DE1788126A1 - Elektrischer Schrittschaltmotor - Google Patents

Description

Dr. Gerhard RFNKEL

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Dr Lothar FEILER
• Machen 90, iiduard Sdunid-Str. 3

Tri-Tech, Inc. 1788126

Ausscheidung aus P 14 88 747.9-32

¹ 9, Juni

Elektrischer Sohrittschaltraotor

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Sehrittschaltmtor, bestehend aus einem Stator aus magnetischem Material mit mindestens zwei einander gegenüberstehenden Statorpolen, einer den Stator teilweise umgebenden Feldspule, einen zwischen den Statorpolen drehbar gelagerten, zylindrischen permanentmagnetisierten Rotor und mit mindestens einem Polpaar.

Die Erfindung bezieht sich auf einen neuartigen Schrittschaltmotor, der zum Betrieb nur zwei Eingangsleitungen benötigt und beim Anlegen eines einzigen Impulses' eine volle ^60°-Drehung durchführt.

Es ist bereits ein Wechselstrommotor bekannt (Deutsche Patentschrift 597 982), dessen Statorpole in jeweils zwei Arme unterteilt sind, von denen je einer eine Kurzschluß-Wicklung trägt. Bwi einem bekannten Synchronmotor (Deutsche Patentschrift 642 j5Oj5) wird der vorgenannte prinzipielle Aufbau in Verbindung mit einem Rotor aus permanentmagnetisiertem Material verwendet.

Durch die vorbekannten Anordnungen wird insbesondere durch die Verwendung von Kurzschlußwicklurigen ein abgeschwächtos atatorfeld erreicht, was jedoch zu keinen eindeutigen Richtungs-AnlaufCharakteristiken beiträgt.

Bei Gchrittschaltmoto."en üblicher Bauart v/erden gewöhnlich zwei oder mehr getrennt erregto Bⁿeldspulen nebst

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verhältnismäßig komplizierten Onschaltkreisen 'oder LogikSQhaltungen dazu verwendet, ein durch den Stator-Magnetfluß erzeugtes Magnetfeld zu verlagern und dadurch die schrittweise Drehung eines magnetisierten Motorteils zu bewirken. Jeder an die Eingangsklemmen eines derartigen Motors angelegte elektrische Impuls erzeugt nur eine Rotorteildrehung um beispielsweise 90°, so daß normalerweise für eine volle Rotorumdrehung vier oder mehr aufeinanderfolgende Impulse benötigt werden.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, einen mit Wechselstrom betriebenen Schrittschaltmotor zu schaffen, welcher sichere Richtungs-Anlaufeigenschaften aufweist und ferner mit einem Impuls eine volle Umdrehung ausführt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Statorpol in zwei- Arme aufgeteilt ist, von denen der eine eine Kurzschlußwicklung aufweist und eine solche Länge besitzt, daß der Luftspalt zwischen ihra und dem Rotor kleiner ist als der Luftspalt zwischen dem anderen Polarm und demRotor.

Das besondere Merkmal eines derartigen Schrittschaltmotors besteht in der Schaffung eines permanentmagnetisierten Rotorteils neuartiger Gestalt und Bauart, der gewisse wichtige Betriebscharakteristiken stark verbessert. Der^ verbesserte Rotor eignet sich u.a. auch gut für Schritt schalt motoren, welche nach dem Prinzip von Wechselstrom-Synchronmotoren arbeiten. Insbesondere wird durch Verwendung eines Rotors aus permanentmagnetischem Material im Form eines Vollzylinders, dessen Axiallänge größer ist als sein Durchmesser, das Dreh-Trägheitsmoment unter entsprechender Erhöhung des Drehmoraent-Trägheit-Verhältnisses merklich herabgesetzt.

