DE1920351A1

DE1920351A1 - Elektrischer Schrittschaltmotor

Info

Publication number: DE1920351A1
Application number: DE19691920351
Authority: DE
Inventors: Veli Aylikci; Rosener Harvey James
Original assignee: NCR Corp
Current assignee: NCR Voyix Corp
Priority date: 1968-04-24
Filing date: 1969-04-22
Publication date: 1969-10-30
Also published as: BE731046A; CH502015A; GB1206555A; DE1920351C3; DE1920351B2; FR1601600A; US3466518A

Description

TPjE NATIONAL" GASH REGISTER COMPANY Sayton, Ohio (V.St.A.)

Patentanmeldung Nr.:
Unser Az.: 1114/Germany

EIEKTRISCHER SCHRITTSCHALTMOTOR

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schrittschaltmotor, dessen Rotorpole mit den Polen des ringförmigen Stators entsprechend der wahlweisen Erregung der Statorwicklungen zusammenwirken, so daß eine schrittweise Drehung des Rotors zustande kommt. '

Ein bekannter -Schrittschaltmotor ist aus einem ringförmigen Stator mit mehreren nach innen ragenden Polen aufgebaut. Die Pole sind mit Wicklungen versehen. Diese Wicklungen werden so erregt, daß der Rotor schrittweise bewegt wird.

Die Anordnung von Wicklungen uxt den Statorpolen ist nachteilig, da die maximal mögliche Anzahl von Statorpolen relativ niedrig ist. Eine derartige Wicklungsanordnung ist nur mit hohem Aufwand herzustellen und somit sehr teuer. Außerdem treten Schwierigkeiten in der Wärmeverteilung auf*

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung.eines Schrittschaltmotors, der einfach und billig hergestellt werden kann.

Die Erfindung ist dadurchgekennzeichnet, daß der Stator aus einem Stück besteht und die Wicklungen Jeweils ringförmig auf den Statorpolbrüeken aufgebracht, sind, wobei die in Gruppen unterteilten Wicklungen gruppenweise erregt werden können, wodurch Statormagnetpole wechselnder Polarität entstehen, und wobei eine Steuerschaltung nacheinander verschiedene Wicklungsgruppen zur Erregung auswählt, so daß die magnetischen Statorpole so weitergeschaltet werden, daß der Rotor schrittweise bewegt wird.

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Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des StatorteLles eines erfindungsgemäßen Motors,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungs· gemäß gebauten Motors, in dem die Magnetpfade nach einem ausgeführten Schritt eingezeichnet sind,

Fig. 3 eine schematische-Darstellung eines erfindungsgemäß gebauten Motors, in dem die Magnetpfade vor der Durchführung eines Schrittes eingezeichnet sind, -■-- -

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines.Schrittschaltmotors mit einer Steuerschaltung,

Fig» 5 eine scheroatische Darstellung eines Schritt schaltmotors mit einer Steuerschaltung und einer bipolaren Erregungsquelle, und

Fig. 6 eine Wicklungserregungstabelie für den in 5 gezeigten Motor.

Bevorzugtes Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt den Stator eines Schrittschaltmotors nach der Erfindung. Dieser ist aus ringförmigen. Scheiben 1 mit nach innen ausgebildeten Polen 2 zusammengesetzt, die durch Brücken J- miteinander verbunden sind. Die Pole 2 sind durch Luftspalte K voneinander getrennt. Die Form der Rotor poXe ist? an die Form der Statorpole angepaßt, wie bei 5 gezeigt. Wiespäter noch nälier* beschrieben, ist ihre Lange hinsichtlich der vielseitigen Verwendbarkeit der Erfindung von Bedeutung.

Wie in Pig. I gezeigt, sind auf den Polbrücken > zwischen den Polen Wicklungen 7 angeordnet, die aus isolierten Windungen bestehen. Die Wicklungen sind mittels eines auf dem Stator befindliehen, teilweise weggebrochen gezeigten Isolierüberzuges 8 auch von dem Stator isoliert.

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Die in Pig. 1 gezeigte Statoranordnung besitzt sechs Jtatorpole. Die Erfindung bezieht sich jedoch nicht nur auf sechspolige Haschinen.

In den erfindungsgemäßen Motoren werden entsprechend den erregten Wicklungen Statorpole wirksam.

Die auf den Statorbrücken angeordneten Wicklungen sind durch das ferroma.gnetische Statormaterial miteinander gekoppelt, so dai3 nur ein kleiner Streufluß entsteht. Die Kralfcv.irkungen der erregten Wicklungen können somit algebraisch addiert werden. Der magnetische Plußpfad sc.hließt sich über die Rotorpole.

