DE2703791B2

DE2703791B2 - Schrittmotor

Info

Publication number: DE2703791B2
Application number: DE2703791A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Gerhard Berger & Co Fabrik Elektrischer Messgeraete 7630 Lahr GmbH
Current assignee: Gerhard Berger & Co Fabrik Elektrischer Messgeraete 7630 Lahr GmbH
Priority date: 1977-01-29
Filing date: 1977-01-29
Publication date: 1978-11-09
Also published as: IT1195025B; DE2703791A1; CA1078000A; JPS5396411A; US4234808A

Description

Tp₁ = 360VZ₁ = 360VZ₁' + ν
= 360VZ, - 1 ± Jt;

τpr = 360°/Z_r; φ = 360V4 · Z_r

wobei Ar eine gerade ganze Zahl 0< Ar< 6 und Z₁ die durch 4 teilbare Anzahl der Statorpolzähne (4) und Z₁-die Anzahl der Rotorpolzähne (9) ist;

d) Der im Rotor (6) angeordnete Permanentmagnet (7) besteht aus dünnen Ringscheiben eines hochkoerzitiven Magnetwerkstoffes mit einer Energiedichte von B χ H >90 kj/m³ und einem Verhältnis von Scheibendurchmesser zu Scheibendicke von 4—20;

e) Die Stahldrehteile (8) des Rotors sind als Ringscheiben ausgeführt, die an ihrem äußeren Umfang auf der dem Magneten zugekehrten Seite eine angedrehte Fase (13) von 30°—60° besitzen;

Q Die Isolierung (20) des Stators gegenüber den Wicklungen besteht aus einem einzigen Teil für alle vier Statorhauptpole (2) und ist derart ausgeführt, daß zwischen benachbarten Hauptpolen je ein gleich großer, ca. 2 mm breiter Spalt frei gelassen ist;

g) An den Ecken des Statorblechpaketes (1) sind zwei Lagerflansche jeweils durch eine Außenandrehung des Statorblechpaketes und eine Innenandrehung der Lagerflansche (5) zentriert und durch Befestigungsmittel (la) und (Xb) festgelegt

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch so gekennzeichnet, daß die Wicklungen auf den vier Hauptpolen eindrähtig gewickelt sind.

3. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen auf den vier Hauptpolen zweidrähtig (bifilar) gewickelt sind.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrittmotor kleiner Leistung in Gleichpolbauart mit einem Statorblechpaket, dessen mit Wicklungen versehene Statorhauptpole radial nach innen gerichtet und am Luftspalt in mehrere Statorpolzähne gleicher Polarität unterteilt sind, mit zwei magnetisch nicht leitenden Lagerflanschen und einem Rotor, bestehend aus einem axialmagnetisierten Permanentmagnet, zwei gut magnetisch leitenden Stahldrehteilen, die, am Umfang gleichmäßig verteilt, eine Anzahl von Rotorpolzähnen aufweisen und gemeinsam mit dem Permanentmagnet auf einer magnetisch nicht leitenden Welle befestigt sind.

Ein derartiger Schrittmotor ist aus der französischen Patentschrift 1441 993 bekannt Dieser Motor besitzt acht radial nach innen gerichtete Statorhauptpole mit je 5 Statorpolzähnen sowie einen Rotor mit Z₁- = 50 Rotorpolzähnen je StahldrehteiL Zwei Hauptpole gleicher Polarität und Erregung liegen sich bei dieser Motorausführung immer diametral gegenüber. Ihre Statorpolzähne kommen somit am Luftspalt gleichzeitig zweimal mit den Rotorpolzähnen eines Stahldrehteiles zur Deckung.

Die Statorpolzahnteilung xp_s und die Rotorpolzahnteilung τp_r folgt der bekannten Beziehung

360VZ_r

xp_s = 360VZs

+ ν = 360VZ,—2.

Hierbei bedeuten

Z_r die Anzahl der Rotorpolzähne eines Stahldrehteiles

Z_s die theoretisch möglichen Statorpolzähne, auf den Umfang bezogen

Z's die Anzahl der wirklich vorhandenen Statorpolzähne

ν die zwecks Einbringung der acht Statorwicklungen weggelassenen Statorpolzähne

Da Z₁ aus Symmetriegründen beim Statoraufbau durch acht teilbar sein muß, darf in diesem Falle Z_r nur eine ganze gerade Zahl sein.

Bei dem obigen Patent ist Z₁- = 50 und damit die Rotorpolzahnteilung τρ_Γ = 7,2°. Bei Anwendung der bekannten Ansteuerschaltung für Zweiphasen-Schrittmotoren Fig.3a bewegt sich ein Rotorpol während eines Schaltzyklus in vier gleichen Schritten um den Winkel Tp_n Der Schrittwinkel ist somit φ = 7,2V 4 = 1,8°.

