Schrittmotor, Permanentmagnete, Positionieraufgaben, Verweilzeiten, Haltekraft, Energie, Verzahnungs-Versatz}

Description

kennzeichnenden Versatzes gegenüber der Verzahnung des permanent erregten Phasen-Magnetsystems versetzt. Im Falle beispielsweise eines dreiphasigen erfindungsgemäßen Schrittmotors enthält dieser ein permanent erregtes und zwei elektrisch erregbare Phasen-Magnetsysteme, deren Verzahnungen um +V12 bzw. —V12 der Verzahnungs-Periode gegenüber der Verzahnung des permanent erregten Phasen-Magnetsystems versetzt sind.

Im Falle eines vierphasigen erfindungsgemäßen Schrittmotors enthält dieser ein permanent erregtes und drei elektrisch erregbare Phasen-Magnetsysteme, von denen eins um +³Ib, ein weiteres um — Vs und das dritte um V2 der Verzahnungs-Periode gegenüber dem permanent erregten Phasen-Magnetsystem versetzt verzahnt sind. Beim vierphasigen erfindungsgemäßen Schrittmotor kann ferner das dritte, um V2 der Verzahnungs-Periode versetzt verzahnte elektrisch erregbare Phasen-Magnetsystem gegebenenfalls fortgelassen werden, wobei dessen Wirkung durch gleichzeitige Aktivierung der benachbarten beiden elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme hervorzurufen ist.

Der erfindungsgemäße Schrittmotor kann so aufgebaut sein, daß alle Phasen-Magnetsysteme einen gemeinsamen ferromagnetischen Rückschluß besitzen. Ebensogut kann dieser gemeinsame Rückschluß entfallen, wobei ferromagnetische Teile des permanent erregten Phasen-Magnetsystems den elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsystemen mit als Rückschluß dienen, und das permanent erregte Magnetsystem einen eigenen Rückschluß besitzt.

Zur Aktivierung einer anderen als der permanentmagnetischen Phase wird das betreffende elektrisch erregbare Phasen-Magnetsystem bestromt. Die Amplitude der Kraft/Weg-Funktion des elektrisch erregten Phasen-Magnetsystems muß dabei den 2sin(^phi/2)-fachen Wert der des permanent erregten Phasen-Magnetsystems aufweisen, wobei Phi der die betreffende Phase kennzeichnende Versatz ist (eine volle Periode entspricht Phi = 360 Grad). Die Superposition der Kraft/Weg-Funktion des permanent erregten undder des elektrisch erregten Phasen-Magnetsystems ergibt dann eine Kraft/Weg-Funktion, deren Amplitude der des permanent erregten Phasen-Magnetsystems entspricht und deren Nullstelle, welche die magnetische Rast des Läufers bestimmt, mit der die betreffende Phase kennzeichnenden Auslenkung Phi des Läufers identisch ist. Voraussetzung dafür ist, daß alle Kraft/Weg-Funktionen einen annähernd sinusförmigen Verlauf besitzen. Der erfindungsgemäße Schrittmotor kann sowohl als Linear- als auch als Rotationsschrittmotor aufgebaut sein. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Schrittmotors besteht in der Kombination der Eigenschaft permanenter Haltekräfte im stromlosen Zustand in einer Stellung pro Periode mit der Fähigkeit der Feinpositionierung. Zudem sind nach Wunsch drei-, vier-, fünf- und mehrphasige Motoren der erfindungsgemäßen Art möglich. Im Falle eines vierphasigen Schrittmotors ist sogar eines der drei elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme redundant ohne Einschränkung der Funktionsfähigkeit, wodurch Material gespart und Masse und Volumen verringert werden können.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an drei Ausführungsbeispielen und anhand von sechs Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1: eine Ausführung als vierphasiger Linearschrittmotor

Fig. 2: eine Ausführung als dreiphasiger Linearschrittmotor ohne gemeinsamen Rückschluß

Fig.3: eine Ausführung als dreiphasiger Rotationsschrittmotor ohne gemeinsamen Rückschluß

Fig.4: das Zeigerbild eines dreiphasigen erfindungsgemäßen Schrittmotors

Fig. 5: das Zeigerbild eines vierphasigen erfindungsgemäßen Schrittmotors

Fig. 6: die Kraft/Weg-Funktion eines vierphasigen erfindungsgemäßen Schrittmotors über eine Periode

