DE2738789B2

DE2738789B2 - Elektrischer Schrittmotor

Info

Publication number: DE2738789B2
Application number: DE2738789A
Authority: DE
Inventors: Claude Besancon Oudet (Frankreich)
Original assignee: Portescap SA
Current assignee: Portescap SA
Priority date: 1976-09-03
Filing date: 1977-08-29
Publication date: 1980-02-14
Also published as: DE2738789A1; DE2738789C3; JPS5352908A; JPS596579B2; GB1587431A; FR2363928B1; FR2363928A1; CH599707A5; US4155018A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schrittmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solcher Schrittmotor ist beispielsweise aus der DE-OS 24 52 Ί3ί oder der GB-PS 14 16 430 bekannt. Bei diesen bekannten Schrittmotoren entsteht durch das Zusammenwirken der Polstücke des Ständers und der Läuferpole ein Drehmoment, das auf den Läufer einwirkt, mit einer stromabhängigen Komponente C, und mit einem magnetostatischen Restdrehmoment, das insbesondere die stabilen Gleichgewichtsstellungen des Läufers bestimmt. Das magnetostatische Drehmoment C₀ weist im allgemeinen eine zur Frequenz des stromabhängigen Drehmomentes Harmonische C₀ 2 mit doppelter Frequenz, sowie eine Harmonische C₀ 4 mit vierfacher Frequenz auf, sowie ungerade, im allgemeinen vernachlässigbare Harmonische.

Es sind bereits Methoden bekannt, um den Einfluß der Harmonischen 2 des magnetostatischen Restdrehmomenies zu verringern oder unter Kontrolle zu halten. Je mehr aber die Harmonische 2 des magnetostatischen Drehmomentes verringert wird, desto stärker wird der Einfluß und die störende Wirkung der Harmonischen 4 auf den Betrieb des Motors. Wie noch näher ausgeführt werden wird, hat eine stark auftretende Harmonische 4 im Verhältnis zur Grundwelle insbesondere die Wirkung, die stabile Gleichgewichtsstellung des Läufers dem Punkt anzunähern, in dem das stromabhängige Drehmoment Null ist. Das bedeutet, daß das in den Ruhestellungen vorhandene stromabhängige Drehmoment verringert wird und damit auch entsprechend das NutzdrehMoment des Motors.

Es ist daher wünschbar, auch den Einfluß der Harmonischen 4 möglichst zu verringern.

Aus der US-PS 38 66 104 ist ein Mehrphasen-Schrittmotor bekannt, bei dem die Ständerpole gruppenweise zusammengefaßt sind und die Gruppen untereinander einen von dem Polabstand unterschiedlichen Abstand aufweisen. Der zylindrische Läufer weist bei diesem Motor jedoch einen zentralen Magneten auf, sowie Zähne, die auf einer Hälfte des Läufers, in axialer Richtung gesehen, jeweils gleichnamig sind. Für die Betriebseigenschaften eines solchen Motors spielt das magnetostatische Restdrehmoment praktisch keine Rolle, so daß die erwähnten damit zusammenhängenden Probleme und eventuelle entsprechende Maßnahmen aus der genannten Patentschrift nicht zu entnehmen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Schrittmotor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem das magnetostatische Restdrehmoment mit vierfacher Frequenz bezüglich des stromabhängigen Drehmomentes erheblich verringert ist. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Motors;

F i g. 2 eine Unteransicht des leeren Motorgehäuses gemäß Fig. I;

Fig. 3 ein Diagramm der mögliehen Drehmomente, die bei einem derartigen Motor auftreten können;

Fig.4 ein Diagramm, das die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahme auf die Harmonische 4 des magnetostatischen Drehmomentes zeigt;

F i g. 5 eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Motors mit exzentrisch angeordneter Spule und

