DE3735732A1 - Schrittmotor mit permanentmagnetischer phase - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor mit permanentmagnetischer Phase, der zur Umwandlung diskreter elektrischer Signale in mechanische Bewegung dient. Er ist insbesondere ueberall dort vorteilhaft anwendbar, wo mechanische Positionieraufgaben zu erfuellen sind, die durch digital arbeitende elektronische Systeme gesteuert werden sollen und durch lange und haeufige Verweilzeiten gekennzeichnet sind. Solche Motoren sind fuer den Einsatz in der Druck-, Bearbeitungs- und Handhabetechnik geeignet und koennen zum Beispiel Drucker- und Schreibmaschinenwalzen, Belichtungskoepfe, Bohrer, Greifer und andere Werkzeuge bewegen.

Ueblicherweise werden Permanentmagnete in Schrittmotoren eingesetzt, um elektrische Wicklungen bipolar nutzen zu koennen. Eine Haltekraft im stromlosen Zustand kann dabei nicht zu den entscheidenden Effekten gezaehlt werden.

Bei einigen Hybridmotoren ist diese Erscheinung in geringem Masse zu beobachten. Indem sich die Magnetfluesse nicht voellig gleichmaessig auf die Motorpole aufteilen, entstehen Restkraefte bzw. Restmomente, die jedoch nur etwa 6% bis 10% der elektrisch erregbaren Kraefte bzw. Momente ausmachen (BRAEMER: Einfluss von Exzentrizitaeten auf das Schrittverhalten von Hybrid- Schrittmotoren, VDI-Berichte Nr. 482, 1983, S. 105ff; und WEINBECK: Der Schrittmotor als Antriebsaggregat in Geraeten der Datenverarbeitung, feinwerktechnik + micronic 78 (1974) 4, S. 146ff). In den meisten Faellen genuegen diese geringen Selbsthaltekraefte bzw. -momente nicht, um das zu positionierende Objekt sicher zu fixieren. Auf herkoemmliche Art wird deshalb das betreffende Magnetsystem des Schrittmotors fortwaehrend mit Strom beaufschlagt. Das ist vor allem dort energetisch sehr unguenstig, wo der Einsatzfall des Schrittmotors ein haeufiges laengeres Verweilen vorsieht. In einer bekannt gewordenen Loesung werden Linearschrittmotoren mit Haltekraft im stromlosen Zustand beschrieben. Der spezielle Vorteil dieser Motoren, nur eine einzige Steuerwicklung zu benoetigen, wird dort durch den Nachteil erkauft, dass keine elektrische Schrittweiten-Halbierung moeglich ist. Zudem ist der Wirkungsgrad der dort beschriebenen Anordnungen noch sehr gering.

Ziel der Erfindung ist es, den durchschnittlichen Energieverbrauch von Schrittmotoren, deren Betrieb durch relativ grosse Verweilzeiten gekennzeichnet ist, wesentlich zu senken.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schrittmotor zu entwickeln, der im Stillstand eine erhebliche Haltekraft bzw. ein Haltemoment erzeugen kann, ohne dabei staendig Energie zu verbrauchen, und der gleichzeitig die Vorteile herkoemmlicher Schrittmotoren, wie Feinpositionierung, aufweist.

Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass ein Schrittmotor ausser zwei oder mehr mit Steuerwicklungen versehenen, elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsystemen ein mit einem Permanentmagnet ausgestattetes und damit staendig erregtes Phasen-Magnetsystem besitzt. Die Versaetze der Verzahnungen der elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme innerhalb einer Verzahnungs-Periode weichen dabei definiert von der Phasenlage der betreffenden Systeme ab. Die Verzahnungen der elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme sind dabei um ein Viertel der Periode plus die Haelfte des die betreffende Phase kennzeichnenden Versatzes gegenueber der Verzahnung des permanent erregten Phasen-Magnetsystems versetzt. Im Falle beispielsweise eines dreiphasigen erfindungsgemaessen Schrittmotors enthaelt dieser ein permanent erregtes und zwei elektrisch erregbare Phasen-Magnetsysteme, deren Verzahnungen um +5/12 bzw. -5/12 der Verzahnungs-Periode gegenueber der Verzahnung des permanent erregten Phasen-Magnetsystems versetzt sind. Im Falle eines vierphasigen erfindungsgemaessen Schrittmotors enthaelt dieser ein permanent erregtes und drei elektrisch erregbare Phasen-Magnetsysteme, von denen eins um +3/8, ein weiteres um -3/8 und das dritte um 1/2 der Verzahnungs-Periode gegenueber dem permanent erregten Phasen- Magnetsystem versetzt verzahnt sind.

Beim vierphasigen erfindungsgemaessen Schrittmotor kann ferner das dritte, um 1/2 der Verzahnungs-Periode versetzt verzahnte elektrisch erregbare Phasen-Magnetsystem gegebenenfalls fortgelassen werden, wobei dessen Wirkung durch gleichzeitige Aktivierung der benachbarten beiden elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme hervorzurufen ist.