Im Gegensatz zu der Summierung nagnetomotorischer Kräfte in einem einzigen magnetischen Pfad ist es auch mög- _1ich, die magnetischen Flüsse zweier magnetischer Pfade in einem Zweig zu summieren, der beiden Pfaden gemeinsam ist. Dieses Prinzip läßt sich durch eiiE einfache Analogie aus der Hydraulik veranschaulichen. Fließt Flüssigkeit aus zwei verschiedenen Quellen in die beiden Öffnungen eines T-Rohres, dann verbinden sich die beiden Flüssigkeitsströme und fließen aus der Mittelöffnung des T-Rohres. In einem Magnetpfad verbinden sich die von zwei Wicklungen erzeugten Magnetflüsse im gemeinsamen Mittelteil des T-Stückes, wenn die gleichnamigen Pole nebeneinander am Mittelteil angeordnet sind.

Beim erfindungsgemäßen Schrittschaltmotor besteht der Stator aus einer Vielzahl solcher T-förmiger Stücke, wobei die Statorpole 6 aus den T-Mittelteilen und die Brücken 3- aus den T-Armen gebildet werden, die zu einem Ring zusammengeschlossen sind.

Der aus dem offenen Ende des T-Mittelteils austretende magnetische Fluß wird nach der allgemein bekannten Formel Magnetischer Flu* .*g^iS^- berechnet. Auf die Motorform bezogen bedeutet dies, daß der Magnetfluß in einem Statorpol von der örtlichen Lage des nächsten Rotorpole s abhängt.

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-If-

. Der Magnetfluß nimmt den Weg des geringsten Widerstandes« also durch den Statorpoi, mit dem ein Rotorpol ausgerichtet ist, da die benachbarten Zweige durch den großen Luftweg einen sehr hohen Widerstand aufweisen. Sind keine Rotor- und Statorpole miteinander ausgerichtet, dann verläuft der Magnetfluß durch mehrere Luftpfade und Rotorteile und wird dabei proportional zu dem Reziprokwert der . Widerstände in den Parallelpfaden aufgeteilt.

Wird eine Wicklung erregt, so fließt der Magnetfluß durch diejenigen beiden dazugehörigen Statorpole, die mit zwei Rotorpolen ausgerichtet sind. Dazwischenliegende Pole werden lediglich von einem kleinen Streufluß durchflossen. Weitere; in diesem Magnetpfad liegende Wicklungen können, wenn sie erregt werden, diesen Magnetfluß unterstützen oder, für andere Zwecke, diesem entgegenwirken.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Schrittschaltmotorö unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert.

Der Stator 22 besteht aus einem ringförmigen, zwölf Statorpole aufweisenden Teil. Die Breite 24 der Statorpole und die der Rotorpole ist ungefähr gleich. Die Stirnseiten 25 der Statorpole und der Rotorpole sind durch einen Luftspalt getrennt und besitzen die gleiche Porm.

. Zwischen den Statorpolen in Fig. 2 befindet sich ein

Zwischenraum 23, der zumindest teilweise mit Wicklungen ausgefüllt ist, wie z.B. bei 30 und 33 angedeutet.

Der Rotor des in Fig. 2 gezeigten Motors besteht aus einem auf einer Welle gelagerten Körper 29 mit acht Polen In dem hier gezeigten Auführungsbeispiel besteht der Rotorkörper aus dem gleichen Material wie die Rotorpole. Er kann jedoch auch aus Permanentmagneten hergestellt werden.

Die Pfeile zeigen den Verlauf des Magnetflusses, der in einem für die Erfindung geeigneten Motor nach einem ausgeführten Schritt entsteht. Wie in Flg. 2 gezeigt, entstehen in der O⁰- und l8o°-Stellung magnetische Nordpole und In der

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/ BAD ORIGINAL

ο· ο ^
90 - und 270 -Stellung magnetische SUdpole. Die zwischen benachbarten Nord- und Südstatorpolen befindlichen elektrischen Wicklungen werden der Einfachheit halber als Wicklungsgruppe bezeichnet. Die Wicklungen 32, 3^ und 38 in Pig. 2 bilden eine solche Gruppe.

Die bereits erwähnte Addition magnetomotorischer Kräfte ist für eine Wicklungsgruppe anwendbar. In der Wicklungsgruppe 32, 34, 38 werden die unmittelbar neben einem Statornordpol und einem Statorsüdpol befindlichen Wicklungen 32 und 38 gemeinsam erregt, wodurch in dem Pfad ein magnetischer Pluß entsteht.

Durch die Erregung der entsprechenden Wicklungsgruppe entsteht ein Magnetfluß in dem Pfad 28. Die magnetischen Flüsse, d.h. der in dem Pfad 28 und der in dem Pfad 35, fließen beide durch den in Pig. 2 mit 3¹ bezeichneten gemeinsamen Pfad in den magnetischen Statornordpol in der O°-Stellung. Die benachbarten Nordpole der Wicklungen 33 und 32 sind ein Charakteristikum des in Fig. 2 gezeigten Motors; benachbarte Pole gleicher Polarität entstehen ah den Wicklungsenden benachbarter Wicklungen. Die mittleren Wicklungen (z.B. die Wicklung J>k zwischen dem 3O⁰- und dem 60°-Pol und die Wicklungen zwischen dem 120°- und dem I5O⁰-PoI, dem 210°- und dem 240°-Pol und dem 3OO⁰- und dem 330°- PoI) sind zu dem in Fig. 2 dargestellten Zeitpunkt nicht erregt. Diese vier unerregten Wicklungen sind so miteinander verbunden, daß sie, wenn sie erregt werden, eine MMK erzeugen, die dem Magnetfluß 35 in Fig. 2 entgegenwirkt. Diese Wicklungen werden, wie später noch beschrieben, dann erregt, wenn die Rotorpole wirksam werden saften, die eine Drehung des Rotors 29 bewirken.

