DE2235086B2 - Schrittmotor mit fünf Statorwicklungen - Google Patents

Schrittmotor mit fünf Statorwicklungen

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Description

τ ρ - n τ. + \ ; mit λ = r. (A- + 0,6)
τρ' == /ι τ. + ,i: mit β = τ. (A-' + 0,6)
entsprechen, das Verhältnis von Rotorzahnbreite zu Statorzahnbreite am Außendurchmesser des Rotors S 1 ist, die Anzahl der Rotorzähne der Beziehung
Zr=u(5n+4k+k'+3)
entspricht, wobei
n,k
und j
der Polteilungswinkel zwischen benachbarten Hauptpolen innerhalb einer Polgruppe und
der Teilungswinkel zwischen benachbarten Polzähnen eines Hauptpoles,
der Winkel zwischen benachbarten Polzähnen von benachbarten Hauptpolen einer Polgruppe,
der Abstandswinkel zwischen benachbarten Hauptpolen zweier aufeinanderfolgender P'olgruppen,
der Winkel zwischen benachbarten Polzähnen von benachbarten Polgruppen,
eine ganze Zahl ä 0 ist.
30
J5
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrittmotor mit fünf. Statorwicklungen ohne Mittelabgriff, die über Umschalter fünfphasig mit Gleichstrom erregbar sind und mit einem Permanentmagnetrotor, dessen Rotorzähne den Statorzähnen zugeordnet sind. Ein derartiger Schrittmotor ist in def DE-OS 21 49 473 vorgeschlagen worden.
Es ist allgemein in der Schrittmotoren-Technik bekannt, daß bei Schrittmotoren, bedingt durch das magnetische Federmoment zwischen Stator und Rotor und dem Gesamt-Trägheitsmoment des Rotors Schwin
45
2. Schrittmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorzähne (4) trapezför- so mig ausgebildet sind und das Verhältnis von Zahnbreite zu Zahnlücke am Rotoraußendurchmesser 1 :2 und am Zahnfußdurchmesser ungefähr 2 :1 beträgt.
55
60
65 gungen sowohl beim Stillsetzen des Motors als auch beim Hochlaufen auftreten. Um diese sich für den exakten Schrittmotorenbetrieb ungünstig auswirkenden Motoreigenschaften zu verhindern oder zu vermindern, ist es bekannt, mechanische Dämpfungselemente zusätzlich auf die Rotorwelle aufzusetzen (DE-PS 1122 150) oder eine Dämpfung durch mehr oder weniger komplizierte Maßnahmen in der elektronischen Ansteuerschaltung zu erzielen (DE-OS 20 42 903).
Es wurden deshalb Überlegungen angestellt, den zum Teil erheblichen Aufwand für eine wirksame Dämpfung herabzusetzen, die zu dem in der DE-PS 2149 473 bereits vorgeschlagenen Schrittmotor führten. Diese DE-OS bezieht sich jedoch auf eine Ansteuerschaltung für einen Mehrfachstator-Schrittmotor mit fünf oder einer höheren ungeraden Anzahl Einzelstatoren mit einteiligen Statorwicklungen, die zu einem Leitungszug mit fünf Knotenpunkten miteinander verbunden sind und von denen jeweils mehrere Statorwicklungen gleichzeitig zyklisch über Schalter an eine Gleichstromquelle schaltbar sind. Der vorgeschlagene Schrittmotor weist ferner den Einzelstatoren zugeordnete, mechanisch miteinander verbundene Permanentmagnetrotoren auf, wobei die Einzelstatoren oder die Permanentmagnetrotoren in Umfangsrichtung gleichmäßig um einen bestimmten Bruchteil der Polteilung τρ entsprechend dem Winkel <x gegeneinander versetzt sind, wobei nach jedetn Schritt zyklisch fortlaufend jeweils die nächstbenachbarte Statorwicklung kurzgeschlossen ist.