Schrittmotoren mit diesem Schrittwinkel haben sich die verschiedensten Bereichen, insbesondere des Werkzeugmaschinenbaus, gut eingeführt und bewährt. Erhebliche Schwankungen ergeben sich jedoch, wenn es darum geht, nach diesem Bauprinzip sehr kleine, preisgünstige Motoren und mit einem anderen Schrittwinkel zu bauen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen sehr kleinen, in der Herstellung wenig aufwendigen Schrittmotor mit verhältnismäßig großer Leistung und einem Schrittwinkel von 3,6° für den Einsatz in modernen elektronisch gesteuerten Schreibgeräten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einem Schrittmotor der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:

a) Der Motor ist im Bereich des Statorblechpaketes gehäuselos und besitzt eine kubische Form mit leicht abgerundeten Ecken;

b) Das Statorblechpaket besitzt vier mit Wicklungen versehene, jeweils in der Mitte der Statorjochseiten angeordnete Hauptpole mit je vier oder fünf

Statorpolzähnen;

c) Die StatorpolzahnteUung τρ* die Rotorpolzahnteilung vps und der Schrittwinkel φ entsprechen den Gleichungen

xp_s = 360°A£ = 36CT/Z, + ν = 360°IZ_r-1 ±k;
τρ, = 360°/Ζ_Γ;φ = 360°/4 - Z_r

wobei keine gerade ganze Zahl 0< £<6 und Z₁ die durch 4 teilbare Anzahl der Statorpolzähne und Z_n die Anzahl der Rotorpolzähne ist;

d) Der im Rotor angeordnete Permanentmagnet besteht, -jus dünnen Ringscheiben eines hochkoerzitiven Magnetwerkstoffes (mit seltenen Erden) mit einer Energiedichte B χ H>90kJ/m³ und einem Verhältnis von Scheibendurchmesser zu Scheibendicke von 4—20;

e) Die Stahldrehteile des Rotors sind als Ringscheiben ausgeführt, die an ihrem äußeren Umfang auf der dem Magneten zugekehrten Seite eine angedrehte Fase von 30° —60° besitzen;

f) Die Isolierung des Stators gegenüber din Wicklungen besteht aus einem einzigen Teil für alle vier Statorhauptpole und ist derart ausgeführt, daß zwischen benachbarten Hauptpolen je ein gleich großer, ca. 2 mm breiter Spalt freigelassen ist;

h) An den Ecken des Statorblechpaketes sind zwei Lagerflansche, jeweils durch eine Außenandrehung des Statorblechpaketes und eine Innenandrehung der Lagerflansche zentriert und durch Befestigungsmittel festgelegt

Nach einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung können die Wicklungen auf den vier HauptpoJen eindrähtig oder zweidrähtig (bifilar) gewickelt sein.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen axialen Schnitt durch den ruhenden Teil des erfindungsgemäßen Schrittmotors,

F i g. 2 die prinzipielle Form des Statorbleches bzw. Statorblechpaketes und eines Rotor-Stahldrehteiles in Draufsicht,

F i g. 3 erste Ausführungsvariante mit der prinzipiellen Anordnung der vier Statorwicklungen im Stator ohne Isolierteil,

Fig.3a eine Ansteuerschaltung für Zweiphasen-Schrittmotoren mit vier Statorwicklungen,

F i g. 3b die Pulsfolge und den zeitlichen Stromverlauf bei den Einzelschritten,

F i g. 3c die Polaritätsfolge in den vier Statorwicklungen bei den Einzelschritten,

F i g. 4 eine strahlenförmige Kunststoffscheibe, die an den Strahlenenden Drucklettern tragen,

Fig.4a die Prinzipdarstellung für den Einsatz des erfindungsgemäßen Motors in z.B. einer neuartigen elektronisch gesteuerten Schreibmaschine,

F i g. 5 zweite Ausführungsvariante mit der prinzipiellen Anordnung von acht Statorwicklungen ohne Isolierteil,

F i g. 5a Schaltverbindung der acht Statorwicklungen, wobei je zwei Teilwicklungen parallel geschaltet sind,

F i g. 5b Schaltverbindungen der acht Statorwicklungen, wobei je zwei Teilspulen in Reihe geschaltet sind,

F i g. 6 Statorblechpaket mit Isolierteil, Seitenansicht von Schnitt A-B,

Fig.6a Statorblechpaket mit Isolierteil, Draufsicht, Halbschnitt rechts.