Fig. 6 einen Schnitt entlang der gestrichelten Linie λ λ ',,^r. c; ir ς

Der im axialen Schnitt in Fig. 1 dargestellte Motor

weist einen Ständer mit einem im allgemeinen zylindrischen Gehäuse 1 auf, dessen Boden mit einer Zahnanordnung versehen ist, die aus tiefgezogenen, radial angeordneten Zähnen la besteht Die gegenüberliegende Seite des Gehäuses 1 wird im wesentlichen durch ein ringförmiges Teil 2 verschlossen, das das Innere eines zentralen, hohlen Kernes 3 umschließt Das obere Ende dieses Kernes 3 wird von einem anderen scheibenförmigen Polstück 5 umgeben, das parallel zum ringförmigen Teil 2 angeordnet ist. Die Gesamtheit der Teile 1, 2, 3 und 5 besteht aus magnetisch permeablem Material und dient zur Ausbildung des stationären Magnetfeldes des Motors. Des weiteren ist um den Kern

3 herum, zwischen dem rinförmigen Teil 2 und dem Polstück 5, eine koaxiale Zylinderspule 6 angeordnet, an die die elektrischen Impulse zur Steuerung des Motors angelegt werden. Die Teile la und 5 sind die Polstücke des Ständers und bilden zwischen sich einen Spalt veränderlicher Höhe. Aus Vereinfachungsgründen ist angenommen, daß das Polstück 5 eine ebene Oberfläche aufweist, obwohl bei einem anderen Ausführungsbeispiel auch das Polstück 5 mit sich radial erstreckenden, herausgearbeiteten Zähnen 5a versehen sein kann. Der Läufer des Motors von F i g. 1 wird durch eine dünne Scheibe 7 gebildet, die von einer Achse 8 getragen wird, die den hohlen Kern 3 mittig durchsetzt und in Lagern 9 und 10 angeordnet sind, die wiederum an den sich axial gegenüberliegenden Enden des Motorgehäuses befestigtsind.

Die Scheibe 7 ist in axialer Richtung derart magnetisiert, daß sie N Paare abwechselnd positiver und negativer Pole auf ihren Oberflächen aufweist. Die Pole sind beispielsweise mit einem regelmäßigen Winkelabstand um die Läuferachse herum verteilt.

F i g. 2 zeigt von unten her die Verzahnung am Boden des leeren Gehäuses 1 des in Fig. 1 dargestellten Motors, das heißt als Einzelteil. Die tiefgezogenen, in radialer Richtung angeordneten Zähne la, deren Anzahl N beispielsweise 8 beträgt, weisen einen veränderlichen Winkelabstand auf. Insbesondere sind die acht Zähne dieses Polstückes in zwei Gruppen unterteilt, wobei jede Gruppe vier Zähne aufweist, die innerhalb einer Gruppe jeweils einen Winkel von ä = 2ji7/V bilden. Im gewählten Beispiel ist α = 45°. Diese beiden Gruppen von Zähnen sind gegeneinander derart winkelmäßig verschoben, daß die äußersten Zähne der beiden Gruppen auf der einen Seite einen Winkel <x' < <x bilden und auf der anderen Seite einen Winkel λ">λ bilden. Die Verschiebung wird dabei derart gewählt, daß der Unterschied zwischen λ und <x' sowie λ" gleich a/8 ist, das heißt im gewählten Beispiel ist öl' = 39° 23' und ä" = 50° 37'.

F i g. 3 zeigt erläuterungshalber die Änüerung des stromabhängigen Drehmomentes C und des magnetostatischen Drehmomentes C₀ als Funktion des Drehwinkeis in einem derartigen Motor, und zwar für zwei verschiedene Fälle der Verringerung der Harmonischen

4 des Drehmomentes G> Im ersten Fall weist der Motor ein magnetostatisches Drehmoment C'_o auf, das durch seinen Null-Durchgang eine stabile Gleichgewichtsstellung a' des Läufers bestimmt, die in der Nähe des Ursprungs liegt. Dieser Motor weist eine relativ starke Harmonische 4 auf und der Wert des stromabhängigen Drehmomentes Cam stabilen Gleichgewichtspunkt, C, ist gering. Im anderen Fall handelt es sich um einen Motor, dessen Harmonische 4 erheblich geringer ist, wobei das rnagnetostatische Drehmoment die Form CO aufweist. Dieses magnetostatische Drehmoment bestimmt eine stabile Gleichgewichtsstcllung a"und wie man sieht ist das stromabhängige Drehmoment C", in dieser Stellung erheblich größer.