Bei Verwendung des Schrittschaltmotors nach dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird jede der Wicklungen nur von einem Strom in einer Richtung durchflossen, wodurch die Komplexität der Steuerschaltung verringert wird. Bei anderen, nach der Erfindung gebauten Motoren ist eine

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Ümkehrung der Wicklungspolarität trotz sich daraus ergebender größerer Komplexität zweckmäßig, wie z.B. in Fig. 5 gezeigt.

Die in Fig. 2 gezeigten Streuflußpfade 36 und 37 sind sehr klein und je nach der relativen Lage der Rotorpole und der erregten Statorpole in ihrer Größe unterschiedlich. Bei Bewegung des Rotors 29 im Uhrzeigersinn wird der magnetische Widerstand des Pfades 36 größer, so daß der in diesem fließende Magnetfluß kleiner wird, während im Pfad 37 die entgegengesetzte Wirkung auftritt.

Um den Rotor 29 in Fig. 3 zu bewegen, werden die Statorwicklungen erregt, wodurch die Statorpole in der 3Q°-> 210°- bzw. in der 120°-, 210°-Stellung wirksam werden. Da so lange ein Drehmoment auf den Rotor ausgeübt wird, bis sich der minimale Widerstand zwischen Statorpolen und Rotorpolen eingestellt hat, wird der Rotor gezwungen, eine Bewegung im Gegenuhrzeigersinn auszuführen.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß bei Erregung der Wicklung 34 der Statorpol in der 30°-Stellung als Südpol wirksam wird. Wie bereits erläutert, wird die Wicklung so erregt, daß ihre MMK derjenigen in dem Pfad 35 entgegenwirkt.

Gleichzeitig wird die Wicklung 39 erregt, wodurch der Statorpol in der 120°-Stellung wirksam wird, so daß ein geschlossener Magnetflußpfad über den 30 -Statorpol entsteht. In Fig. 3 sind die Magnetflußpfade nach der geänderten Wicklungserregung eingezeichnet.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Zwischenwicklungen, z.B. 34 und 39 in Fig. 2, nur dann erregt, wenn die anliegenden Statorpole wirksam werden sollen. Es ist ohne weiteres denkbar, daß alle Wicklungen erregt werden, und die Summe der MMK aller Wicklungen den magnetischen Gesamtfluß bilde t. Bei den meisten in der Praxis verwendeten Motoren läßt sich die gewünschte Größe des magnetischen Flusses erzeugen, ohne daß alle Wicklungen benötigt werden, wodurch einfachere Steuerschaltungen verwendet werden können.

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Wie bereits erwähnt, können die Wicklungen auf dem zwölfpoligen Stator des Motors in vier Gruppen zu je drei Wicklungen unterteilt werden. Da die Erregung der entsprechenden Wicklungen in jeder dieser vier Gruppen gleichzeitig erfolgt, um den gewünschten magnetischen Pfad zu erzeugen, können diese Wicklungen jeder Gruppe bezüglich der

betrachtet
Wirkungsweise zusammengefaBtYweraen. Zu diesem Zweck sind die Wicklungen in Fig. J jeweils zu Gruppen zusammengefaßt und mit Buchstaben bezeichnet, und zwar vier mit dem Buchstaben A, vier mit dem Buchstaben B und vier mit dem Buchstaben C. Die Wicklungen dieser Gruppen in Fig. J sind auf alle Quadranten des Polarkoordinatensystems (44, 45) verteilt.

In Fig. 5 fließt in den Wicklungen der B-Grüppe der Strom in entgegengesetzter Richtung wie in den Wicklungen der A- und C-Gruppe. Wenn die Wicklungen 46 und 4? der A- und C-Gruppe erregt werden, dann wird auch die Wicklung 48 der B-Gruppe erregt. Diese gegenpolige Erregung der Wicklungsgruppe B ermöglicht es, daß alle Wicklungen auf dem Stator in der gleichen Richtung angeordnet sein können, woraus sich geringere Herstellungskosten ergeben. Die vier Wicklungen jeder Wicklungsgruppe können beispielsweise in Serie, parallel oder serien-parallel geschaltet werden. Bei verwendung von elektronischen Festkörper schal tern mit begrenzter Strombelastung kann man eine andere Anordnung wählen, in der jede der zwölf Wicklungen durch eine eigene Schaltvorrichtung gesteuert wird und die vier Schalter für jede Wicklungsgruppe gleichzeitig betätigt werden.

