DE10257906A1

DE10257906A1 - Schrittmotor mit mehreren Statoren

Info

Publication number: DE10257906A1
Application number: DE10257906A
Authority: DE
Inventors: Chang-Yung Feng; Hung-Tse Lin
Original assignee: Primax Electronics Ltd
Current assignee: Primax Electronics Ltd
Priority date: 2002-04-25
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2003-11-27
Also published as: GB0229135D0; JP2003319625A; GB2389969A; FR2839215A1; US20030201677A1; TWI296875B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor (30) mit einem Rotor (32) und wenigstens zwei Statoren (34, 36). Die beiden Statoren (34, 36) sind um den Rotor (32) herum angeordnet und weisen eine unterschiedliche Anzahl magnetischer Pole auf, um unterschiedliche Schrittwinkel zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schrittmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Schrittmotoren werden in Vorrichtungen verwendet, in denen eine hochpräzise Steuerung notwendig ist, da deren Winkelverstellung und Drehgeschwindigkeit über ein Steuersystem mittels der elektrischen Leistung steuerbar ist. Variable Reluktanzmotoren und Permanentmagnetmotoren sind die üblichen Arten von Schrittmotoren. Mit den sich schnell entwickelnden Informationsprodukten werden Schrittmotoren üblicherweise in Steuersystemen von digitalen Produkten verwendet, um gewünschte Positionier- und Geschwindigkeitserfordernisse dieser Produkte zu erzielen.
Ein typischer Schrittmotor weist einen einzigen, mehrpoligen Permanentmagnetrotor auf, der in vollen, halben oder viertel Schritten relativ zu einem einzigen Stator, welcher mehrere elektromagnetisch zur Verfügung gestellte Pole aufweist, dreht. In Anbetracht des Gewichts des Rotors, der Massenträgheit einer vom Rotor angetriebenen Vorrichtung, der Präzision von Steuerströmen und anderen damit zusammenhängenden Abweichungen ist eine präzise Steuerung durch Magnetkraft schwierig. Dieses Problem kann teilweise durch Erhöhen der Anzahl der Pole auf dem Rotor und dem Stator gemindert werden, wobei jedoch dies die Rotationsgeschwindigkeit des Schrittmotors hemmt. Typische Schrittmotoren können nicht gleichzeitig die von modernen, elektronischen Vorrichtungen geforderte, ausreichend hohe Präzision bei geeigneter hoher Drehgeschwindigkeit zur Verfügung stellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schrittmotor der o. g. Art mit verbesserter Präzision bei gleichzeitig hoher Drehgeschwindigkeit zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schrittmotor der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung noch genauer ergibt, weist der erfindungsgemäße Schrittmotor zwei Statoren mit jeweils unterschiedlicher Anzahl von magnetischen Polen auf, so daß unterschiedliche Schrittwinkel zur Verfügung stehen. Die unterschiedlichen Schrittwinkel der Statoren machen es möglich, daß sich der Rotor mit variierender Rotationsgeschwindigkeit und Präzision drehen kann. Die Statoren können einzeln oder gemeinsam betrieben werden, um viele unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten und Präzisionen darzustellen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:
Fig. 1 einen im Stand der Technik bekannten Schrittmotor in schematischer Schnittansicht,
Fig. 2 den bekannten Schrittmotor von Fig. 2 in schematischer Seitenansicht,
Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schrittmotors in schematischer Seitenansicht,
Fig. 4 den ersten Stator des erfindungsgemäßen Schrittmotors von Fig. 3 in schematischer Schnittansicht,
Fig. 5 den zweiten Stator des erfindungsgemäßen Schrittmotors von Fig. 3 in schematischer Schnittansicht,
Fig. 6 einen Dokument-Scanner in perspektivischer Ansicht.