Das erste Ausführungsbeispiel stellt einen vierphasigen Linearschrittmotor mit gemeinsamem Rückschluß dar (Fig. 1). Dieser besitzt eine verzahnte Statorschiene, welche den ferromagnetischen Rückschluß 1 des erfindungsgemäßen Schrittmotors · bildet. Entlang dieser Statorschiene bewegt sich der Läufer, welcher vier Phasen-Magnetsysteme enthält, wovon eins ein permanent erregtes Phasen-Magnetsystem 10a ist und einen Permanentmagnet 14 besitzt, während die anderen, elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme 10b, 10c, 10d jeweils mit Steuerwicklungen 13 bestückt sind. Die Verzahnungen 15a, 15b, 15 c, 15d der Phasen-Magnetsysteme 10a, 10 b, 10 c, 10d stehen der Verzahnung 5 des ferromagnetischen Rückschlusses 1 nahe gegenüber und sind untereinander versetzt. Die Verzahnung 15b ist gegenüber der Verzahnung 15a um Vs der Verzahnungs-Periode versetzt, die Verzahnung 15 c um V2 und die Verzahnung 15d um Ve (= -³/s). Unter der Periode der Verzahnung wird bei Schrittmotoren der Abstand der Mitte eines Zahnes zur Mitte eines benachbarten Zahnes verstanden.

Die Funktion des Schrittmotors nach dem ersten Ausführungsbeispiel soll anhand Fig. 5 verdeutlicht werden. Den vier Phasen sind Läuferpositionen bei 0,¹At, V2 und ³A der Periode innerhalb derselben eigen. Unter Berücksichtigung des Um.standes, daß das Phasen-Magnetsystem 10a stand ig wirksam ist, müssen die Komponenten, die von den Phasen-Magnetsystemen 10 b, 10 c, 10 d geliefert werden, um Vt + ^ph'h versetzt sein (d. h. Vs, V2 und Vs) und den 2 sin (^phi/2>fachen Betrag aufweisen (d.h. λ/2, 2, λ/2). Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit ist ein etwa sinusförmiger Verlauf der statischen Kraft/Weg-Funktionen der einzelnen Phasen-Magnetsysteme. Fig. 6 zeigt die Verläufe 30a (Phasen-Magnetsystem 10a) und 30b, 30c, 3Od (jeweils Phasen-Magnetsystem 10b, 10c bzw. 10d gemeinsam mit 10a erregt). Die Kraft/Weg-Funktionen sind von der Zahngeometrie der Verzahnung abhängig. Die in Fig.6 dargestellten Funktionen wurden für eine Verzahnung mit 0,6mm Zahnbreite und 0,6mm Zahnlückenbreite und einer Zahntiefe von 0,5 mm ermittelt.

Im Falle eines vierphasigen erfindungsgemäßen Schrittmotors kann das dem permanent erregten Phasen-Magnetsystem 10a gegenüberstehende elektrisch erregbare Phasen-Magnetsystem.10c auch gänzlich entfallen. Dessen Funktion wird ersetzt, indem an dessen Stelle die beiden anderen elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme 10b und 10d gleichzeitig erregt werden. Die Summe der von ihnen erzeugten Kräfte entspricht in Betrag und Richtung der Kraft, die von dem fortgelassenen Phasen-Magnetsystem erzeugt werden sollte.

Als zweites Ausführungsbeispiel wird ein dreiphasiger Linearschrittmotor mit permanentmagnetischer Phase ohne gemeinsamen Rückschluß aller Phasen-Magnetsysteme beschrieben (Fig.2). Das permanent erregte Phasen-Magnetsystem 10a ist hierbei als Statorschiene ausgebildet, welche zwei eine Verzahnung 5 tragende ferromagnetische Leitstücke enthält, zwischen denen sich ein oder mehrere gleichsinnig gepolte Permanentmagnete 14 befinden. Den ferromagnetischen Rückschluß des Phasen-Magnetsystems 10a bildet eine kurze Brücke, die im Läufer des Schrittmotors untergebracht ist und über