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Gemäß der bei herkömmlichen Wech-elstrom-Särrichronmotoren üblichen Praxis wird beim erfindunosgemäßen Schrittschaltmotor die Feldsptile durch eine Wechselstromquelle erregt und der Permanentmagnet-Rotorteil einem vom Statorfluß erzeugten magnetischen Viechseifeld atisgesetzt: Beim Anlassen herkömmlicher Motoren sind häufig nach Erregung der Feldspule mindestens einige volle Perioden nötig, bis aer Motor synchrone Drehzahl erreicht. Bei der erfindungsgemässen Bauart jedoch besitzt der Motor hauptsächlich wegen der verbesserten, trägheitsarmen Rotorgestalt, wegen des hohen Energieprodukts des zu seinem Aufbau benutzten Magnetmaterials sowie wegen gewisser Besonderheiten der Statcrkonstruktion ein außerordentlich hohes Drehmoment-Trägheits-Verhältnis, das dem Motor ein äußerst schnelles In-Tritt-fallen ermöglicht. Tatsächlich beschleunigt der Motor bei den meisten Ausführungsformen bei Anlegung von Impulsweiler: von etwa 6o Hz-Frequenz derart schnell aus dem Stillstand, daß er schon beim ersten Spannungszykel volle Synchrondrehzahl erreicht. Durch Verwendung einer neuartigen, ungleichmäßigen Luftspaltform zwischen dem Rotorteil und dem Stator in Verbindung mit einer besonderen Anordnung der Statorpol-Abschirmrir.ge werden der erfindungsgemaßen Motorkonstruktion Kin-Richtungs-Anlaufeigenschaften erteilt. Fernerhin kommt der Motor bei Energieabschaltung sehr schnell, und zwar für gewöhnlich schon während einer einzigen Rotorumdrehung zum Stillstand, was auf die trägheitsarme Rotorkonstruktion und die durch die Kurzschlußwicklungen bewirkte elektrodynamische Abbremsung zurückzuführen ist.

Durch die verbesserte Rotorkonstruktion und andere, von bevorzugten Erfindumsausführungsf ormen geschaffenen Neuerungen bei V/echse Istrom-Synchronmotoren wird es erstmalig praktisch möglich, Kraft-Wirkungsgrade von weit über 10$ bei Kleinmotoren für Zeitgeber und sonstige Zwecke zu erzielen. So wurde beispielsweise bei einer bereits erprobten

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■erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Wechselstrom-Synchronmotors mit weniger als 1 W-Eingangsleistung ein Ausgangsdrehmoment von beispielsweise 0,1 mkg (ISO in.-oz.) bei 1 U/min erzielt. Diesen Erfolg muß man mit Zeitgebermotoren üblicher Bauart vergleichen, die häufig Wirkungsgrade unter \%^ aufweisen und normalerweise bei gleicher Drehzahl (1 U/min) eine Eingangsleistung von 2 - 3 W benötigen, um nur ein Ausgangsdrehmoment von etwa 0,005 ~ 0,03 mkg (5 - 50 in.-oz.) zu liefern. Ersichtlicherweise gestatten die verbesserten Wirkungsgrad- und Ausgangsdrehmoment-Eigenschaften der erfindungsgemäßen Wechselstrom-Synchronmotoren eine wesentliche Größen- und Gewichtsredu- W zierung, während die kühleren Betriebsbedingungen Wartungsund Schmierungsprobleme zum Portfall bringen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht eines als Schrittschaltmotor verwendbaren Wechselstrom-Synchronmotors mit den Merk-• malen der Erfindung und

Fig, 2 eine Vorderansicht einer abgewandelten Ausführungsform des Motors, die sich als dreipoliger Schrittschaltmotor eignet,

Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schrittschaitmotors weisen einen etwa Clförmigen Stator auf, dessen Schenkel mit 30a bzw. 30b bezeichnet sind und der beispielsweise aus Stanzblechpaketen, aus niedrig gekohltem oder' weichem Silizium-Stahl bestehen kann. Die Blechpakete werden in üblicher Weise,z.B. mittels Hohlnieten, zusammengehalten. Der Mittelabschnitt des Stators 30a,30b ist von einer Spulenhülse 42.mit aufgewikkelter zweiklemmiger Feldspule 40 umgeben, die in noch zu beschreibender Weise durch eine elektrische Spannungsquelle erregt werden kann.