Der aus Fig. 1 ersichtliche, bekannter Schrittmotor 10 umfaßt einen Rotor 12 und einen Stator 14. Der Stator 14 umgibt den Rotor 12 und ist außen fixiert, wogegen sich der Rotor 12 auf einer Welle drehen kann. Der Rotor 12 ist als Permanentmagnet mit 6 gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten, magnetischen Nordpolen R1 bis R6 ausgebildet, wobei jeder Pol um 60 Grad von den benachbarten Polen beabstandet ist. Der Stator 14 umfaßt 8 Magnetpole L1 bis L8, welche von Spulen A und B ausgebildet sind, die um Elektromagnete M1 bis M8 gewickelt sind, wobei jeder Magnetpol um 45 Grad von den benachbarten Polen beabstandet ist. Die Polarität eines jeden Magnetpoles wird durch die Wickelrichtung der Spulen A und B und die Polarität der an den Spulen A und B anliegenden, elektrischen Spannung bestimmt.
Der Schrittmotor 10 dieses Beispiels umfaßt zwei Sätze von Spulen A und B. Spule A ist um die Magnetpole L1, L3, L5 und L7 gewickelt. Jeder Magnetpol L1, L3, L5 und L7 ist bzgl. der jeweiligen Wicklungsrichtung unterschiedlich ausgebildet, um unterschiedliche Magnetpole bei Anwendung eines elektrischen Stromes auszubilden. In entsprechender Weise ist die Spule B um die Magnetpole L2, L4, L6 und L8 in einer zur Wicklung der Spule A vergleichbaren Art und Weise gewickelt. In den Schrittmotor 10 ist eine Steuerung 16 integriert und elektrisch mit den Spulen A und B verbunden, um den Stromfluß durch die Spulen A und B sowie implizit die Drehgeschwindigkeit des Rotors 12 in dem Schrittmotor 10 zu steuern.
Während einer bestimmten Zeitspanne, während der die Spule A leitet aber die Spule B nicht leitet, werden die dem Rotor 12 zugewandten Elektromagnete M1, M5 magnetische Südpole. Die Pole L1, L5 des Stators 14 ziehen jeweils die Pole R1, R4 des Rotors 12 an und führen dazu, daß die Polspulen L1, L5 den Polen R1, R4 gegenüber stehen. Nun sind die Pole R2, L2 sowie R5, L6 beide um 15° zueinander entgegen dem Uhrzeigersinn versetzt und die Pole R3, L4 sowie R6, L8 sind beide um 15° zueinander im Uhrzeigersinn versetzt. Die Pole R6, R7 sind um 30° zueinander entgegen dem Uhrzeigersinn versetzt.
In einer anderen Zeitspanne, während der die Spule A leitet und die Spule B nicht leitet, werden die dem Rotor 12 zugewandten Elektromagnete M2, M6 magnetische Südpole. Der Pol L2 und der Pol L6 des Stators 14 ziehen die Pole R2 und R5 des Rotors 12 an, wodurch sich der Rotor 12 gegen den Uhrzeigersinn um 15° dreht, so daß die Pole L2 und L6 jeweils den Polen R2 und R5 direkt gegenüber stehen.
Wenn dann die Spule A wiederum leitet, werden die Enden der Elektromagnete M3 und M7 magnetische Südpole. Die Elektromagnete M3, M7 des Stators 14 ziehen die Pole R3, R6 des Rotors 12 an, wodurch sich der Rotor 12 entgegen dem Uhrzeigersinn um 15° dreht, so daß die Elektromagnete M3, M7 den Polen R3, R6 des Rotors 12 direkt gegenüber stehen.
Wenn die Polaritäten der dem Rotor 12 zugewandten Enden der Elektromagnete M4, M8, der Elektromagnete M1, M5 und der Elektromagnete M2, M6 nacheinander derart gewechselt werden, daß diese als magnetische Südpole erscheinen, dann dreht sich der Rotor 12 entgegen dem Uhrzeigersinn mit einem Schrittwinkel von 15°. Je schneller sich der Strom in den Spulen A und B ändert, desto schneller dreht sich der Rotor 12. Es ist zu bemerken, daß sich der Schrittwinkel nicht ändert und daß sich eine Umkehrung der Drehrichtung durch Ändern der Stromrichtung erzielen läßt.
Oben ist das Arbeitsprinzip des Schrittmotors 10 für jeden Schritt, bei dem der Rotor 12 dreht, erläutert. Natürlich kann dieser Schrittmotor 10 auch um einen halben Schritt oder einen viertel Schritt gemäß den nachfolgend beschriebenen Prinzipien gedreht werden.