Mittels des vorgenannten ABC-BezeichnungsSchemas ergibt sich, um eine Rotation zu bewirken, folgendes Verknüpf ungssehema:

Im	Ge genuhrze igersinn:	A B	C	Die Buchstaben mit
		A B	TT	Querstrich symboli
		Tb	C	sieren eine nicht-
Im	Uhrzeigersinnι	A F	C	erregte Wicklungs·
		XB	G	gruppe.
		A B	TT
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In den folgenden Abschnitten werden diese Verknüpfungsbezeichnungen für die Erregungszustände der Wicklungen verwendet, um ein in diesem Motor verwendbares Bremssystem zu erläutern.

Bei einem Verfahren zum Bremsen des Schrittschaltmotors muß vor dem Erreichen der gewünschten Stellung kurzzeitig ein entgegengerichtetes Drehmoment an den Schrittschaltmotor angelegt werden. Nach diesem Drehmoment wird nochmals das ursprüngliche Drehmoment erzeugt* um einer Drehung in umgekehrter Richtung entgegenzuwirken.

Die Bremsfolge IUSt sich mittels der vorstehend festgelegten Verknüpfungssymbole beschreiben. Der Motor dreht sich bei folgenden Erregungsbedingungens A^-Sc, A B TT, X B G, ABC usw. Soll er nach der A B Ü-Erregung zum Halten kommen, 1st folgende Erregungefolge notwendig:

A B" C, A B S, A B C, A B TT.

In dieser Folge bewirkt die A "B* C«^Srregung ein Gegendrehmoment, das abwechselnd mit dem in Drehrichtung wirkenden Drehmoment auf den Rotor wirkt.

Häufig 1st es erwünscht, den Schrittschaltmotor nach dem Prinzip eines herkömmlichen Synchronmotors kon« tinuierlich zu betreiben. Für diese Betriebsart müssen die Steuerimpulsfolgen und die Steuerimpulsdauer genau eingehalten werden, um ein "welches Laufen" des Motors zu bewirken. Der erfindungsgemäße Motor kann sowohl im Schrittschaltbetrieb als auch im kontinuierlichen Betrieb arbeiten, wobei eine Regelschaltung oder nur eine Steuerschaltung verwendet werden kann. Die für die Regelung erforderlichen Signale können durch Abtasten der Rotorstellung erzeugt werden.

In Fig. 4 ist der Schrittschaltmotor mit einer Steuerschaltung dargestellt. Der Schrittschaltmotor 49 ist mit zwölf Statorpolen und acht Rotorpolen ausge» stattet. Die Steuerschaltung 50 in Fig. 4 ist über die Leitungen 51 und die Klemmen 52 mit den Statorwicklungen verbunden.
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Die in Fig. 4 gezeigte Steuerschaltung 50 enthält ' eine Energiequelle 52 und Schalter 5^* 55 und 56. Die in ' Fig. 4 dargestellte Schalterstellung bewirkt eine Erregung der A- und C-Wicklungsgruppen« entsprechend der Bezeichnung nach Fig. 2.

Die Dioden 57 verhindern die Funkenbildung an dan Schaltern oder, bei der Verwendung von eis ktronischen Schaltern, eine Rückwirkung der Selbstinduktionsspannungen.

In dem in Flg. 4 gezeigten Block 59 ist eine logische Schaltung untergebracht, die über die Leitungen 60 und 61 die Start-Stop-Befehle erhält.

Soll die Schaltung als Regelschaltung arbeiten, wird zur Schließung des Regelkreises über 58 das Rotorpositionssignal zurückgeführt.

Außer mit der in Fig. 4 gezeigten Schaltung läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Schrittschaltmotor eine verbesserte Motorleistung durch Verwendung einer.Versorgungsspannung erzielen, die einen erhöhten Erregungsstrom in den Statorwioklungen erzeugen kann. Damit können folgende Vorteile erzielt werden:

1, Der zur Rotation benötigte Magnetfluß wird durch früheres Erreichen des erforderlichen Spannungspegels schneller wirksam.

2. Es entsteht ein erhöhtes Besohleunigungs- und Bremsmoment zum Starten und Stoppen des Rotors.

In dem erfindungsgemäßen Schrittschaltmotor läßt sich insbesondere der zweitgenannte Vorteil realisieren, da durch die Platzeinsparung infolge von auf den Statorpolbrücken angeordneten Wicklungen die Leitfähigkeit der Magnetpfade erhöht werden kann. Bei den bekannten Schrittschaltmotoren wird durch einen begrenzten magnetischen Querschnittsbereloh und die sich daraus ergebende schnellere magnetische Sättigung die vorteilhafte Wirkung einer erhöhten Qregungsspannung nicht wirksam.