In F i g. 1 ist ein axialer Schnitt durch den ruhenden Teil des Moltors und der Rotor ungeschnitten dargestellt. Der Stator 1 des Motors besitzt kein besonderes Jochgehäuse. An seinen beiden Seiten sind quadratische, an den Enden leicht abgerundete Lagerflansche 5 angeordnet Die Lagerflansche sind über je zwei durchgehende Schrauben la und Io mit dem Stator verbunden. Die beiden diagonal angeordneten Schrauben la sind über die Lagerflansche hinaus verlängert und dienen gleichzeitig zur Motorbefestigung. Die Zentrierung des Rotors im Statorblechpaket erfolgt durch eine Außenandrehung 11 des Statorblechpaketes und eine Innenandrehung an den beiden Lagerflanschen.

In F i g. 2 ist die Draufsicht von Statorblechpaket und Rotor dargestellt Das Statorblechpaket besitzt vier nach innen gerichtete, jeweils in der Mitte der Statorjochseiten 12 angeordnete, mit Wicklungen versehene Statorhauptpole 2 mit jeweils vier oder fünf Statorpolzähnen 4.

Der Rotor 6 besteht aus scheibenförmigen Magneten 7 eines hochkoerzitiven Magnetmaterials und beidseitig angebrachten Stahldrehteilen 8, die am Außendurchmesser eine ungerade Anzahl von Rotorpolzähnen 9 haben.

Der im Rotor 6 verwendete hochkoerzitive Magnetwerkstoff mit seltenen Erden besitzt ein magnetisches Energieprodukt von BxH, ungefähr >90kJ/m³. Bedingt durch die große Koerzitivkraft und die nahezu gerade Entmagnetisierungskurve bei diesem Magnetmaterial ist es möglich, auf den sonst bei Motoren der Gleichpolbauart erforderlichen axialen magnetischen Rückfluß beim Stator in Form eines Stahlgehäuses zu verzichten.

Berechnungen und Versuche haben ergeben, daß die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn man je nach Rotorlänge bei den Magneten das Verhältnis von

Scheibendurchmesser/Scheibendicke 4—20 macht.

Die beiden gut magnetisch leitenden Stahldrehteile 8 besitzen zur Verbesserung der magnetischen Streuverhältnisse an der dem Magneten zugekehrten Seite eine angedrehte Fase 13 von 30—60°. Die Stahldrehteile und

Magnete sind auf der Motorwelle 10 befestigt

Um einen Motor mit einer geraden Anzahl von Statorhauptpolen und einem Rotor mit einer ungeraden Zahl von Rotorpolzähnen 9 je Stahldrehteil 6 zu schaffen, muß die Anzahl der Stator- und Rotorpolzähne die folgenden Bedingungen erfüllen:

vp_s = 360°IZ₅ = 360VZ',+ ν = 360°/Z_r-l ±*
rpr = 360° /Z_r; φ = 360°/4 Z_r

so k kann eine gerade ganze Zahl 0 < it < 6 sein.

Aus symmetrischen Gründen muß Z₁ und Z'_s durch die Anzahl der Statorhauptpole ganzzahlig teilbar sein.
Für die oben gestellte Aufgabe ergibt sich somit für die Rotorzähnezahl

Z_r = 360°/4 · 3,6° = 25

mit Ar = 0 wird Z₁ =
_b0 mit ν = 8 wird Z'_s
mit ν = 4 wird Z'_s

Zr-1 = 24 bei φ = 3,6°
16 = 4 · 4 und
20 = 4 · 5

Die Bedingungen sind somit erfüllt.
Wählt man z. B.

dann wird

mit Zj = 28; Z_r = 25; φ = 3,6°
mit ν = 8 wird Z'_s = 20 = 4 · 5.

Wählt man ζ. Β.

+ 2

dann wird

mitZs = 16;Z_r = 15;ςρ = 6° mit ν = 4 wird Z/ = 12 = 4 · 3

In F i g. 6 und 6a ist das Isolierteil für die Wicklungen dargestellt. Die Isolierung 20 des Stators 20 gegenüber den Wicklungen Wi- W4 sind zwei gleiche Teile aus ι ο thermoplastischem Kunststoff, die überlappend zusammengefügt alle vier Statorhauptpole gleichzeitig umschließen und dabei vier Schlitze 21 von ca. 2 mm frei lassen, die als Drahtführung für die gleichzeitige Bewicklung aller Statorhauptpole mit einer Nadelwikkelmaschine dienen und somit eine rationelle Fertigung der Statorwicklung erlauben.

Fig.3a zeigt eine im Prinzip bekannte Ansteuerschaltung für Zweiphasen-Motoren, bei der jede Phasenwicklung aus zwei in Reihe geschalteten Hälften besteht oder einen Mittelabgriff besitzen muß.

