DE2903295A1

DE2903295A1 - Wechselstrom-servomotor fuer hochdynamische antriebe

Info

Publication number: DE2903295A1
Application number: DE19792903295
Authority: DE
Inventors: Hans-Helmut Dr Ing Feldmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1979-01-29
Filing date: 1979-01-29
Publication date: 1980-07-31
Also published as: DE2953307A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselstrom-Servo-
motor für hochdynamische Antriebe Hochdynamische Servomotors werden auf vielen Gebieten der Automatisierungstechnik und bei elektronischen Schreib-und Druckwerken sowie magnetischen Speichersystemen benötigt Es ist bereits bekannt, für hochdynamische Antriebe Gleichstrom-Scheibenläufermotore zu verwenden, bei denen im Luftspalt einer Permanentmagnet-Anordnung eine nach Art der gedruckten Schaltungen ausgebildete, mit Leitungerzügen versehene Scheibe rotiert, wobei die Leiterzüge die Ankerwicklung bilden. Zur Erzeugung des Permanentmagnetfeldes sind zu beiden Seiten der Scheibe bis zu etwa 20 Permanent magnete erforderlich Der auf der Scheibe angeordneten Wicklung wird über Bürsten und einen Kommutator ein Gleichstrom zugeführt; das Bürsten-Kommutatorsystem unterliegt durch Reibung und Funkenbildung einer Abnutzung (Zeitschrift "Engineering", März 1975, S. 199 - 202).
Es sind auch Gleichstrom Servomotoren bekannt, bei denen ebenfalls ein eisenioser Läufer verwendet wird, der in Form einer selbsttragenden glockenförmigen Wicklung mit spezieller Wickelart ausgebildet ist, der im Luftspalt zwischen einem Permanentmagneten und dem als magnetischer Rückschluß wirkenden Motorgehäuse rotiert. Zur Glcichst romzufiihrung für die Wicklung sind ebenfalls im Werkstoff und konstruktiv ein speziell ausgebildeter Kommutator und Bürsten erforderlich.
Um den auftretenden Fliehkräften zu widerstehen, muß die aus dünnem Kupferdraht bestehende Wicklung einem Verfestigungsprozeß unterworfen werden. Wegen des Wechselflusses in der Wicklung kann ein metallischer Träger (Wirbelstromverluste) nicht verwendet werden (Druclcschrift "escap", Gleichstrom-Servomotoren, Jan. 1977). Beim Einsatz derartiger Gleichstrom Servomotoren für Positionierullgsaufgaben benötigen diese stets einen Lageregelkreis.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hochdynamischen Servomotor zu schaffen, bei dem Wicklungen für den Läufer sowie ein Kommutator-Bürstensystem nicht erforderlich sind und der auch ohne Lageregelkreis für Positionierungsaufgaben einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst.
Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Motor keinen Kommutator hat, daß er wegen des kleinen Trägheitsmomentes des Rotors gute dynamische Eigenschaften aufweist und daß die Möglichkeit besteht, diesen als Synchron- oder Schrittmotor zu betreiben, daß der Motor als Positionierungsantrieb ohne und mit Stellungsrückmelden verwendet werden kann und daß die drei Haupt teile des Motors, nämlich Stator mit Wicklung1 Läufer und magnetischer Rückschluß sehr einfach herstellbar sind und für den Träger der Streifenmagneten kann ein eine hohe Formstabilität ergebender Metallbecher verwendet werden, in welchem keine Wirbelströme erzeugt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. l den Aufbau des erfindungsgemäßen Motors in auseinandergezogener Darstellung, Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Motores, Fig. 3 eine weitere Motorausbildung im Schnitt, Fig. 4 eine elektronische Schaltung zur Steuerung des Motors.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, umfaßt der Motor einen üblichen ringförmigen Stator l, dem eine erste übliche Lagerschale 2 zugeordnet ist, einen Läufer 3, der mit einer Welle 4 verbunden ist, und einen stabförmigen ferromagnetischen Kern 5 mit einer zweiten üblichen Lagerschale 6.