F i g. 4 zeigt den Einfluß der Anordnung von Zähnen gemäß F i g. 2 auf das Auftreten der Harmonischen 4 im vorliegenden Motor. Die Komponente des stromabhängigen Drehmomentes C/(i> die von einer der Gruppen von vier äquidistanten Zähnen erzeugt wird, und die stromabhängige Komponente C₁py die von der anderen Gruppe von vier Zähnen erzeugt wird, sind getrennt dargestellt. Die beiden Gruppen von Zähnen sind um eine achtel Periode verschoben, wie es durch die ausgezogenen und die punktiert gezeichneten Kurven angedeutet ist. Aus der Darstellung ist ersichtlich, daß die entsprechenden Komponenten vierfacher Frequenz des magnetostatischen Drehmomentes C_O4(i) und C_O4(2) entgegengesetzte Phase aufweisen und sich auslöschen. Die Vektor-Addition der Komponenten G(i) und C, (2) zeigt, daß das stromabhängige Drehmoment im Falle einer leicht asymmetrischen Anordnung der Zähne im wesentlichen den gleichen Absolutwert beibehält, verglichen mit der üblichen, rein symmetrischen Anordnung.

In den F i g. 5 und 6 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines Motors mit Schrittschaltbetrieb dargestellt, bei dem die elektrische Steuerspule 56 seitlich vom Läufer angeordnet ist. Letzterer wird durch eine flache Scheibe 57 gebildet, die drehbar im Spalt zwischen zwei sich gegenüberliegenden Polstücken 51a und 55a angeordnet ist. Jedes Polstück weist ein von oben gesehen ringförmiges Teil 51 a'bzw. 55a'auf, das koaxial zum Läufer angeordnet ist und sich in radialer Richtung über herausgeschnittene Zähne 51a" und 55a" verlängert, die der Erzeugung des stromabhängigen Drehmomentes durch Zusammenwirkung mit den magnetischen Teilen des Läufers 57 dienen. Der Läufer ist wenigstens im ringförmigen, aus dem Stator herausgeschnittenen, den Zähnen gegenüberliegenden Teil analog zum Läufer nach F i g. 1 magnetisiert, wobei die Anzahl der Polpaare im dargestellten Fall N = 6 beträgt. Die Polstücke 51a und 55a weisen jeweils einen Arm auf, der zwei aufeinanderfolgende Zähne verlängert und damit die Verbindung mit dem Kern 54 der Spule 56 an den entsprechenden beiden Kernenden gewährleistet. Die Arme 51a'" und 55a'" sind zu diesem Zweck an ihren Enden derart gebogen, daß sie die entsprechenden Verzahnungen in einem geeigneten Abstand voneinander tragen, um dergestalt den Spalt des Motors zu bilden. Die Gesamtanordnung zur Erzeugung des stationären Magnetfeldes bestehend aus den Polstücken 51a und 55a und dem Kern 54 ist in geeigneter Weise auf einen Gestellteil 52 angeordnet und beftstigt, der nicht magnetisch ist und gleichzeitig die nicht dargestellten Lager für die Läuferachse trägt.

Die Zähne 51a"und 55a"eines jeden Polstückes 51a und 55a sind in zwei Gruppen aus jeweils drei herausgeschnittenen Zähnen unterteilt, wobei die beiden Gruppen gegeneinander um Ve des Schrittes β = 2 π/6 = 60° verschoben sind. Demzufolge ist für das betrachtete Beispiel der Winkel ß' auf einer Seite zwischen den beiden äußersten Zähnen von zwei Gruppen gleich 52° 30'. Die Wirkung dieser Winkelverschiebung zwischen den beiden Zahngruppen jedes Polstückes ist die gleiche wie diejenige, die im Zusammenhang mit Fig. 4 und dem Motor in Fig. 1 beschrieben worden ist.

Es sei festgehalten, daß die Anordnung nach Fig. 5 die Herstellung der Polstücke 51a einschließlich der

Arme 51a'" in ihrer Gesamtheit aus einem Stück ermöglicht, wobei dieses genau identisch ist mit demjenigen des Polstückes 55a. Letzteres ist einfach um 180° um die Achse X gedreht, die einen Läuferdurchmesser in der Symmetrieebene der Verzahnung des Stückes 51a darstellt. Dies bedeutet einen erheblichen Vorteil bei der Motorenherstellung.