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Der linke Statorschenkel 30b endet am spulenfernen Ende in einem Statorpol 3t. mit zwei Armen 32a,32b und der rechte Statorschenkel 30a endet in einem Statorpol 33 mit zwei Armen 34a,34b. Innerhalb des von den zusammenstoßenden Pol-. armen der Statorpole 3t und 33 umgrenzten, etwa, kreisförmigen Raums ist ein Rotor 20 zentriert, der von einer Welle 22 getragen wird, welche in Lagern 26 eines aus Messing oder ähnlichem Nichteisenmetall bestehenden Rotorgehäuse 24 gelagert ist-

Die Rotoranordnung besteht vorzugsweise aus einem verhältnismäßig schlanken Zylinder aus Magnetmaterial von hohem B-H-Energieprodukt, d.h. hohem Restmagnetfluß und hoher Koerzitivkraft sowie anderen günstigen magnetischen Eigenschaften. Bei diesem Magnetmaterial kommt es im Hinblick auf das magnetische Wechselfeld und die entmagnetisierenden Einflüsse, denen der Rotor sowohl im Betrieb als auch im Stillstand ausgesetzt ist, vor allem auf hohe Koerzitivkraft an. Da die Größe des Rotormagnetflusses von entscheidendem Einfluß auf das erzielte Ausgangsdrehmoment des Motors -ist,, sollte das für den Rotor ausgewählte Magnetmaterial vorzugsweise auch hohe Restinduktion besitzen.

Ein diesen Anforderungen an ein Rotormagnetmaterial entsprechender neuartiger Typ von Magnetmaterial besteht aus 77 Gew.-°/o platin und 23 Gew.-% Kobalt und wird von den Firmen The Hamilton Watch Co., Lancaster, Pa., USA, und Arnold Engineering Co., Marengo, 111.., USA, hergestellt. Es besitzt folgende typische magnetische Eigenschaften:

Restinduktiori, Br: 64OO Gauss

Koerzitivkraft, Hc: 4300 Oersted

Maximales Energie produkt, Bd-Hd: 9,0" 10%auss-

Oersted

Da das Energieprodukt dieser neuen Platin-Kobalt-Legierung drei- bis neunmal größer ist als das von üblichen Rotor-

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magnetmaterialien, wird bei Verwendung eines Rotors aus diesem Material der Rotormagnetfluß im Stator-Rotor-Luftspalt und dementsprechend das Motordrehmoment proportional erhöht. ' -

Ein anderes Magnetmaterial, das sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat, besteht aus einem geradlinig orientierten Bariumferritmaterial mit einem Energieprodukt von etwa 5,0 - 10 Qauss-Oersted längs der Orientierungsachse. Dieses unter dem geschützten Warennamen "Index Vl" von der Firma Indiana General Corp., VSlparaise, Indiana/USA, und unter dem geschützten Warennamen "Ceramagnet 0" von der Firma Stackpole Carbon Co., St. Marys, Pa,, USA, vertriebene, anisotrope Ferritmaterial läßt sich ohne weiteres dadurch für die zweipoligen Rotoranordnungen der erfindungsgemäßen Motoren geeignet machen, daß man die Achse ihrer magnetischen Orientierung mit.einem Durchmesser des zylindrischen Rotors zusammenfallen läßt.

Die Verwendung eines Rotormaterials von hohem Energieprodukt in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Merkmalen führt zu einem Motor mit äußerst hoher Startbeschleunigung. Dies bedeutet, daß der Motor eine sehr kurze Ansprechzeit besitzt, und sehr schnell auf Synchrondrehzahl kommt; diese Eigenschaften stellen einen- wichtigen Vorteil bei Motoren für Impuls- und Synchronzwecke dar. ,

Zur weiteren Verbesserung der Anlaßbeschleunigungsleistung des Motors wird die Rotorform vorzugsweise derart gewählt, daß die Axiallänge des Rotors größer als dessen Durchmesser ist. Eine solche schlankzylindrische Form setzt das Drehträgheitsmoment des Rotors 20 um seine Welle 22 herab und erhöht dementsprechend das Drehmoment-Trägheits-Verhältnis des Motors beim Anlassen.