Der Teil l besteht aus einem lamellierten Stator-Blechpaket 7 mit einer aufgebrachten mehrsträngigen Erregerwicklung 8; er kann eine beliebige Anzahl von Polen aufweisen. Die Lagerschale 2 kann durch Schrauben mit dem Eisenlcern 7 verbunden sein.
Der in dem Ringspalt 9 rotierende Läufer 3 ist becherförmig ausgebildet, wobei der Becherboden 10 mit der Motorwelle 4 verbunden ist; der becherförmige Läufer 3 kann beispielsweise aus dünnwandigem Stahl bestehen und er trägt auf der Innenseite eine Mehrzahl von streifenförmigen Permanentmagneten 11 mit hohem Energieprodukt und hoher Koerzitivfeldstärke, deren Werkstoff beispielsweise aus Kobalt und seltenen Erden, wie Samarium-Kobalt besteht. Die Der manetmagnete 11 erstrecken sich parallel zur Richtung der Welle 4.
Die Anzahl der Magnete II ist auf die Zahl der Stränge der Erregerwicklung 8 abgestimmt und die Magnete sind abwechselnd entgegengesetzt magnetisiert.
Der Stahlbecher 3 niont die von den Magneten 11 auftretenden Fliehkräfte auf und überträgt das Drehmoment auf die Welle 4.
Der Stahlbecher kann innen auch mit dem Magnetwerkstoff beschichtet und dieser dann entsprechend mehrpolig magnetisiert werden. Anstelle des Stahlbechers mit innen angeordneten SmCo5-Magneten kann auch ein Becher verwendet werden1 der aus einem Zweischichtenwerkstoff aus verpreßtem und gesintertem Fe-Pulver und SmCo5-Pulver besteht, wobei die Innenschicht die streifenförmigen SmCo5-Zonen aufweist.
5 Der stabförmige Kern 5 ist lamelliert und mit einer Bohrung 12 für den Durchgang der Motorwelle 4 versehen. Der Eisenkern 5 ist mit einer weiteren üblichen Lagerschale 6 in geeigneter Weise verbunden und er dient als magnetischer Rückschluß.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, rotiert der becherförmige Läufer 3 im Luftspalt zwischen dem Stator 1 und dem stabförmigen Kern 5, der in den Läufer 3 bis in Nähe des Bodens 10 ragt. Der Läufer 3 kann auch nur einseitig gelagert sein.
Die Fig. 3 zeigt einen Motor, bei welchem der feststehende Stator l mit Wicklung 8 innen liegt und vom becherförmigen, mit Permanentmagneten 1-1 ausgerüsteten Element 3 umgeben ist, während der magnetische Rückschluß 5 ringförmig ausgebildet ist und außen liegt.
Bei Erregung entsprechender Gruppen der Statorwicklung 8 entsteht ein Drehfeld; das becherförmige polarisierte Magnet-Element 3 läuft synchron mit dem erzeugten Drehfeld mit.
Vorteilhaft wird der Synchronmotor als Schrittmotor betrieben. Werden die Gruppen der Erregerwicklung 8 ein- und ausgeschaltet, dann springt das Drehfeld und es entsteht ein Schrittmotorvcrhalten.
Entsprechend der vorgesehenen Polzahl wird der Motor entsprechende Schritte machen. Durch Dosierung der Erregerströme (Stufenströme) können weitere Zwischenschritte erzeugt werden, wie anhand der Fig. 4 näher er'äutert wird.
Dargestellt ist lediglich ein einzelner Wicklungsstrang 8 des Motors, Angenommen ist, daß die Stränge nur in einer Richtung durchflutet werden, so daß parallel zum Wicklungs strang 8' eine Freilaufdiode 13 angeordnet ist; zwecks besserer Wicklungsausnutzung kann auch eine Brückenschaltung verwendet werden, so daß die Wicklungsstränge in beiden Richtungen durchflutet werden.
