DE1150441B

DE1150441B - Electrodynamic stepper motor

Info

Publication number: DE1150441B
Application number: DES77158A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erich Krestel; Dr Fritz Gann
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1961-12-16
Filing date: 1961-12-16
Publication date: 1963-06-20

Description

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.Electrodynamic stepper motor With many control and regulation problems, the task arises to bring about defined movements with the help of a stepper motor. Various embodiments have already become known, all of which, however, require a special type of engine and therefore require a relatively high level of effort. In addition, the torque that can be achieved is small.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und einen einfachen, auf einem neuartigen Funktionsprinzip beruhenden Schrittmotor zu schaffen.The invention is based on the object of avoiding these disadvantages and a simple stepper motor based on a novel functional principle to accomplish.

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.The electrodynamic stepper motor according to the invention is characterized by an excitation system in the stator, which is permanently magnetic or by means of a DC-fed winding generates an excitation field by means of an acceleration system in the form of a pulse-wise excitable one that is offset against the exciter field on the circumference of the stator Winding and by a locking system that the runner in defined successive Holds positions.

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.The function of the stepper motor according to the invention is based on the fact that a rotor, which is located in the permanently excited magnetic field of the stator, inductively current surges are fed so that the rotor current coating has the correct spatial position relative to the stator magnetic field. Each current pulse then generates a corresponding torque pulse on the rotor, which is used to turn the rotor by one notch in the locking system.

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.The basic advantage of the stepper motor according to the invention is that through the interaction of current and magnetic field, i.e. electrodynamically, Much larger actuating forces can be generated than with stepper motors usual magnetic attraction of ferromagnetic components alone.

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.In principle, the locking system could also be arranged outside the motor be, for example in the form of a ratchet barrier. However, it is beneficial to and locking system in one machine. This can be achieved in that Stand and rotor are grooved, so that the excitation system at the same time serves as a locking system. As already mentioned, the excitation system can consist of a permanent magnet -exist. It is more favorable to have the excitation field supplied with direct current Generate winding, which may be distributed in the stator slots or on pronounced Poles can be arranged.

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.A two-phase wound stator can be used, with the two stator windings offset from one another by 900. If there is a three-phase squirrel cage motor, it is possible to switch two phase windings of a three-phase stator winding and to feed them with current in such a way that a field is created that is offset by 900 relative to the field of the third phase winding. For this, as is known, the direction of a winding must be reversed in the phase diagram. This is especially beneficial if you want to use the engine after switching as normal SteRmotor. For this purpose, the three phase windings are connected directly to a three-phase network.

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.If the rotor of an induction motor is provided with grooves, it can be operated as a stepper motor with a combined excitation and latching system according to the invention. No other changes to the internal structure of the engine are required. In the interest of a high step sequence, however, it is advisable to use a motor with a low moment of inertia, i. H. small rotor diameter to choose.

Nähere Einzelheitdn des Erfindungsgegenstandes sollen im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben werden, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt ist.Further details of the subject matter of the invention are to be found in the following will be described with reference to the drawing, in which an exemplary embodiment is shown schematically is shown.

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.The drawing shows an induction motor with a two-phase stator 1 with slots and a rotor 2 with the same number of slots. One stator winding, which is designated with E and serves as an excitation and latching system, is continuously excited from a DC voltage source indicated at 3. It creates a field 0, p in the direction indicated. This field could also be generated permanently magnetically instead of by the winding E.

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.The second winding, which is labeled B and serves as an acceleration system, is connected to a further DC voltage source 4 via a semiconductor current gate S. Your OB field is perpendicular to the excitation field. The semiconductor stator Si is ignited from a suitable pulse generator 5 via a pulse transformer 6 in time with the desired steps.

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.A magnetic field is built up in winding B with every ignition. The change in flux induces a voltage in the squirrel cage, which results in currents through the bars of the squirrel cage. These currents are indicated in the figure. In interaction with the exciter field OE, forces p act on the rods through which current flows, which rotate the rotor.