Diese fünfphasige Ansteuerschaltung hat sich in der Praxis sehr gut bewährt. Dagegen bereitet der mechanische Aufbau des darin vorgesehenen Fünfstator-Schrittmotors besonders bei großer Polzahl, in bezug auf Einhaltung der geforderten Winkelgenauigkeit, erhebliche Fertigungsschwierigkeiten. Infolgedessen ergibt sich ein erheblicher Herstellungsaufwand.
Die Fertigungsschwierigkeiten sind in der Hauptsache durch die vom Zufall abhängige Addition bzw. Subtraktion von unvermeidlichen Fertigungstoleranzen bei den fünf axial aneinandergereihten Einzelstatoren und Permanentmagnetrotoren bedingt.
Um bei fünfphasig angesteuerten Schrittmotoren mit großer Polzahl bzw. kleinem Schrittwinkel diese Schwierigkeiten weitgehend zu beseitigen, wurde ein Einstator-Motor für fünf Phasen entwickelt, der mit der bewährten Fünfphasen-Ansteuerschaltung nach DE-OS 2149 473 gemäß dem älteren Vorschlag betrieben werden kann.
Einstatormotoren für zwei Phasen und großer Polzahl werden bekannterweise nach dem Gleichpolprinzip für Synchronmotoren gebaut. Ein derartiger Motoraufbau wird neben anderen z. B. in der DE-OS 14 88 691 gezeigt. Bei diesem bekannten Motoraufbau weden für einen ruhigen Lauf immer vier gewickelte Hauptpole je Phase benötigt, die so zu erregen sind, daß abwechselnd Nord- und Südpole entstehen.
Wollte man nach dem gleichen Prinzip einen Schrittmotor für Fünfphasenbetrieb bauen, so wären zwanzig bewickelte Hauptpole erforderlich. Da dies wiederum durch das Wickeln und das beengte Einbringen der hierbei benötigten zwanzig Einzelwicklungen zu Fertigungsschwierigkeiten und zur Verteuerung des Schrittmotors mit einem derartig aufgebauten Stator führen würde, ist es Aufgabe der Erfindung, einen Schrittmotor zu schaffen, bei dem die Anzahl der Hauptpole und Wicklungen bei einem Schrittmotor für fünf Phasen etwa gleich der des Motors für zwei Phasen ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Schrittmotor der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Anzahl der Wicklungen wird somit von acht auf nur zehn erhöht und die Unterbringung der zehn Wicklungen bringt somit keine wesentliche Verteuerung des Stators für fünf Phasen gegenüber einem Stator für zwei Phasen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 einen Statorblechschnitt für einen Fünfphasen-Schrittmotor mit zwei Polgruppen zu je fünf Statorhauptpolen, zwei Gruppenabstandswinkel β und einen Rotor mit Zr= 50,
Fig. Γ einen vergrößerten Statorhauptpol 1 und einen Teil des Rotorumfanges mit Rotorpolzähnen 4,
F i g. 2 die Abwicklung eines Fünfphasen-Stators und Verschaltung der 2x5 Hauptpolwicklungen 10—19 zu fünf Phasenwicklungen entsprechend F;. g. 3 und die Polarität der Statorhauptpole bei einer Schrittstellung,
F i g. 3 die Verschaltung der fünf Phasenwicklungen mit der Schalteranordnung zum Anschluß an die Gleichstromquelle für den normalen Schrittwinkel,
F i g. 4 die Verschaltung der fünf Phasenwicklungen mit Schalteranordnung zum Anschluß an die Gleichstromquelle für den halben Schrittwinkel,
F i g. 5 eine Tabelle, aus der entsprechend der Formel für die Rotorzähnezahl
30
Zr=u{5n+4k+k'+3)
die Werte für Zr; k; k'; η ablesbar sind.