Der erfindungsgemaesse Schrittmotor kann so aufgebaut sein, dass alle Phasen-Magnetsysteme einen gemeinsamen ferromagnetischen Rueckschluss besitzen. Ebensogut kann dieser gemeinsame Rueckschluss entfallen, wobei ferromagnetische Teile des permanent erregten Phasen-Magnetsystems den elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsystemen mit als Rueckschluss dienen, und das permanent erregte Magnetsystem einen eigenen Rueckschluss besitzt.

Zur Aktivierung einer anderen als der permanentmagnetischen Phase wird das betreffende elektrisch erregbare Phasen-Magnetsystem bestromt. Die Amplitude der Kraft/Weg-Funktion des elektrisch erregten Phasen- Magnetsystems muss dabei den 2 sin(Phi/2)-fachen Wert der des permanent erregten Phasen-Magnetsystems aufweisen, wobei Phi der die betreffende Phase kennzeichnende Versatz ist (eine volle Periode entspricht Phi = 360 Grad). Die Superposition der Kraft/Weg-Funktion des permanent erregten und der des elektrisch erregten Phasen-Magnetsystems ergibt dann eine Kraft/Weg-Funktion, deren Amplitude der des permanent erregten Phasen-Magnetsystems entspricht und deren Nullstelle, welche die magnetische Rast des Laeufers bestimmt, mit der die betreffende Phase kennzeichnenden Auslenkung Phi des Laeufers identisch ist. Voraussetzung dafuer ist, dass alle Kraft/Weg-Funktionen einen annaehernd sinusfoermigen Verlauf besitzen.

Der erfindungsgemaesse Schrittmotor kann sowohl als Linear- als auch als Rotationsschrittmotor aufgebaut sein.

Der besondere Vorteil des erfindungegemaessen Schrittmotors besteht in der Kombination der Eigenschaft permanenter Haltekraefte im stromlosen Zustand in einer Stellung pro Periode mit der Faehigkeit der Feinpositionierung. Zudem sind nach Wunsch drei-, vier-, fuenf- und mehrphasige Motoren der erfindungsgemaessen Art moeglich. Im Falle eines vierphasigen Schrittmotors ist sogar eines der drei elektrisch erregbaren Phasen- Magnetsysteme redundant ohne Einschraenkung der Funktionsfaehigkeit, wodurch Material gespart und Masse und Volumen verringert werden koennen.

Die Erfindung wird an drei Ausfuehrungsbeispielen und anhand von sechs Zeichnungen naeher erlaeutert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine Ausfuehrung als vierphasiger Linearschrittmotor

Fig. 2 eine Ausfuehrung als dreiphasiger Linearschrittmotor ohne gemeinsamen Rueckschluss

Fig. 3 eine Ausfuehrung als dreiphasiger Rotationsschrittmotor ohne gemeinsamen Rueckschluss

Fig. 4 das Zeigerbild eines dreiphasigen erfindungsgemaessen Schrittmotors

Fig. 5 das Zeigerbild eines vierphasigen erfindungsgemaessen Schrittmotors

Fig. 6 die Kraft/Weg-Funktion eines vierphasigen erfindungsgemaessen Schrittmotors ueber eine Periode

Das erste Ausfuehrungsbeispiel stellt einen vierphasigen Linearschrittmotor mit gemeinsamem Rueckschluss dar (Fig. 1). Dieser besitzt eine verzahnte Statorschiene, welche den ferromagnetischen Rueckschluss 1 des erfindungsgemaessen Schrittmotors bildet. Entlang dieser Statorschiene bewegt sich der Laeufer, welcher vier Phasen-Magnetsysteme enthaelt, wovon eins ein permanent erregtes Phasen-Magnetsystem 10 a ist und einen Permanentmagnet 14 besitzt, waehrend die anderen, elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme 10 b, 10 c, 10 d jeweils mit Steuerwicklungen 13 bestueckt sind. Die Verzahnungen 15 a, 15 b, 15 c, 15 d der Phasen-Magnetsysteme 10 a, 10 b, 10 c, 10 d stehen der Verzahnung 5 des ferromagnetischen Rueckschlusses 1 nahe gegenueber und sind untereinander versetzt. Die Verzahnung 15 b ist gegenueber der Verzahnung 15 a um 3/8 der Verzahnungs- Periode versetzt, die Verzahnung 15 c um 1/2 und die Verzahnung 15 d um 5/8 (= -3/8). Unter der Periode der Verzahnung wird bei Schrittmotoren der Abstand der Mitte eines Zahnes zur Mitte eines benachbarten Zahnes verstanden.