Würde in Fig. 4 eine Energiequelle mit höherer Spannung verwendet, dann müßten Strombegrenzungswiderstände in Reihe mit den einzelnen Wicklungsgruppen geschaltet werden. .

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Der als Ausfühimngsbelspiel beschriebene Schrittschaltmotor mit zwölf Statorpolen und acht Rotorpolen ist wirtschaftlich und eignet sich für zahlreiche Anwendungszwecke. Es sind jedoch ebenso andere Polanordnungen möglich.

Die Schrittzahl pro Umdrehung ergibt sich aus dem Betrag der Formel

_ I s ■ r
η =1—-——ri *

s - rl wobei r die Rotorpolzahl und s die Statorpolzahl ist.

Anhand folgender Tabelle werden entsprechend der genannten Formel für einige Rotor- und Statorpolzahlen die Schrittzahl und der Drehwinkel pro Schritt dargestellt.

Grad pro	Schritte pro	Anzahl der	3 2 S	Anzahl der
Schritt	Umdrehung	Statorpole	Rotorpole
	η	£	r
90	4	4	2
60	6	6	3
60	6	3	6
45	8	8	4
45	8	4	8
36	10	10	5
36	10	5	10
30	12	4	3
30	12	3	4
18	20	5	4
18	20	4	b
15	24	12	8
15	24	8	12
15	24	8	6
15	24	6	8
12	30	6	5
12	30	5	6
10	36 .	12	9
10	36	9	12
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Grad pro	Sehritte pro	Anzahl der	Anzahl der
Schritt	Umdrehung	Statorpole	Rotorpöle
	η	JS	r_
9	40	10	8
9	40	8	10
60/7	42	7	6
60/7	42	6	7
45/7	56	8	7
45/7 -	56	7	8
6	60	12	10
6	60	10	12
5	72	9	8
5	72	8	9
90/33	132	12	11
90/33	132	11	12

Unter Verwendung ringförmiger Wicklungen können auch Motoren mit mehr als zwölf Polen gebaut werden, obwohl deren Konstruktion und Fertigung Schwierigkeiten bereitet.

In dem im vorangegangenen beschriebenen Motor werden für jeden 15°-Schritt jeweils vier Statorpole erregt.

Wenn die Rotor- und Statorpole einen ganzahligeη gemeinsamen Multiplikator besitzen« werden bekanntlich externe Startmittel benötigt.

Im allgemeinen muß bei Motoren mit einer ungeraden Anzahl von Rotor- oder Statorpolen ein Pol den magnetischen Fluß von zwei oder mehr Polen aufnehmen, während bei Motoren mit gerader Anzahl von Polen nur jeweils ein Statorpol mit einem Rotorpol zusammenwirkt.

Bei einigen der durch die Werte in der vorstehenden Tabelle dargestellten Motoren kann eine bipolare Erregung der Wicklungen vorteilhaft sein.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung des bevorzugten Ausflihrungsbeispiels hervorgeht,· bewegt sieb der Rotor so lange bis der Magnetflußpfadwiderstand ein Minimum erreicht.

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Da es in dem in Fig. 2 gezeigten Schrittschaltmotor lediglich auf die relative lage und Polarität der .jeweils erregten Statorpole ankommt, arbeitet der Motor auch dann, wenn alle Pole gleichzeitig ummagnetisiert werden. Er kann also auch mit Wechselstrom betrieben werden.

Für Wechselstrombetrieb ist eine gewisse Änderung des Aufbaus des Schrittschaltmotors erforderlich, da die Leistungsverluste und die Induktivitäten berücksichtigt werden müssen.

Anstelle eines nach dein Gleichstromwiderstandsprinzip arbeitenden passiven Rotors kann auch ein aktiver,

beistehender d.h« ein aus permanentmagnetischem Materialyoder ein mit Erregungswicklungen ausgestatteter Rotor verwendet werden, der im Vergleich zu passiven Rotoren ein höheres Drehmoment erzeugt. In Flg. 5 ist ein 6-poliger Rotor aus permanentmagnetischem Material gezeigt, der in einem 8-poligen Stator untergebracht ist. In diesem Motor wirken zu jedem beliebigen Zeitpunkt jeweils zwei aktive Stätorpole.

Bei Verwendung von permanentmagm tischen Rotoren in Schrittschaltmotoren, wie in Fig. 5 gezeigt, müssen die Statorpole abwechselnd beide Polaritäten annehmen, was . ., durch die Richtungsumkehr der Erregerströme bewirkt wird.

Die Wicklungs- und Statoranordnung des in. Fig. 5 gezeigten Motors arbeitet in der bereits für die Wider« Standsversion beschriebenen Weise« Die unmittelbar neben jedem Statorpol bef indlichen beiden Wicklungen »erden, erregt, so daß ihre benachbarten Seiten die gleiche Polarität annehmen. Die Erregung von zwei oder mehr Statorwicklungen in einer Gruppe erzeugt den magnetischen Gesamtflufi» Eine Drehung wird dadurch bewirkt, daß jeweils ein Statorpol eine entgegengesetzte Polarität annimmt.wie der entsprechende Rotorpol aufweist, so daß der Rotorpol den Statorpol anzieht. In Fig. 5 sind ZU bestimmten Zeitpunkten Jeweils vier Rotorpole erregt.