ihre Verzahnung 15a die beiden ferromagnetischen Leitstücke der Statorschiene verbindet. Die elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme 10b und 10c sind ebenfalls im Läufer angeordnet und tragen Steüerwicklungen 13. Ihre Verzahnungen 15 b, 15c sind gegenüber der Verzahnung 15a um ⁵/i2 bzw. ⁷/ß (= -V12) versetzt. Als Rückschlüsse benutzen sie ferromagnetische Leitstücke des Phasen-Magnetsystems 10 a, die den Stator bilden. Welche der beiden Leitstücke benutzt werden, ist dabei nicht von Belang. Es sollte jedoch bei der räumlichen Gestaltung Sorge getragen werden, daß Streuflüsse zwischen den beiden ferromagnetischen Leitstücken der Statorschiene nicht oder sehr wenig diePole15bund15cmit durchdringen, da sie dort an den Verzahnungen störende Zusatzkräfte bewirkten.

Als drittes Ausführungsbeispiel wird ein dreiphasiger Rotationsschrittmotor mit permanentmagnetischer Phase ohne gemeinsamen Rückschluß aller Phasen-Magnetsysteme beschrieben (Fig.3). Das permanent erregte Phasen-Magnetsystem 10a ist hierbei als Rotor ausgebildet, welcher zahnradartige ferromagnetische Leitstücke enthält, zwischen denen sich ein oder mehrere gleichsinnig gepolte Permanentmagnete 14 befinden. Diese Leitstücke tragen jeweils die Verzahnung 5. Den ferromagnetischen Rückschluß des Phasen-Magnetsystems 10a bildet wiederum eine kurze Brücke, die im Stator des Schrittmotors untergebracht ist und über ihre Verzahnung 15a die beiden ferromagnetischen Leitstücke des Rotors verbindet. Die elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme 10b und 10c sind ebenfalls im Stator angeordnet und tragen Steuerwicklungen 13. Ihre Verzahnungen 15b, 15c sind gegenüber der Verzahnung 15a um V12 bzw. V12 (= -V12) versetzt. Als Rückschlüsse benutzen sie ebenfalls die ferromagnetische Leitstücke des Phasen-Magnetsystems 10 a, die hier als zahnradartige Teile den Rotor bilden. Welche der beiden Leitstücke benutzt werden, ist dabei wiederum nicht von Belang. Anhand Fig.4 kann die Funktionsweise der Schrittmotoren des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels erklärt werden. Den drei Phasen sind Läuferpositioneh bei 0, V3 und % der Periode innerhalb derselben eigen. Unter Berücksichtigung des Umstandes, daß das Phasen-Magnetsystem 10a ständig wirksam ist, müssen die Komponenten, die von den Phasen-Magnetsystemen 10b bzw. 10c geliefert werden, wie beim ersten Ausführungsbeispiel um ¹A + ^phi/2 versetzt sein (d.h. hier⁵/i2 bzw. V12) und ebenfalls wieder den 2 sin (^Phi/2)fachen Betrag aufweisen, was hier jeweils \/3 ergibt. Auch hier ist etwa sinusförmiger Verlauf der Kraft/Weg-Funktionen der einzelnen Phasen-Magnetsysteme die Voraussetzung für die ordnungsgemäße Arbeitsweise.

Claims

Patentansprüche:

1. Schrittmotor mit permanentmagnetischer Phase, bestehend aus magnetisch nicht verkoppelten, verzahnte Pole enthaltenden Phasen-Magnetsystemen und dazugehörigen verzahnten ferromagnetischen Rückschlüssen, gekennzeichnet dadurch, daß ein permanent erregtes Phasen-Magnetsystem (10a) einen mit ferromagnetischen Leitstücken armierten Permanentmagnet (14) enthält, während die weiteren zwei oder mehr Phasen-Magnetsysteme als elektrisch erregbare Phasen-Magnetsysteme (10b, 10c, 1Od) aus mit einer Steuerwicklung (13) versehenen Leitstücken bestehen, wobei die Verzahnungen (15b, 15c, 15d) der elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme (10b, 10c, 1Qd) gegenüber der Verzahnung (15a) des permanent erregten Phasen-Magnetsystems (10a) um ein Viertel der Periode plus die Hälfte des die betreffende Phase kennzeichnenden Versatzes versetzt sind, wobei unter der Periode der Verzahnung der Abstand der Mitte eines Zahnes zur Mitte eines benachbarten Zahnes zu verstehen ist.
2. Schrittmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Schrittmotor drei Phasen-Magnetsysteme besitzt, wobei die Verzahnungen (15b, 15d) zweier elektrisch erregbarer Phasen-Magnetsysteme (10 b, 10d) um +³/sbzw. —³/s der Verzahnungs-Periode gegenüber der Verzahnung (15a) des permanent erregten Phasen-Magnetsystems (10a) versetzt sind.
3. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Schrittmotor als Linearschrittmotor aufgebaut ist.
4. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Schrittmotor als Rotationsschrittmotor aufgebaut ist.

