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Elektrodynamischer Schrittmotor Bei vielen Steuer- und Regelproblemen
ergibt sich die Aufgabe, mit Hilfe eines Schrittmotors definierte Bewegungen herbeizuführen.
Es sind bereits verschiedene Ausführungsformen bekanntgeworden, die je-
doch
sämtlich eine Sonderbauart von Motoren erforderlich machen und daher relativ hohen
Aufwand bedingen. Außerdem ist das erzielbare Drehmoment klein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden
und einen einfachen, auf einem neuartigen Funktionsprinzip beruhenden Schrittmotor
zu schaffen.
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Der elektrodynamische Schrittmotor nach der Erfindung ist gekennzeichnet
durch ein Erregungssystem im Ständer, das permanentmagnetisch oder mittels einer
gleichstromgespeisten Wicklung ein Erregeffeld erzeugt, durch ein Beschleunigungssystem
in Form einer gegen das Erregerfeld am Ständerumfang versetzten, impulsweise erregbaren
Wicklung und durch ein Rastsystem, das den Läufer in definierten aufeinanderfolgenden
Stellungen festhält.
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Die Funktion des Schrittmotors nach der Erfindung beruht darauf, daß
einem Läufer, der sich im dauererregten Magnetfeld des Ständers befindet, induktiv
Stromstöße so zugeführt werden, daß der Läuferstrombelag die richtige räumliche
Lage zum Ständermagnetfeld hat. Dann erzeugt jeder Stromimpuls einen entsprechenden
Drehmomenthnpuls auf den Läufer, der dazu dient, den Läufer um eine Raste des Rastsystems
weiterzudrehen.
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Der grundsätzliche Vorteil des Schrittmotors nach der Erfindung besteht
darin, daß durch das Zusammenwirken von Strom und Magnetfeld, also elektrodynamisch,
wesentlich größere Stellkräfte erzeugt werden können als durch die bei Schrittmotoren
übliche magnetische Anziehung ferromagnetischer Bauteile allein.
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Grundsätzlich könnte das Rastsystem auch außerhalb des Motors angeordnet
sein, etwa in Form eines Klinkensperrwerks. Es ist jedoch vorteilhaft, Erregungs-
und Rastsystem in einer Maschine zu vereinigen. Dies ist dadurch erreichbar, daß
Ständer und Läufer mit Nuten versehen sind, so daß das Erregungssystem zugleich
als Rastsystem dient. Wie bereits erwähnt, kann das Erregungssystem aus einem Permanentmagneten
-bestehen. Günstiger ist es, das Erregerfeld mittels einer gleichstromgespeisten
Wicklung zu erzeugen, die gegebenenfalls in den Ständernuten verteilt oder auf ausgeprägten
Polen angeordnet sein kann.
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Man kann einen zweiphasig gewickelten Ständer heranziehen, wobei die
zwei Ständerwicklungen um 900 gegeneinander versetzt sind. Liegt ein dreiphasiger
Käfigläufermotor vor, so ist es möglich, zwei Phasenwicklungen einer dreiphasigen
Ständerwicklung derart zu schalten und mit Strom zu speisen, daß ein um 900
gegen das Feld der dritten Phasenwicklung versetztes Feld entsteht. Hierzu muß bekanntlich
im Phasendiagramm die Richtung einer Wicklung vertauscht werden. Dies ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn man den Motor nach Umschaltung auch als normalen SteRmotor
verwenden will. Zu diesem Zweck werden die drei Phasenwicklungen unmittelbar an
ein Drehstromnetz angeschlossen.
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Versieht man also den Läufer eines Induktionsmotors mit Nuten, so
kann er mit kombiniertem Erregungs- und Rastsystem gemäß der Erfindung als Schrittmotor
betrieben werden. Andere Änderungen im inneren Aufbau des Motors sind nicht erforderlich.
Im Interesse einer hohen Schrittfolge ist es allerdings zweckmäßig, einen Motor
mit kleinem Schwungmoment, d. h. geringem Läuferdurchmesser, zu wählen.
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Nähere Einzelheitdn des Erfindungsgegenstandes sollen im folgenden
an Hand der Zeichnung beschrieben werden, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch
dargestellt ist.
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Die Zeichnung zeigt einen Induktionsmotor mit einem zweiphasig geschalteten
Ständer 1 mit Nuten und einem Läufer 2 gleicher Nutenzahl. Die eine Ständerwicklung,
die mit E bezeichnet ist und als Erregungs- und Rastsystem dient, wird aus
einer bei 3
angedeuteten Gleichspannungsquelle dauernd erregt. Sie erzeugt
ein Feld 0,p in der angedeuteten Richtung.
Dieses Feld könnte
statt durch die Wicklung E auch permanentmagnetisch erzeugt werden.