Außer der Winkelverschiebung der beiden Gruppen von Zähnen innerhalb eines Polstückes kann man bei einem Motor, der zwei gegenüberliegende Statorverzahnungen aufweist, auch eine Verschiebung der Gesamtheit jeder der beiden gegenüberliegenden Verzahnungen zueinander um '/8 Schritt vorsehen, um zusätzlich eine entgegengesetzte Phasenlage der beiden Gruppen von Harmonischen 4 des magnetosiatisehen Restdrehmomentes zu erzielen. Eine derartige Anordnung bedingt jedoch eine sehr gute Symmetrie der beiden Polstücke bezüglich der Läuferpole um nicht den Einfluß einer der beiden Gruppen zu verstärken, das heißt einer der beiden Statorverzahnungen. Die Winkelverschiebungen innerhalb jeder Verzahnung und zwischen den Verzahnungen in ihrer Gesamtheit können miteinander kombiniert werden.

Weitere Ausführungsbeispiele bestehen darin, Statorverzahnungen mit regelmäßigen Abständen vorzusehen und auf dem Läufer zwei Gruppen von Polpaaren in ähnlicher Weise zu verschieben, wie es beispielsweise für die Zähne la im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ist.

Der mittlere Teil der Polstücke des Ständers gemäß Fi g. 5 kann auch eine ausgeschnittene Form aufweisen zur Bildung einer zweiten, zentralen Zahnanordnung und zur Erzeugung eines magneiosiatischen Kopplungsmomentes, wie es beispielsweise in der DE-OS 24 52 131 beschrieben ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Schrittmotor mit einem aus einer Spule und einem Kern und zwei einander gegenüberstehenden Polstücken bestehenden Ständer, von denen zumindest ein Polstück mit N Zähnen ausgebildet ist und mit einem zwischen den Polstücken angeordneten permanentmagnetischen Läufer, bei dem N Polpaare derart gebildet sind, daß auf seiner Oberfläche 2 N Pole jeweils voneinander abwechselnder Polarität auftreten, wobei entweder die Zähne des Ständers oder die Pole des Läufers mit einem gleichmäßigen, gegenseitigen Abstand um die Läuferachse herum verteilt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Zähne (la, 5a; 51a", 55a"^ zumindest des einen Polstücks (1, 5; 51a, 55a) oder die Polpaare des Läufers (Scheibe 7; 57) in zwei Gruppen gleicher Anzahl und jeweils gleichem Winkelabstand, der 2 πΙΝ beträgt, unterteilt sind, während die beiden Gruppen zueinander eine Winkelverschiebung von ;r/4A/aufweisen.

2. Elektrischer Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Polstück (5) eine gleichmäßige Oberfläche aufweist.

3. Elektrischer Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Polstücke (1, 5) mit Zähnen (la, 5a) versehen sind und daß nur eines der beiden Polstücke (1,5) die beiden gegeneinander verschobenen Gruppen von Zähnen (la, 5a) aufweisen.

4. Elektrischer Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Polstücke (1,5) mit Zähnen (la, 5a^ versehen sind und gegeneinander verschobene Gruppen von Zähnen (la, 5a) aufweisen.

5. Elektrischer Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Polstücke (1, 5) gleich ausgeführt sind und eine Winkelverschiebung zueinander von jr/4/V aufweisen.

6. Elektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Polstücke einander in axialer Richtung gegenüberstehen und der Läufer scheibenförmig ausgebildet und axial magnetisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (5Ia", 55a")dtr Polstücke (51a, 55a)radial innen über einen Ring(51a',55aymiteinander und zumindest ein Zahn radial nach außen über einen Arm (5a"' 55a"V mit jeweils dem einen Ende des Kerns der Spule (56) in Verbindung stehen (vergleiche F i g. 5 und 6).

7. Elektrischer Schrittmotor nach Anspruch 6, wobei die Scheibe eine ringförmige mittlere Zone aufweist, die axial derart magnetisiert ist, daß in dieser Zone die Scheibenoberfläche N Pole jeweils voneinander abwechselnder Polarität gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teil eines 1 jeden Polstückes (51a) eine innere Verzahnung bildet, deren Zähne regelmäßig um die Läuferachse herum angeordnet sind.

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