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor mit permanentmagnetischer Phase, der zur Umwandlung diskreter elektrischer Signale in mechanische Bewegung dient. Er ist insbesondere überall dort vorteilhaft anwendbar, wo mechanische Positonieraufgaben zu erfüllen sind, die durch digital arbeitende elektronische Systeme gesteuert werden sollen und durch lange und häufige Verweilzeiten gekennzeichnet sind. Solche Motoren sind für den Einsatz in der Druck-, Bearbeitungs- und Handhabetechnik geeignet und können zum Beispiel Drucker- und Schreibmaschinenwalzen, Belichtungsköpfe, Bohrer, Greifer und andere Werkzeuge bewegen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Üblicherweise werden Permanentmagnete in Schrittmotoren eingesetzt, um elektrische Wicklungen bipolar nutzen zu können. Eine Haltekraft im stromlosen Zustand kann dabei nicht zu den entscheidenden Effekten gezählt werden. Bei einigen Hybridmotoren ist diese Erscheinung in geringem Maße zu beobachten. Indem sich die Magnetflüsse nicht völlig gleichmäßig auf die Motorpole aufteilen, entstehen Restkräfte bzw. Restmomente, die jedoch nur etwa 6% bis 10% der elektrisch erregbaren Kräfte bzw. Momente ausmachen (BRÄMER: Einfluß von Exzentrizitäten auf das Schrittverhalten von Hybrid-Schrittmotoren,VDI-BerichteNr.482,1983, S. 105ff.; und WEINBECK: Der Schrittmotor als Antriebsaggregat in Geräten der Datenverarbeitung, feinwerktechnik + micronic78 [1974] 4, S. 146ff.). In den meisten Fällen genügen diese geringen Selbsthaltekräfte bzw. -momente nicht, um das zu positionierende Objekt sicher zu fixieren. Auf herkömmliche Art wird deshalb das betreffende Magnetsystem des Schrittmotors fortwährend mit Strom beaufschlagt. Das ist vor allem dort energetisch sehr ungünstig, wo der Einsatzfall des Schrittmotors ein häufiges längeres Verweilen vorsieht. In einer bekannt gewordenen Lösung werden Linearschrittmotoren mit Haltekraft im stromlosen Zustand beschrieben. Der spezielle Vorteil dieser Motoren, nur eine einzige Steuerwicklung zu benötigen, wird dort durch den Nachteil erkauft, daß keine elektrische Schrittweiten-Halbierung möglich ist. Zudem ist der Wirkungsgrad der dort beschriebenen Anordnungen noch sehr gering.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den durchschnittlichen Energieverbrauch von Schrittmotoren, deren Betrieb durch relativ große Verweilzeiten gekennzeichnet ist, wesentlich zu senken.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schrittmotor zu entwickeln, der im Stillstand eine erhebliche Haltekraft bzw. ein Haltemoment erzeugen kann, ohne dabei ständig Energie zu verbrauchen, und der gleichzeitig die Vorteile herkömmlicher Schrittmotoren, wie Feinpositionierung, aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Schrittmotor außerzwei oder mehr mit Steuerwicklungen versehenen, elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsystemen ein mit einem Permanentmagnet ausgestattetes und damit ständig erregtes Phasen-Magnetsystem besitzt. Die Versätze der Verzahnungen der elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme innerhalb einer Verzahnungs-Periode weichen dabei definiert von der Phasenlage der betreffenden Systeme ab. Die Verzahnungen der elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme sind dabei um ein Viertel der Periode plus die Hälfte des die betreffende Phase