In F i g. 1 wird der neue Statorblechschnitt für einen erfindungsgemäßen Fünfphasen-Schrittmotor in seiner allgemeinen Form gezeigt. Die Verteilung der zehn Hauptpole 1 am inneren Umfang ist normalerweise unsymmetrisch. Die beiden Hauptpolgruppen mit der Polteilung τρ sind jedoch gleich und bei Drehung einer Polgruppe um 180° deckungsgleich. Jede Polgruppe besitzt fünf Phasenwicklungen 10—14 bzw. 15 — 19, die entsprechend verschaltet sind F i g. 2. Zwei Hauptpole gleicher Polarität einer Phase liegen sich somit diametral gegenüber Fig. 1. Wie man hieraus erkennen kann, besitzt der neue Statorschnitt keine besonderen Hauptpole für den magnetischen Rückschluß. Der letztere erfolgt über die vier den anderen Phasen zugeteilten Hauptpole. Es tritt somit in jedem Hauptpol eine Überlagerung von mindestens zwei Flüssen verschiedener Phasen ein. Die Rückschluß-Hauptpole und deren Wicklungen werden somit bei diesem erfindungsgemäßen Statoraufbau eingespart.
Um einen vorgegebenen Schrittwinkel zu erhalten, müssen bekanntlich Rotoren mit einer bestimmten Rotorpolzahnzahl eingesetzt werden. Um einwandfreie Bedingungen für den fünfphasig angesteuerten Motor nach der Erfindung zu erhalten, wird sich im allgemeinen bei vorgegebenem Schrittwinkel keine symmetrische Verteilung der Hauptpolteilung τρ am inneren Umfang ergeben und damit die Polteilungswinkel τ ρ und rp'und der Polzahnabstandswinkel λ und β nicht gleich sein.
Die allgemeine Formel für den Zusammenhang zwischen ν ρ und rp'bzw. λ und β ergeben sich aus den Beziehungen
τρ = η τ. + λ mit \ = τ. (k + 0,6)
65
= η τ. +
mit β = τ. (k' + 0,6)
Hierbei bedeuten
τρ der Polteilungswinkel zwischen benachbarten Hauptpolen innerhalb einer Polgruppe und
τρ' der Abstandswinkel zwischen benachbarten Hauptpolen zweier aufeinanderfolgender Polgruppen,
n+1 die Anzahl der Hauptpolzähne 2,
α der Winkel zwischen benachbarten Polzähnen von benachbarten Hauptpolen einer Polgruppe,
β der Winkel zwischen benachbarten Polzähnen von benachbarten Polgruppen,
τ. der Teilungswinkel zwischen benachbarten Polzähnen eines Hauptpoles,
k die Anzahl der für die Einbringung der Wicklung weggelassenen Hauptpolzähne innerhalb einer Polgruppe,
k' die Anzahl der weggelassenen Statorhauptpolzähne zwischen zwei Polgruppen.
Für einen einwandfreien' Schrittbetrieb gilt die Beziehung für die Rotorzahnzahl
Zr=u(5n+4k+Jc'+3)
Für Motoren mit o=2, mit uentsprechend der Anzahl der Polgruppen, wurden die Werte Zr als Funktion von /7, Arund k'tabellarisch zusammengestellt. Mit Rücksicht auf einen ruhigen Lauf sollte u möglichst ä 2 sein.
Die in Fig.3 gezeigte Steuerschaltung für den Fünfphasen-Schrittmotor beruht auf der in der DE-OS 2149 473 vom gleichen Anmelder vorgeschlagenen Schaltung für einen Fünfstator-Motor. Obwohl es sich bei dieser Anmeldung um einen neuen Einstator-Schrittmotor für fünf Phasen handelt, kann die gleiche Schaltung angewandt werden, indem die fünf Phasenwicklungen zu einem Leitungszug mit fünf Knotenpunkten verbunden und die Knotenpunkte über fünf Umschalter zyklisch mit den beiden Polen der Gleichstromquelle verbunden werden. Eine Phasenwicklung ist dabei bei jeder Schrittstellung kurzgesch'ossen.