Der Strangstrom wird mittels eines Widerstandes 14 (Shunt) in eine Spannung umgesetzt, die einem Eingang eines rückgekoppelten Operationsverstärkers 15 mit monostabilem Kippverhalten zugeführt ist, der einen Leistungs-Transistor 16 steuert. Der Emitter des Transistors 16 ist mit dem Pluspol einer Speisequelle 17 und der Kollektor mit dem Wicklungsstrang 8' verbunden, während der Widerstand 14 mit dem Minuspol der Speisequelle 17 verbunden ist. Die Elemente 14 bis 17 bilden einen Stromregler.
An den anderen Eingang des Operationsverstärkers ist eine Spannung angelegt, durch welche die Stromamplitude vorgegeben wird. Diese Spannung wird von einem Digital-Analog-Umsetzer i8 erzeugt, auf welchen ein durch ein jeweiliges Adressensignal 20 aufgerufener Zahlenwert eines Speichers i8 übertragen wird. Die Umsetzungsfunktion des Adressensignals in einen Stromwert kann im Rahmen der Kapazität des Speichers 19 und des Digital-Analog-Umsetzers 18 für jedes Adressensignal beliebig gewählt werden.
Die Adressensignale 20 können beispielsweise aus einem digitalen Geschwindigkeits- und/oder Lageregelkreis gebildet sein, wobei die Position der Motorwelle 4 durch einen inlcrementalen Wirikelgeber erfaßt wird.
Für jeden Strang des Servomotors ist die Steuereinrichtung nach Fig. 4 vorgesenen.
Eine Verringerung des Aufwandes ist möglich, indem eine gemeinsame Spannungsquelle 17 verwendet wird und der Speicher 19 und Digital-Analog-Umsetzer in Multiplex-Technik arbeiten.
Die Belegung des Speichers 19 kann derart gewählt werden, daß aus dem gegebenen Verlauf des Adressensignals 20 ein Drehfeld im Motor erzeugt wird, dessen Feldvektor sich entsprechend der Auflösung des Digital-Analog-Umsetzers 18 in feine Stufen in äquidistanten Schritten dreht und dabei den Rotor 3 mitnimmt. Durch Feldverteilung bedingte Nichtlinearitäten des Motors können hierbei über die Speicherbelegung kompensiert werden.
Es ergibt sich somit ein elektromotorisches Positionierungs system hoher Dynamik, dessen Auflösung einem hochpoligen Schrittmotor entspricht, wobei die Nachteile des Schrittmotors, wie Gefahr von Schrittverlusten durch Überschwingen, stoßartige Drehbewegung, niedrige Schrittfrequenz, verrnieden sind.

Claims

Patent ansprüche 1. Wechselstrom-Servomotor für hochdynamische Antriebe, gekennzeichnet durch einen Statot (1) mit mehrsträngiger Wicklung, durch. ein in oder um den Stator (1) rotierendes, von einer Welle (4) getragenes becherförmiges Element (3), welches auf seinem Umfang parallel zur Längsrichtung der Welle (4) streifenförrnge permanentmagnetische, abwechselnd entgegengesetzt magnetisierte Zonen (11) aufweist und durch ein feststehendes, in das becherförmige Element (3) ragendes oder dieses umgebende ferromagnetische, den magnetischen Rückschluß bildende Element (5).
2. Steueranordnung für einen Servomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Strang (8t) der Statotwicklung ein elektronischer Stromregler vorgesehen ist, der für den Strang aus Adressensignalen (20) abgeleitete Stromstufen bildet.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Adressensignale (20) einem mit digitalen Stromstufen belegen Speicher (19) zugeführt sind, dessen digitale Wörter (Zahlenwerte) an einen Digital-Analog-Umsetzer (18) gelangen, dessen analoge Ausgangs spannung den Stromregler steuert.