Fig.3b zeigt die zeitliche Pulsfolge und den Stromverlauf in den Wicklungen VV1 - W3 der Phase I und VV2- VV4 der Phase II bei den Schritten 1-7.

F i g. 3c zeigt die Polaritätsfolge in den Wicklungen Wl- W3 bzw. W2- W4 bzw. in den vier Statorhauptpolen. Man sieht hieraus, daß der Wiederholzyklus aus vier Schritten besteht.

Die in Fig.3a gezeigte mechanische Umschaltung der Teilwicklungen Wi, W3—W2, W4 mittels zweier ζυ Schalter mit den Schaltstellungen I—IV erfolgt bei der praktischen Anwendung jedoch mit elektronisch betätigten Schaltern in Form bistabiler Schalter 1,2.

Bei der ersten Ausführungsvariante Fig.3 der Statorbewicklung befindet sich auf jedem der vier Statorhauptpole nur eine eindrähtige Wicklung 17, wobei zwei gegenüberliegende Wicklungen in Reihe geschaltet sind. Diese Verbindung läßt sich mit der hierfür eingesetzten Nadelwickelmaschine ohne Drahtunterbrechung durchführen, so daß keine Verdrahtungsarbeit im Stator benötigt wird. In den F i g. 4 und 4a ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Motors zum Antrieb einer Schreibmaschine gezeigt Die Drucklettern 15 befinden sich an den Strahlenden 16 einer strahlenförmigen Kunststoffscheibe 14 die von dem Schrittmotor gedreht wird. Ein elektrischer Auslösemagnet bringt die Drucklettern in Berührung mit der Papierbahn.

Eine zweite in F i g. 5 gezeigte Ausfuhrungsvariante der Statorbewicklung kann darin bestehen, daß jeder der vier Statorhauptpole eine zweidrähtig (bifilar) aufgebrachte Wicklung erhält Es entstehen somit die 2 · 4 Einzelwicklungen WlA; W12- W3A; W3.2der Phase I und H⁷Zl; W2.2 - WAA; HO der Phase II.

Diese Maßnahme kann dazu dienen, mit Hilfe der Parallelschaltung der Einzelwicklungen mit den Verbindungsleitungen Z3, ZA entsprechend F i g. 5a oder der Reihenschaltung mittels der Verbindungsleitungen Z2 entspr. 5b den Innenwiderstand den äußeren Bedingungen bzw. den Ansteuerschaltungen anzupassen und damit die Lagerhaltung zu vereinfachen.

Mit Hilfe der oben dargelegten, jedoch ineinandergreifenden Neuerungen auf dem Gebiet der Schrittmotoren war es möglich, einen neuartigen Schrittmotor zu entwickeln, der alle in ihn gesetzten Erwartungen voll erfüllt. Dies gilt gleichermaßen für die Baugröße, die Leistung, den Schrittwinkel und den Herstellungsaufwand. Obwohl der neue Motor als Schrittmotor für seine Sonderaufgabe besonders geeignet ist, soll nicht verschwiegen werden, daß ein wesentlich stärkerer Motor mit nur vier Statorhauptpolen und nach diesem Gleichpolprinzip gebaut als selbstanlaufender Synchronmotor betrieben, infolge der auftretenden einseitigen Radialkräfte im Lager etwas unruhig läuft und deshalb dafür weniger empfehlenswert ist

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

30 Patentansprüche:

1. Schrittmotor kleiner Leistung in Gleichpolbauart mit einem Statorblechpaket, dessen mit Wicklungen versehene Statorhauptpole radial nach innen gerichtet und am Luftspalt in mehrere Statorpolzähne gleicher Polarität unterteilt sind, mit zwei magnetisch nicht leitenden Lagerflanschen und einem Rotor, bestehend aus einem axial magnetisierten Permanentmagnet, zwei gut magnetisch leitenden Stahldrehteilen, die, am Umfang gleichmäßig verteilt, eine Anzahl von Rotorpolzähnen aufweisen und gemeinsam mit dem Permanentmagnet auf einer magnetisch nicht leitenden Welle befestigt sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Der Motor ist im Bereich des Statorblechpaketes (1) gehäuselos und besitzt eine kubische Form mit abgerundeten Ecken;

b) Das Statorblechpaket (1) besitzt vier mit Wicklungen versehene, in der Mitte der Statorjochseiten (12) jeweils angeordnete Hauptpole (2) mit je vier oder fünf Statorpolzähnen (4);

c) Die Statorpolzahnteilung vp_s und die Rotorpolzahnteilung vp_r und der Schrittwinkel φ entsprechen den Gleichungen