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.The excitation field runs over the path with the lowest magnetic resistance, i.e. That is, it forces the rotor to be in such a position that the stator and rotor slots are opposite one another. The excitation field thus also has a latching effect, with a high torque. However, in order for the runner to move only one step length at a time, the acceleration must not exceed a certain value. Therefore, the pulse current through the winding B must also be limited in time.

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.For this purpose, a small ohmic resistor 7 is connected in the circuit of winding B, at which a voltage drop occurs when current flows. This voltage drop controls a transistor 8 which is connected to a DC voltage source 10 via an adjustable resistor 9. As soon as the transistor 8 is opened, a delay element, consisting of resistor 9 and capacitor 12, is connected to voltage, and the capacitor charges up. After a certain charging voltage has been reached, a Zener diode 13 breaks down, so that an ignition pulse reaches the extinguishing current gate S i. As a result, the capacitor C, which was previously charged to the voltage of the DC voltage source 14, is suddenly discharged and the voltage on the strorator S is reversed. This current gate thus goes out after a delay time that can be set at the resistor 9 . It is chosen so that the runner only covers one stride at a time.

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.In order to extinguish the extinguishing current gate S itself, a series resonant circuit comprising a choke 15 and a capacitor 16 is provided. When the current gate S is ignited, this resonant circuit is excited to oscillate, which causes the current gate S to be extinguished in the subsequent half-wave.

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.In the drawing, circuit elements for improving the operational functionality are also indicated. A diode 17 acting as a neutral anode is located parallel to winding B. Both current gates are provided with protective diodes 18 and 19 , respectively.

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.The mode of action. of the stepper motor according to the invention results as follows: The pulses supplied by the pulse generator 5 each cause the current gate S to be ignited and thus the winding B to be excited and the rotor to move by one step. After the set time delay, which can be shorter than the half-cycle duration of the pulse generator, the StromtorS is deleted again. When the current is switched off, the rotor is braked because the decreasing field OB results in opposing forces. The rotor is then held in the new position by the excitation and braking system until the next control pulse ignites the current gate Si again.

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.A square-wave oscillator or any other can be used as a pulse generator Use devices. For example, you can have one with magnetic tags Scan tape with the help of a known playback head and the pulses obtained in this way to control the stepper motor.

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.Notwithstanding the details of the embodiment, the Invention still many other designs. In particular, the type of construction is used Any motor. It can also be a motor with a slip ring rotor. Instead of the semiconductor current gates, with the appropriate circuit modification normal current gates, transistors or mechanical switches can also be used.

Claims

PATENTANIC CLAIMS: 1. Electrodynamic stepper motor, characterized by an excitation system in the stator, which generates an excitation field permanently magnetically or by means of a DC-fed winding, through an acceleration system in the form of a pulse-wise excitable winding that is offset against the excitation field on the stator circumference and by a latching system that moves the rotor into defined successive positions.

2. Stepping motor according to claim 1, characterized in that both the stator and the rotor are provided with grooves so that the excitation system also serves as a locking system. 3. Stepper motor according to claim 1 and 2, characterized in that two stator windings are offset from one another by 901. 4. Stepping motor according to claim 1 and 2, characterized by a three-phase stator winding, wherein two phase windings are connected and fed with current in such a way that a field offset by 900 relative to the field of the third phase winding is produced. 5. Stepping motor according spoke 1 to 4, characterized in that the acceleration system is fed at each control pulse frequency with pulses of such constant width that the rotor movement is limited to a step length. 6. Stepping motor according spoke 1 to 5, characterized in that the supply of the acceleration system via a semiconductor current gate is ignited by the control pulses and deleted after a preselectable time delay. Considered publications: German patent application T 9135 VIH d / 83 b (published on November 15, 1956); German interpretative document No. 1001191.