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Wie in den Pig. 1 und 2 schematisch angedeutet ist, besitzt der Rotor zwei Magnetpole entgegengesetzter Polarität, wobei die Form der beiden Magnetpolbereiche dabei derart gewählt ist, daß sie den Rotor 20 in zwei axialverlaufende, halbzylindrische magnetisierte Abschnitte unterteilen. Bei einem Eotor aus einem Magnetmaterial hoher Koerzitivkraft können die beiden Gebiete entgegengesetzter magnetischer Polarität ohne schädliche Auswirkung einander sehr nahe gebracht werden, so daß sich die beiden Pole jeweils über einen verhältnismäßig großen Kreisbogen von praktisch 18O° des-Rotorumfangs erstrecken können

Zur Erzielung einer Ein-Richtungs-Anlauf Charakteristik ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung der Motor mit zwei Kurzschlußwicklungen 3^a, J6~b um je einen Arm 32b, 3^a der gegabelten Statorpole ~$\ bzw. 33 versehen. Wie Pig. 1 zeigt, umschlieiBt die Kurzschlußwicklung 3&a den unteren Arm 32b des linken Statorpols 3I und die Kurzschlußwicklung 36c den oberen Arm 3^a des rechten Statorpols 33·

Diese diametrale Anordnung der abgeschirmten Polarme injbezug auf den Rotor 20 dient dazu, die Richtung des Statormagnetflusses durch den Rotor-Stator-Luftspalt 35 von den niehtabgeschirmten Armen 32a, 34b nach den abgeschirmten Armen 32b,34% hin zu verlagern, wenn sich der Magnetfluß während des Anlassens aufbaut. Diese Richtungsverlagerung verleitet infolge des verzögerten Magnetflußaufbaus in .den abgeschirmten Statorpol-Armen dem Motor in bekannter Weise Ein-Ricntungs-Anlaufeigenschaften. Andererseits unterstützen beim Abschalten des Motors dieselben Kurzschluß-Wicklungen 36a und 36b, den Motor durch die elektrodynamische Bremswirkung, welche von den in den Kurzschlußwicklungen vom noch umlaufenden Rotor induzierten Strömen hervorgerufen wird.

Wenn der Luftspalt 35 zwischen dem Rotor 20 und den Statorpolen 31, 33 ungleichmäßig dimensioniert wird, d.h. der

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Abstand des Rotors nach den Flächen der abgeschirmten Polarme 52b,5^a hin wesentlich kleiner als nach den nicht abgeschirmten Polarmen J52a, J>4b gehalten wird, bleibt der Rotor bei Energieunterbrechung bezw.Stromlosmachen des Motors unweigerlich in der dargestellten Ruhelage stehen, da die Feldlinien des Rotormagnetflusses nämlich infolge der ungleichmäßigen Luftspaltform derart verlaufen, daß der Rotor unweigerlich eine Ruhestellung einnimmt, in welcher sich die Mittelpunkte der beiden magnetisierten Rotorpolbereiche unmittelbar an der Fläche der abgeschirmten und nicht an der der nichtabgeschirmten Polarme befinden. Infolgedessen besitzt beim Anlassen der'Statormagnetfluß, der anfänglich längs einer durch die unabgeschirmten Polarme 52a,3¹Ih gehenden Linie verläuft, eine zu den Rotormagnetpolen tangential gerichtete Komponente, die den Rotor in die gewünschte Richtung hineindreht.

Bei nicht vorhandenem ungleichmäßigem Luftspaltabstand könnte der Rotor auch eine gegenüber der Fig. 1 um 90° versetzte Ruhestellung einnehmen, in welcher seine Polbereichsmit telpunkte· unmittelbar auf die Fläche der nicht abgeschirmten Statorpolarme J32a,j54b ausgerichtet wären. In diesem Fall würde sich der Rotor beim Anlassen verkehrt herum drehen. Mit den Kurzschlußwicklungen p6a und s>6h allein ließe sich also kein zuverlässiger Ein-Richtuugs-Anlauf des Motors gewährleisten, es bedarf hierfür vielmehr der Zusammenwirkung der Kurzschlußwicklungen mit den durch die beschriebene ungleichmäßig Luftspaltform erzielten Feldlinien, d.h. Linien niedrigen magnetischen Widerstands, welche der Rotor unweigerlich in eine das Anlaufen in stets gleicher Richtung begünstigende Ruhestellung zwingt.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform kann als Wechselstrom-Synchronmotor betrieben werden, indem die Feldspule 40 an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist. Die