Um den Schrittmotor 10 zum Ausführen eines halben oder viertel Schrittes anzusteuern, wird den Spulen A und B elektrische Ladung derart zugeführt, daß zwei benachbarte, dem Rotor 12 zugewandte Magnete zu magnetischen Südpolen werden. Beispielsweise führt ein Stromfluß in beiden Spulen A und B gleichzeitig dazu, daß die Enden der Elektromagnete M2, M3 und die Enden der Elektromagnete M6, M7 magnetische Südpole werden. Der den Spulen A und B zugeführte Strom muß jedoch nicht der gleiche sein. Wenn beispielsweise Spule B einen größeren Strom erhält, dann haben die magnetischen Südpole der Elektromagnete M2, M6 eine stärkere Polarität als die Elektromagnete M3, M7 und der Rotor dreht sich ein wenig entgegen dem Uhrzeigersinn. Daher kann mit der Einstellung einer Stromdifferenz zwischen den Spulen der Schrittmotor 10 zum Ausführen von Drehungen mit halben oder viertel oder anderen Mikroschritten angesteuert werden. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, umfaßt der bekannte Schrittmotor 10 eine Antriebswelle 18, welche zwischen dem Rotor 12 und einem externen Getrieberad 18 befestigt ist, welches die Rotationsenergie vom Rotor 12 auf das Getrieberad 18 überträgt. Das Getrieberad 18 ist mit einer externen Ausgabeeinrichtung verbunden, um dieses anzutreiben.
Obwohl der bekannte Schrittmotor 10 durch entsprechendes Steuern des Eingangsstromes in halben oder viertel Schritten drehen kann, ist es immer noch nicht möglich, den Rotor 12 mittels Magnetkraft präzise zu steuern. Abweichungen in mehreren Faktoren, wie dem Gewicht des Rotors, dem Gewicht der angetriebenen Vorrichtung, der Präzision des Steuerstromes und jede andere damit verbundene Abweichung verschlechtern die Präzision des Gesamtsystems. Beispielsweise hat ein bekannter Schrittmotor 7% Abweichung, wenn er einen Schritt dreht, 30% Abweichung, wenn er einen halben Schritt dreht, und eine noch schlimmere Abweichung, wenn er einen viertel Schritt dreht. Daher ist der bekannte Schrittmotor 10 nicht geeignet für Anwendungen, bei denen eine Präzise Steuerung notwendig ist.
Natürlich kann die Drehabweichung durch Erhöhen der Anzahl der Nord- und Südpole des Rotors 12 und des Stators 14 verringert werden, da sich dann der Schrittmotor 10 um einen vollen Schritt, anstatt um einen halben Schritt oder einen Mikroschritt dreht. Dies hat jedoch den Nachteil, daß keine hohen Rotationsgeschwindigkeiten mehr erreicht werden, da die Drehung des Rotors 12 durch den Strom in den Spulen A und B gesteuert wird, wobei sich der Rotor 12 um so schneller dreht, je schneller sich dieser Strom ändert. Aufrund einer begrenzten Antwortzeit zwischen den Magnetpolen und den Elektromagneten ist es für den Strom in den Spulen A und B dementsprechend schwer, sich schnell zu ändern. Wenn daher der Schrittwinkel des Schrittmotors 10 zu klein ist, kann dieser keine hohen Rotationsgeschwindigkeiten mehr erreichen.
Wie oben dargelegt, kann der bekannte Schrittmotor nicht gleichzeitig den beiden Anforderungen nach hoher Präzision und hoher Rotationsgeschwindigkeit genügen. Im Allgemeinen benötigen bewegte Vorrichtungen jedoch Bewegungssysteme mit sowohl hoher Präzision als auch hoher Rotationsgeschwindigkeit. Der bekannte Schrittmotor 10 kann jedoch nur eines von beiden zur Verfügung stellen.
Die aus Fig. 3 ersichtliche, bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schrittmotors 30 ist als Permanentmagnetmotor mit einem Rotor 32, einem ersten Stator 34, einem zweiten Stator 36, einer ersten Steuerung 38 und einer zweiten Steuerung 40 ausgebildet. Der Rotor kann sich auf einer festen Welle drehen; der erste Stator 34 und der zweite Stator 36 sind bzgl. des Rotors 32 außerhalb fixiert. Die erste Steuerung 38 steuert zum Drehen des Rotors 12 den Strom in den Spulen des ersten Stators 34. Die zweite Steuerung 40 steuert zum Drehen des Rotors 12 den Strom in den Spulen des zweiten Stators 36. Somit kann der Rotor 32 sowohl vom ersten Stator 34 als auch vom zweiten Stator 36 drehend abgetrieben werden.