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Fig. 6 zeigt eine Tabelle mit den in dem Schritt- · schaltmotor mit permanentmagnetischem Rotor anzuwendenden ' Wicklungserregungsfolgen. Anhand der Tabelle der Fig· 6 kann das Verknüpfungsnetzwerk zum Steuern der Erregungssohalter für den Motor nach Fig. 5 aufgebaut und die Parallelschaltungen für die Wicklungen nach Fig. 5 festgelegt werden.

Für die Tabelle nach Fig. 6 wird angenommen, daß jeder der beiden magnetischen Pfade« die die jeweils wirksamen zwei Statorpole miteinander verbinden, von dem Magnetfluß zweier Wicklungsgruppen durchflossen wlrde»· Die zwischen den beiden erregten Wicklungsgruppen liegenden Wicklungen werden in der Tabelle als nichterregt angenommen. Eine ähnliche Tabelle läßt sich unter der Annahme erstellen, daß eine oder beide der jeweils unbenutzten Wicklungsgruppen (A,B, C₁D) erregt wird.

In Fig. 5 sind die Statorpole mit Bezugszeichen 1 bis 8 versehen.

Die permanent magnetisierten Rotorpole I bis VI im Motor nach Fig. 5 wechseln in ihrer magnetischen Polarität· Der Buchstabe N im oberen Teil der Fig. 6 bezeichnet die vierundzwanzig Schritte des Rotors. In den darunterliegenden Kästchen 1st jeweils angegeben, welche der Rotor- und Statorpole während eines bestimmten Schrittes miteinander ausgerichtet sind. In der zweiten Reihe S und der dritten Reihe R werden die Statorpole 1 bis 8 und die Rotorpole I bis VI aufgeführt, die miteinander ausgerichtet sind* Die mit 1 bis 8 gekennzeichnete vertikale Spalte zeigt jeweils in den horizontalen Zeilen durch die Zeichen *+ⁿ , ^tt~ⁿ oder "leer* an, ob die entsprechende Wicklung 1 bis 8 positiv, negativ oder gaijnicht erregt ist.

Die Tabelle nach Fig« 6 ist für den erfindungsgemäßen Motor nach Pig. 5 zusammengestellt.

Wie die Tabelle nach Fig. 6 zeigt, erfordert das fttr eine bestimmte Statorwicklung gegebene allgemeine Erregungsschema eine Erregung im positiven Sinne für zwei Rotorschritte, dann keine Erregung für zwei Sehritte, dann eine negative Erregung für zwei Rotorschritte und dann wieder keine Erregung für weitere zwei Schritte·

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Die zur Bezeichnung der Wicklungen im Motor nach Fig. 5 verwendeten Buchstaben A bis D geben an, zu welcher Gruppe die Wicklungen gehören. Die Wicklungsgruppen sind über die Leitungen 63 und die Klemmen 65 und 66 mit der Steuerschaltung 74 verbunden. Die leitung 64 ist mit jeder Wicklung des Motors verbunden·

Die Steuerschaltimg 74 besitzt zwei entgegengesetzt gepolte Stromquellen 67 und 68, mit denen die Wicklungen im positiven und negativen Sinn erregt werden können. Die

Klemmen 72, 73 und 75 bezeichnen die Anschlüsse der beiden Batterien.

In Fig» 5 sind die beiden Schalter 69 und 70 der Wicklungsgruppe A zugeordnet. Die übrigen Schalter steuern die Wicklungsgruppen B bis D. Je nach der in den Motorwicklungen der Gruppe A benötigten Polarität, wird einer der beiden Schalter 69 oder 70 geschlossen. Ist die Wicklungsgruppe A zur Erregung des Motors zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht erforderlich, dann sind beide Schalter geöffnet.

Die Verknüpfungsstetorschaltung 76 wird mit Befefilssignalen 77 beaufschlagt.

Um die -forteile des erf indungsgemMßen Schrittsefealt*- raotors noch besser hervorzuheben, lerden nachstehend einige der sich aus seiner Konstruktion ergebenden Vorteile Im Vergleich zu den Eigenschaften bekannter Schrittschaltmotoren betrachtet.

* Bineniiesentlichen Vorteil bringt das Anordnen der Wicklungen auf den Brücken zwischen den Statorpolen. Bei herkömmlichen Schrittschaltmotoren muß jeweils, wenn die * elektrischen Wicklungen auf einer externen Spindel vorgeformt und dann in ein Isoliertes Paket abgeschlossen werden, der Stator so bemessen sein, daS gerügend Platz zwisc&en benachbarten Polspitzen vorhanden ist, damit die Wicklung auf den Pol aufgebracht werden kann. Reicht der Platz zwischen benachbarten .Statorpolspitzen-'nicht aus, ms

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vorgeformte Wicklungen aufzubringen, dann müssen diese von Hand oder mittels einer auf die Jeweilige Motordl* mension eingestellten, komplizierten Wicklungsmaschine aufgebracht werden. Beide vorgenannten Verfahren sind sehr unwirtschaftlich.