Die in Fig.4 gezeigte Steuerschaltung für einen Fünfphasen-Schrittmotor dient zur Halbierung des Schrittwinkels. Hierzu wird der Leitungszug geöffnet und die fünf Phasenwicklungen über beidseitig angeschlossene Umschalter zyklisch mit den beiden Polen der Gleichstromquelle verbunden. Eine Phasenwicklung ist hierbei nach jedem zweiten Schritt kurzgeschlossen. Der Aufwand für die Steuerschaltung ist in diesem Fall jedoch doppelt so groß.
Anhand der in F i g. 5 gezeigten Tabelle, bei der die Formel
Zr= U (5/7 + 4Jt+ k'+ 3)
mit u= 2 zugrunde gelegt ist, lassen sich die Zusammenhänge zwischen Zr und den Parametern n; k; k' ohne rechnen und probieren ermitteln.
Aus dieser Tabelle ist auch ersichtlich, daß für den Fall k=k'es eine Reihe von Kombinationen mit Zr; π gibt. In diesen Fällen mit k=k'w\rd λ=β.
Man erhält damit einen Stator für einen erfindungsgemäG;n Fünfphasen-Motor, bei dem die Statorhauptpole gleichmäßig am inneren Umfang verteilt sind. Dies ist z. B. der Fall für /V=Ar'= 1, wenn man Zr=46 und /7=3 wählt.
Mit Zr=46 erhält man jedoch einen ungebräuchlichen Schrittwinkel. Für den am häufiesten eebrauchten
Schrittwinkel von 1,8°/Schritt muß Zr=50 sein. Dies ist mit /r=£'jedoch nicht, wie aus der Tabelle ersichtlich, zu realisieren.
Ein besonders günstiges Betriebs- und Drehmomentverhalten ist zu erzielen, wenn die Rotorzähne 4 trapezförmig ausgebildet werden (Fig. Γ) und das Verhältnis von Zahnbreite zu Zahnlücke am Rotoraußendurchmesser 1 : 2 und am Zahnfußdurchmesser 2 :1 beträgt.
Die vorliegende Erfindung macht es möglich, mit einem geringfügigen Mehraufwand einen Schrittmotor für fünfphasige Ansteuerung zu bauen und damit sehr kleine Schrittwinkel bei großer Schritlwinkelgenauigkeit zu erzielen.
Durch die Reduzierung der Hauptpole auf zehn und
Überlagerung mehrerer Flüsse verschiedener Phasen auf jeden Hauptpol wird außerdem bei günstigen Gestehungskosten ein sehr guter Gesamtwirkungsgrad erreicht.
Das Drehmomentverhalten ist im ganzen Schrittfrequenzbereich sehr gut und praktisch frei von den bei ίο anderen Motoren auftretenden Resonanzerscheinungen. Der technische Fortschritt ist daher in mehrerer Hinsicht gegeben.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Schrittmotor mit fünf Statorwicklungen ohne Mittelabgriff, die über Umschalter fünfphasig mit i Gleichstrom erregbar sind, und mit einem Permanentmagnetrotor, dessen Rotorzähne den Statorzähnen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Fünfphasen-Schrittmotor, bei dem die fünf Statorwicklungen auf den sich radial nach innen erstreckenden Hauptpolen (1) nur eines Stators angeordnet sind, der Stator u Gruppen von je fünf Hauptpolen besitzt, jeder Hauptpol η+1 Polzähne (2) aufweist und die Statorwicklungen (30) auf den Hauptpolen (1) von den u Polgruppen derart verteilt angeordnet und erregt sind, daß für jede Phase u Hauptpole gleicher Polarität entstehen und der magnetische Rückschluß von dem oder den Hauptpollen einer Phase über die den anderen Phasen zugeordneten Hauptpole erfolgt, die Hauptpolteilungen rpundr/7'den Beziehungen
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