Der erfindungsgemäße Schrittmotor 30 umfaßt ferner eine Welle 42, welche den Rotor 32 drehfest mit einem Getrieberad 44 verbindet, um die Rotationsantriebsenergie vom Rotor 32 auf das Getrieberad 44 zu übertragen. Das Getrieberad 44 ist mit einer Ausgabevorrichtung verbunden und treibt diese an. Zum Trennen der in dem ersten Stator 34 und dem zweiten Stator 36 erzeugten Magnetfelder, um eine magnetische Induktion zwischen dem ersten Stator 34 und dem zweiten Stator 36 zu verhindern, ist ein Metallblech 46 zwischen dem ersten Stator 34 und dem zweiten Stator 36 angeordnet.
Die Fig. 4 und 5 zeigen jeweils den ersten Stator 34 und den zweiten Stator 36. Der jeweilige Aufbau von erstem Stator 34 und zweitem Stator 36 entspricht im wesentlichen dem Stand der Technik. Der aus Fig. 4 ersichtliche erste Stator 34 umfaßt mehrere Magnetpole D1 bis D8, welche von Elektromagneten C1 bis C8 ausgebildet werden, die von Spulen 48A und 48B umgeben sind. Die erste Steuerung 38 stellt zum Steuern der Drehung des Rotors 32 den Stromfluß in den Spulen 48A und 48B ein. Der aus Fig. 5 ersichtliche zweite Stator 36 umfaßt mehrere Magnetpole F1 bis F16, welche von Elektromagneten E1 bis E16 ausgebildet werden, die von Spulen 50A und 50B umgeben sind. Die zweite Steuerung 40 stellt zum Steuern der Drehung des Rotors 32 den Stromfluß in den Spulen 50A und 50B ein. Der zweite Stator 36 weist mehr Magnetpole auf als der erste Stator 32 und das Verhältnis der Anzahl der Magnetpole von zweitem Stator 36 zu erstem Stator 32 ist eine ganze Zahl. Beim Antrieb des Rotors 32 weist daher der erste Stator 34 einen größeren Schrittwinkel auf als der zweite Stator 36.
Der Rotor 32 wird also von dem ersten Stator 34 und dem zweiten Stator 36 angetrieben, wobei der Schrittwinkel, mit dem der erste Stator 34 den Rotor 32 antreibt, größer ist als der Schrittwinkel des zweiten Rotors 36. Daher wird der erste Stator 34 zum Antrieb des Rotors 32 angesteuert, wenn der Schrittmotor 30 mit hoher Rotationsgeschwindigkeit gedreht werden soll. Andererseits wird der zweite Stator 36 zum Antrieb des Rotors 32 angesteuert, wenn der Schrittmotor 30 mit hoher Präzision drehen soll.
Die Anzahl der Elektromagnete C_i des ersten Stators 34 und E_i des zweiten Stators bestimmt sich nach dem erforderlichen Schrittwinkel. Wenn das Getrieberad 44 des Schrittmotors 30 einen Abstandswinkel für jeden Getriebezahn von 7,5° aufweist, dann beträgt der Schrittwinkel des ersten Stators 34 vorzugsweise das Doppelte von 7,5°, d. h. also 15°. Der Schrittwinkel des zweiten Stators 36 beträgt vorzugsweise die Hälfte von 7,5°, d. h. also 3,75°. Daher kann der Schrittmotor 30 um einen halben Getriebezahn (3,75°) gedreht werden, indem der Rotor 32 mit dem zweiten Stator 36 um einen vollen Schritt gedreht wird, anstatt mit einem halben Schritt, gemäß dem Stand der Technik. Der volle Schritt gemäß der Erfindung führt zu einer kleineren Abweichung im Vergleich zu einem halben Schritt gemäß dem Stand der Technik. Daher ist der Antrieb des Rotors 32 mit dem zweiten Stator 36 für eine präzise Steuerung geeignet.