Der erfindungsgemäße Schrittschaltmotor kann mittels eines herkömmlichen Ringwicklers hergestellt werden, bei dem der Draht rotierend geschüttelt wird. Bei einem solchen Ringwickler werden die Windungen zwar einzeln, jedoch sehr schnell aufgebracht, so daß nur sehr niedrige Herstellungskosten entstehen.

Die Möglichkeit, Wicklungen Windung für Windung aufzubringen, ermöglicht einen minimalen Abstand zwischen benachbarten Statorpolen des erfindungsgemäßen Motors, Dieser Minimalabstand muß lediglich so groß sein, daß Jeweils eine Drahtlitze eingeführt werden kann.

Der in den bekannten Schrittschaltmotoren vorgesehene Platz zwischen den Polen kann im erfindungsgemäßen Schrittschaltmotor entweder für eine größere Anzahl Statorpole oder für eine Ausführung des Rotors mit kleinerem Durchmesser oder für einen größeren Polquerschnitt ausge-

i. ι. * T^ Abwandlungen ■ ■

nutzt werden. Diese können beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn ein kleiner Rotordurchmesser erwünscht ist, weil die mechanische Trägheit gering sein muß, um eine schnelle Beschleunigung zu erzielen. Bei einem solchen Motor ist häufig auch ein größerer Polquerschnitt erforderlich, da das bis zur magnetischen Sättigung erzielte Ausgangsdrehmoment dadurch größer wird, wodurch hohe Erregungsströme verwendet werden können.

Ein weiterer Vorteil, der sich aus dem geringeren Platzbedarf zwischen den Polwicklungen « im erfindungsgemäßen Motor ergibt, besteht darin, daß die Stator«- pole kürzer gehalten werden können. Da die Statorpole in einem vorgegebenen Rahmen nur so lang sein müssen, daß sie die Wicklungstiefe überragen, ist es möglich, die PoI-

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länge um einen Faktor von 1/3 bis 1/2 im Vergleich zum herkömmlichen Schrittschaltmotor' zu verkürzen. Bei Vergrößerung der Rotorpollänge erzeugt der erfindungsgemäße Motor ein höheres Ausgangsdrehmoment, da die zwischen Rotor» und Statorpolen erzeugte Kraft über einen längeren Hebelarm, nämlich den längeren Rotorradius wirkt·

Beider erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung wird die Zahl der eine rechtwinklige Abbiegung aufweisenden Leiter zwischen den Statorpdlen wesentlich verringert. Da es schwierig ist. Windungen genau an eine geschichtete Wicklungeform anzupassen, ergibt sich bei Jeder rechtwinkligen Abbiegung der Wicklungen ein erhöhter Platzbedarf. Durch Verringerung der Anzahl dieser rechtwinkligen. Abbiegungen zwischen den Polen und durch Anbringung der Abbiegungen in einer radialen Ebene statt in einer tangentlalen Ebene wird bei dem erfinfl ungsgemSßen Motor in bezug auf diese Fabrikationsschwierigkeit eine Verbesserung erzielt.

Wenn die Statorwicklungen, die sich außerhalb der Ringform des erfindungsgemäßen Motors befinden« gleich;» mäßig und regelmäßig in einer oder mehreren Schichten aufgebracht werden, benötigt man weniger "radialen Platz" als wenn man diese Wicklungen vollständig zwischen den Polen unterbringt. Hierdurch kann ein Schrittschaltmotor mit vorgegebenem Durchmesser eine größere Leistung liefern.^

Muß ein herkömmlicher Schrittschaltmotor mit Wicklungen auf den Statorpolen aus irgend einem Gründe von Hand gewickelt werden, dann hat die wickelnde Person nur zu einem Bruchteil jeder Windung Zugriff» da Über die Hälfte jeder Windung zwischen den Statorpolefc liegt. Beim erfindungsgemäBen Schrittschaltmotor 1st über die Hälfte jeder Windung für die wickelnde Person zugänglich, da sie außerhalb des Motors liegt. Die Zugängliohkelt dep Wicklungen ist Jtdoah sowohl für Prüfzwecke als auch für eine leichtere formgereohte Aufbringung wünschenswert.