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Die zweite Wicklung, die mit B bezeichnet ist und als Beschleunigungssystem
dient, ist über ein Halbleiterstromtor S, an eine weitere Gleichspannungsquelle
4 angeschlossen. Ihr Feld OB steht senkrecht zum Erregerfeld. Das Halbleiterstrorator
Si wird aus einem geeigneten Impulserzeuger 5 über einen Impulstransformator
6 im Takt der gewünschten Schritte gezündet.
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Bei jeder Zündung wird in der Wicklung B ein Magnetfeld aufgebaut.
Die Flußänderung induziert im, Käfigläufer eine Spannung, welche Ströme durch die
Stäbe des Käfigläufers zur Folge hat. Diese Ströme sind in der Figur angedeutet.
Im Zusammenwirken mit dem Erregerfeld OE greifen an den stromdurch-:flossenen Stäben
Kräfte p an, die den Läufer drehen.
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Das Erregerfeld läuft über den Weg mit geringstem magnetischem
Widerstand, d. h., es erzwingt eine solche Lage des Läufers, daß Ständer-
und Läufernuten einander gegenüberstehen. Das Erregerfeld wirkt somit auch, und
zwar mit hohem Drehmoment, einrastend. Damit jedoch die Bewegung des Läufers jeweils
nur eine Schrittlänge beträgt, darf die Beschleunigung eine bestimmte Größe, nicht
überschreiten. Daher muß auch der Impulsstrom durch die Wicklung B zeitlich begrenzt
werden.
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Zu diesem Zweck ist in den Stromkreis der Wicklung B ein kleiner ohmscher
Widerstand 7 geschaltet, an dem bei Stromfluß ein Spannungsabfall entsteht.
Dieser Spannungsabfall steuert einen Transistor 8, der Über einen einstellbaren
Widerstand 9 an eine Gleichspannungsquelle 10 angeschlossen ist. Sobald
der Transistor 8 geöffnet wird, wird ein Verzögerungsglied, bestehend aus
Widerstand 9 und Kondensator 12, an Spannung gelegt, und der Kondensator
lädt sich auf. Nach Erreichen einer bestimmten Ladespannung schlägt eine Zenerdiode
13 durch, so daß ein Zündimpuls an das Löschstromtor S, gelangt. Dadurch
wird der Kondensator C, der bisher auf die Spannung der Gleichspannungsquelle
14 aufgeladen war, schlagartig entladen und die Spannung am Strorator S, umgekehrt.
Dieses Stromtor erlischt somit nach einer Verzögerungszeit, die am Widerstand
9 einstellbar ist. Sie wird so gewählt, daß der Läufer jeweils nur eine Schrittlänge
zurücklegt.
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Um das Löschstromtor S, selbst zu löschen, ist ein Reihenschwingkreis
aus Drossel 15 und Kondensator 16 vorgesehen. Beim Zünden des Stromtores
S, wird dieser Schwingkreis zu einer Schwingung angeregt, die in der darauffolgenden
Halbwelle das Löschen des Stromtores S herbeiführt.
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In der Zeichnung sind ferner noch Schaltungselemente zur Verbesserung
der Betriebsfunktiön angedeutet. Parallel zur Wicklung B liegt eine als Nullanode
wirkende Diode 17. Beide Stromtore sind mit Schutzdioden 18 bzw.
19 versehen.
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Die Wirkungsweise. des Schrittmotors nach der Erfmdung ergibt sich
wie folgt: Die vom Impulsgeber 5 gelieferten Impulse bewirken jeweils eine
Zündung des Stromtores S, und damit eine Erregung der Wicklung B und eine
Bewegung des Läufers um einen Schritt. Nach der eingestellten Zeitverzögerung, die
kürzer als die Halbperiodendauer des Impulsgebers sein kann, wird das StromtorS,
wieder gelöscht. Beim Ausschalten des Stromes wird der Läufer abgebremst, da das
sich abbauende Feld OB entgegengesetzt wirkende Kräfte zur Folge hat. Der Läufer
wird dann durch das Erregungs- und Bremssystem in der neuen Lage festgehalten, bis
der nächste Steuerimpuls das Stromtor Si wieder zündet.
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Als Impulsgeber kann man einen Rechteckoszillator oder beliebige andere
Geräte verwenden. Beispielsweise kann man ein mit magnetischen Marken versehenes
Band mit Hilfe eines bekannten Wiedergabekopfes abtasten und die so gewonnenen Impulse
zur Steuerung des Schrittmotors heranziehen.
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Abweichend von den Einzelheiten des Ausführungsbeispiels läßt die
Erfindung noch viele andere Bauformen zu. Insbesondere ist die Bauart des verwendeten
Motors beliebig. Es kann sich auch um einen Motor mit Schleifringläufer handeln.
An Stelle der Halbleiterstromtore können bei entsprechender Schaltungsabwandlung
auch normale Stromtore, Transistoren oder mechanische Schalter verwendet werden.