Ein herkömmlicher Schrittmotor 10 weist bei einer Drehung um einen vollem Schritt eine Abweichung von 7% und bei einer Drehung um einen halben Schritt eine Abweichung von 30% auf. Dadurch kann also bei dem erfindungsgemäßen Schrittmotor 30 die Abweichung bei einer Drehung um einen halben Getriebezahn von 30% auf 7% gesenkt werden, was die Präzision der Bewegung des Getrieberades 44 erheblich erhöht. Wenn das Getrieberad 44 mit hoher Geschwindigkeit gedreht werden soll, dann treibt der erfindungsgemäße Schrittmotor 30 den Rotor 32 mittels des ersten Stators 34 an, dessen Schrittwinkel 15° beträgt. Bei einer Änderung des Stroms in den Spulen 48A und 48B des ersten Stators 34 dreht sich der Rotor 32 um 15°. Beim bekannten Schrittmotor 10 mußte sich der Strom in den Spulen A und B des Stators 14, der einen Schrittwinkel von 7,5° aufweist, für eine Drehung des Rotors 12 um 15° zweimal ändern. Wenn also die Antwortzeit der Änderung der Stromrichtung bei dem erfindungsgemäßen Schrittmotor 30 gleich ist, wie bei dem bekannten Schrittmotor 10, dann kann sich der erfindungsgemäße Schrittmotor 30 im Vergleich zum bekannten Schrittmotor 10 doppelt so schnell drehen. Somit kann der erfindungsgemäße Schrittmotor 30 durch wahlweise wechselndes Ansteuern des ersten Stators 34 und des zweiten Stators 36 gleichzeitig eine hohe Rotationsgeschwindigkeit und eine hochpräzise Steuerung des Rotors 32 zur Verfügung stellen.
Der aus Fig. 6 ersichtliche Scanner 52 umfaßt ein Scannermodul 54 zum Einscannen eines Dokumentes 56, wobei das Scannermodul 54 von dem Schrittmotor 30 vor und zurück bewegt wird. Das Dokument 56 wird in einem Scanbereich 60 auf ein Vorlagenglas 58 gelegt, wobei das Scannermodul 54 einen Übergangsbereich 62 passieren muß, bevor es den Scanbereich 60 erreicht.
Damit des Scannermodul 54 den Übergangsbereich 62 mit hoher Geschwindigkeit passiert, treibt der Schrittmotor 30 den Rotor 32 bis zum erreichen des Scanbereiches 60 mit dem ersten Stator 34 an, um Zeit zu sparen, die ansonsten beim Passieren des Übergangsbereiches verschwendet wird. Wenn das Scannermodul 54 in den Scanbereich 60 eintritt, dann treibt der Schrittmotor 30 den Rotor 32 mit dem zweiten Stator 36 an, so daß das Dokument mit kleiner Schrittweite des Rotors 32 abgetastet wird, was eine höhere Präzision und damit eine höhere Auflösung erzielt. Der erfindungsgemäße Schrittmotor 30 kann auch in andere elektronische Vorrichtungen eingebaut werden, wie beispielsweise einen Drucker, wobei der erfindungsgemäße Schrittmotor 30 die Bewegung eines Druckkopfes des Druckers steuert.
Die Phasen des ersten Stators 34 und des zweiten Stators 36 müssen nicht notwendigerweise gekoppelt sein, da der Schrittmotor 30 den Vorteil ausnutzen kann, daß wahlweise nur die erste Steuerung 38 oder die zweite Steuerung 40 zum Ansteuern des Rotors 32 verwendet wird. Natürlich kann die Anzahl der Elektromagnete C_i des ersten Stators 34 gleich der Anzahl derjenigen des zweiten Stators 36 sein. Ein derartiger Aufbau ist in solchen Vorrichtungen erforderlich, bei denen ein hohes Drehmoment benötigt wird. Bei diesem Aufbau werden die entsprechenden Ströme in den Magnetpolen des ersten Stators 34 und des zweiten Stators 36 zum Antrieb des Rotors 32 gleichzeitig eingeleitet, was zu einem höheren Drehmoment führt.
Im Gegensatz zum Stand der Technik umfaßt der erfindungsgemäße Schrittmotor 30 zum Antrieb des Rotors 32 wenigstens zwei Statoren 34 und 36. Der Schrittwinkel des ersten Stators 34 ist größer, um den Rotor 34 mit hoher Geschwindigkeit anzutreiben. Der Schrittwinkel des zweiten Stators 36 ist kleiner, um den Rotor 32 mit hoher Präzision anzutreiben. Daher kann der Schrittmotor der vorliegenden Erfindung gleichzeitig dem Erfordernis einer hohen Rotationsgeschwindigkeit und dem Erfordernis einer hohen Präzision gerecht werden. Natürlich ist die Anzahl der Statoren nicht auf zwei beschränkt. Je nach Notwendigkeit und Einsatzbedingungen können auch weitere Statoren hinzugefügt werden.