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Bei Verwendung von Hochleistungsschrittschaltmotoren ermöglichen Anordnungen zum Ableiten von Wärme aus dem Motor eine über die Nennleistung eines Motors hinausgehende erhöhte Leistung. Auch in dieser Hinsicht ist der erfindungsgemäße Schrittschaltmotor gegenüber den bekannten Motoren verbessert, bei denen sich die Wicklungen auf den Statorpolen befinden, da entweder eine Konvektion oder eine Kühlflüssigkeit durch den Motor strömt,Vdie WicKLungsoberflache besser kühlen kann. Hierdurch kann insbesondere das Auftreten heißer Stellen in den Wicklungen weitgehendst verhindert werden, durch die die Haltbarkeit der Isolierung gefährtet wird. Zusammengefaßt kann gesagt werden, daß die erhöhte Kühlfähigkeit die in einem erfindungsgemäßen Motorrahmen mögliche Energieverteilung erhöht.

In bekannten Schrittschaltmotoren wird zum Teil ein Stator verwendet, der aus ringförmigen Segmenten besteht, von denen jedes eine eigene Gruppe elektrischer Wicklungen trägt, die nach dem Wickeln unter Verwendung von zwischen die Statorsegmente eingebrachtem Material- zu einer ringförmigen Konstruktion zusammengebaut werden. Gegenüber diesem bekannten Motor ist der erfindungsgemäfle Motor verbessert, da mit ihm eine höhere Schrittschaltgenauigkeit erreicht werden kann. Die bei einem Schrittschaltmotor er· reichbare Einstellgenauigkeit hängt bekanntlich von den mechanischen Toleranzen ab, die bei der Positionierung der Rotor- und Stetörpole kleingehalten werden müssen. Eine schlechte Positionierung eines Rotor- oder Statorpole8 führt dazu, daß der Rotor eine mechanische Gleichgewichtsstellung annimmt und von der gewünschten Idealsteilung abweicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Schrittschaltmotor können durch unrichtige Positionierung von Statorpolen keine Rotor*» stellungsfehler entstehen, da die Polstellungen nicht von der Genauigkeit eines Montagevorganges undden Toleranzen zahlreicher kleiner Teile abhängen, sondern von der Konstruktion und der präzisen Stanzung eines einzigen Statorteiles.

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Da die gewünschte Präzision dieses Statorteiles durch eine entsprechende Werkzeugkonstruktion leicht erreicht werden kann, läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Schrittschaltmotor eine hohe Stellungsgenauigkeit leichter erzielen als in den bekannten Vorrichtungen.

Bei dem erfindungsgemäßen Motor können aufgrund eines Statorrahmens aus einem einzigen kreisförmigen Stück aus magnetischem Material ohne Luftspalte flexible Flußpfade verwendet werden, dia vollständig durch außerhalb des Motors gegebene Bedingungen bestimmt werden. In dem erfindungsgemäßen Motor kann das durch Erregung eines bestimmten Stators erzeugte "Flußverteilungsmuster¹¹ durch Änderung der elektrischen Verbindungen der Statorwicklungen geändert werden, da die Statorkonstruktion nicht durch Luftspalte eingeengt wird. Durch eine weitere Nutzung dieser Eigenschaft des erfindungsgemäßen Motors läßt sich die Erregung zweier benachbarter Pole gleichzeitig durchführen, um Rotorzwischenstellungen zu erzielen.

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Claims

Patentansprücheί

Π. Λ Elektrischer Schrittschaltmotor, dessen Rotorpole mit den Polen des ringförmigen Stators entsprechend der wahlweisen Erregung der Statorwicklungen zusammenwirken, so daß eine schrittweise Drehung des Rotors zustande kommt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (22, Fig. 2) aus einem Stück besteht und die Wicklungen (32, 34 usw.) jeweils ringförmig auf den Statorpolbrücken (3* Fig. 1) aufgebracht sind, wobei die in Gruppen (A* B, G) unterteilten Wicklungen gruppenweise erregt werden können, wodurch Statormagnetpole wechselnder Polarität entstehen, und wobei eine Steuerschaltung (50, 59, Fig. 4) nacheinander verschiedene Wicklungsgruppen (A, B, G) zur Erregung auswählt, so daß die magnetischen Statorpole so weitergeschaltet werden, daß der Rotor (29) schrittweise bewegt wird.

2. Elektrischer Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Auswahl von Wicklungsgruppen (A, B, C) mehrere benachbarte Wicklungen (z.B. 32, 33) derart erregt werden, daß der in den Wicklungen (z.B. 32, 33) erzeugte magnetische Fluß in dem zwischen beiden Wicklungen liegenden Statorpol addiert wird.

3. Elektrischer Schrittschaltmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl (s) der Statorpole, die Anzahl (r) der Rotorpöle und die Anzahl (n) von Rotorschritten pro Umdrehung in folgendem Verhältnis zueinander stehen

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4. Elektrischer Schrittschaltmotor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Stator und Rotor jeweils eine gerade Anzahl von Polen aufweisen.

5. Elektrischer Schrittschaltmotor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Wicklungen durch eine Gleichstromquelle (53, Fig. 4) erregt werden.

6. Elektrischer Schrittschaltmotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotor aus permanentmagnetischem Material verwendet wird und die Wicklungen durch eine bipolare Gleichstromquelle (67» 68, Pig. 5) erregt werden.

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