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in der Stator anordnung ^Oa, ;50b bei Erregen der Feldspule 4o erzeugten wechselnden Magnefcflußlinien 45 wirken auf den zwischen den Statorpolen 31, 33 angeordneten Rotor 20 ein und setzen ihn nach üblicher Wechselstrom-Synchronmotor-Technik in Drehung. Die Merkmale, wie die schlankzylindrische Rotorbauform,, die Abschirmringe 36a, 36b und der ungleichmäßige Luftspaltabstand 35 zwischen dem Rotor und den zugeordneten Gabelen len der Statorpole 31, 35 wirken aber derart zusammen, daß ein Hochleistungsmotor mit zuverlässiGen Ein-Richtungs-Anlaufvermögen entsteht . Wie bereits erwähnt, vermag der Rotor infolge des erzielten hohen Drehmoments und seiner niedrigen Eigenträgheit beim Anlassen äußerst schnell in Synchrontakt "zu kommen und außerdem beim Ausschalten der Feldspule 40 fast augenblicklich anzuhalten.

Pig. 2 zeigt eine Abwandlang der Bauform gemäß Fig. 1, die sich als dreipoliger Schrittschaltmotor eignet. Zu diesem Zweck sind anstelle der einzigen zweipoligen Spule zwei getrennte Feldspulen 44,46 oder wahlweise eine Einzelspule mit Mittelanzapfung vorgesehen. Die Feldspulen 44, 46 werden abwechselnd getrennt über eine nicht dargestellte, herkömmliche äußere Logikschaltung mit elektrischen Stromimpulsen gespeist. Der hierdurch jeweils erzeugte Magnetfluß durchläuft die Statorschenkel JOa, JOb und wirkt mit dem zwischen den Statorpolen 3I, 35 angeordneten Rotor 20 zusammen.

Ein beispielsweise an die Spule 44 angelegter Impuls erzeugt Magnetflußlinien 45, die den Rotor 20 in vorgegebener Richtung durchlaufen und zu einem I8o°-Drehschritt veranlassen. Der nächste Impuls wird dann derart an die Spule 46 angelegt, daß zwischen den Statorpolen 3I, 33 ein entgegengesetzt verlaufender Magnetfluß erzeugt und dadurch ein weiterer 18O°-Drehschritt des Rotors verursacht wird. Diese Richtungsumkehr des Feldspulen-Magnetflusses bei auf-

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einanderfolgenden Impulsen kann ohne weiteres durch Verwendung eines Umschaltkreises bewirkt werden, der an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist. Jedes Impulspaar bewirkt somit eine volle 36Ο⁰-Drehung des Rotors 20. Diese Arbeitsweise steht im Gegensatz zu den üblichen Dreipol-Schrittschaltmotoren, bei denen eine volle Rotorumdrehung zwei oder mehr volle Perioden der angelegten Wellenform erfordert.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   [-1 . !Elektrischer Schrittschaltmotor, bestehend aus einem Stator aus magnetischem Material mit mindestens zwei einander gegenüberstehenden Statorpolen, einer den Stator teilweise umgebenden Feldspule, einen zwischen' den Statorpolen drehbar gelagerten, zylindrisehen permanentmagnet!sierten Rotor und mit mindestens einem Polpaar, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Statorpol (3U53) in .zwei Arme (32a,22b bzw. 34a, 34b) aufgeteilt ist, von denen der eine (32b, J5^a) eine Kurzschlußwicklung (J6a,36b) aufweist und eine solche Länge besitzt, daß der Luftspalt zwischen ihm und dem Rotor (20) kleiner ist als der Luftspalt zwischen dem anderen Polarm (32a,34b) und dem Rotor. .
2. 2. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldspule zweiteilig mit Mittelanzapfung ausgebildet ist und bei ihrer Erregung im Stator einen Magnetfluß wechselnder Polarität erzeugt, wobei der Motor als Dreiklemm-Schrittschaltmotor betrieben wird.
3. 3. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Luftspalt (35) zur Erzeugung einer vorbestimmten Rotor-Ruhestellung in konstantem Abstand zum Rotor (20) ausgebildet ist.
4. 4. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (20) aus einem Vollzylinder

   .aus magnetisiertem Material besteht, dessen Axiallänge (L) größer als sein Durchmesser (D) ist.

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