Claims

1. Schrittmotor (30) mit einem Rotor (32) und wenigstens zwei Statoren (34, 36), die um den Rotor (32) herum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stator (34, 36) eine unterschiedliche Anzahl von Magnetpolen (D1-D8, F1-F16) aufweist, um unterschiedliche Schrittwinkel darzustellen.

2. Schrittmotor (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Statoren (34, 36) ein Trennelement (46) derart angeordnet und ausgebildet ist, daß dieses eine elektromagnetische Induktion zwischen den von dem Trennelement (46) getrennten Statoren (34, 36) verhindert.

3. Schrittmotor (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Steuerungen (38, 40) zum jeweils getrennten Ansteuern der Statoren (34, 36) vorgesehen sind.

4. Schrittmotor (30) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Phasen der Statoren (34, 36) gleich und die Statoren (34, 36) in der Lage sind, aufeinanderfolgend Elektrizität zu leiten, um eine sequentielle Drehung des Rotors (32) zu induzieren.

5. Schrittmotor (30) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Phasen der Statoren (34, 36) ungleich sind.

6. Schrittmotor (30) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als Permanentmagnetmotor ausgebildet ist.

7. Schrittmotor (30) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zum Antrieb eines Modulelementes einer elektronischen Vorrichtung verwendet wird.

8. Schrittmotor (30) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Vorrichtung ein Scanner (52) und das Modulelement ein Scannermodul (54) ist.

9. Schrittmotor (30) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Vorrichtung ein Drucker ist.