Die Funktion des Schrittmotors nach dem ersten Ausfuehrungsbeispiel soll anhand Fig. 5 verdeutlicht werden. Den vier Phasen sind Laeuferpositionen bei 0, 1/4, 1/2 und 3/4 der Periode innerhalb derselben eigen. Unter Beruecksichtigung des Umstandes, dass das Phasen-Magnetsystem 10 a staendig wirksam ist, muessen die Komponenten, die von den Phasen-Magnetsystemen 10 b, 10 c, 10 d geliefert werden, um 1/4 + Phi/2 versetzt sein (d. h. 3/8, 1/2 und 5/8) und den 2 sin(Phi/2)-fachen Betrag aufweisen (d. h. , 2, ). Voraussetzung fuer die Funktionsfaehigkeit ist ein etwa sinusfoermiger Verlauf der statischen Kraft/Weg-Funktionen der einzelnen Phasen-Magnetsysteme. Fig. 6 zeigt die Verlaeufe 30 a (Phasen-Magnetsystem 10 a) und 30 b, 30 c, 30 d (jeweils Phasen-Magnetsystem 10 b, 10 c bzw. 10 d gemeinsam mit 10 a erregt). Die Kraft/Weg-Funktionen sind von der Zahngeometrie der Verzahnung abhaengig. Die in Fig. 6 dargestellten Funktionen wurden fuer eine Verzahnung mit 0,6 mm Zahnbreite und 0,6 mm Zahnlueckenbreite und einer Zahntiefe von 0,5 mm ermittelt.

Im Falle eines vierphasigen erfindungsgemaessen Schrittmotors kann das dem permanent erregten Phasen- Magnetsystem 10 a gegenueberstehende elektrisch erregbare Phasen-Magnetsystem 10 c auch gaenzlich entfallen. Dessen Funktion wird ersetzt, indem an dessen Stelle die beiden anderen elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme 10 b und 10 d gleichzeitig erregt werden. Die Summe der von ihnen erzeugten Kraefte entspricht in Betrag und Richtung der Kraft, die von dem fortgelassenen Phasen-Magnetsystem erzeugt werden sollte.

Als zweites Ausfuehrungsbeispiel wird ein dreiphasiger Linearschrittmotor mit permanentmagnetischer Phase ohne gemeinsamen Rueckschluss aller Phasen-Magnetsysteme beschrieben (Fig. 2). Das permanent erregte Phasen- Magnetsystem 10 a ist hierbei als Statorschiene ausgebildet, welche zwei eine Verzahnung 5 tragende ferromagnetische Leitstuecke enthaelt, zwischen denen sich ein oder mehrere gleichsinnig gepolte Permanentmagnete 14 befinden. Den ferromagnetischen Rueckschluss des Phasen-Magnetsystems 10 a bildet eine kurze Bruecke, die im Laeufer des Schrittmotors untergebracht ist und ueber ihre Verzahnung 15 a die beiden ferromagnetischen Leitstuecke der Statorschiene verbindet. Die elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme 10 b und 10 c sind ebenfalls im Laeufer angeordnet und tragen Steuerwicklungen 13. Ihre Verzahnungen 15 b, 15 c sind gegenueber der Verzahnung 15 a um 5/12 bzw. 7/12 (= -5/12) versetzt. Als Rueckschluesse benutzen sie ferromagnetische Leitstuecke des Phasen-Magnetsystems 10 a, die den Stator bilden. Welche der beiden Leitstuecke benutzt werden, ist dabei nicht von Belang. Es sollte jedoch bei der raeumlichen Gestaltung Sorge getragen werden, dass Streufluesse zwischen den beiden ferromagnetischen Leitstuecken der Statorschiene nicht oder sehr wenig die Pole 15 b und 15 c mit durchdringen, da sie dort an den Verzahnungen stoerende Zusatzkraefte bewirkten.

Als drittes Ausfuehrungsbeispiel wird ein dreiphasiger Rotationsschrittmotor mit permanentmagnetischer Phase ohne gemeinsamen Rueckschluss aller Phasen-Magnetsysteme beschrieben (Fig. 3). Das permanent erregte Phasen-Magnetsystem 10 a ist hierbei als Rotor ausgebildet, welcher zahnradartige ferromagnetische Leitstuecke enthaelt, zwischen denen sich ein oder mehrere gleichsinnig gepolte Permanentmagnete 14 befinden. Diese Leitstuecke tragen jeweils die Verzahnung 5. Den ferromagnetischen Rueckschluss des Phasen-Magnetsystems 10 a bildet wiederum eine kurze Bruecke, die im Stator des Schrittmotors untergebracht ist und ueber ihre Verzahnung 15 a die beiden ferromagnetischen Leitstuecke des Rotors verbindet. Die elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme 10 b und 10 c sind ebenfalls im Stator angeordnet und tragen Steuerwicklungen 13. Ihre Verzahnungen 15 b, 15 c sind gegenueber der Verzahnung 15 a um 5/12 bzw. 7/12 (= -5/12) versetzt. Als Rueckschluesse benutzen sie ebenfalls die ferromagnetischen Leitstuecke des Phasen-Magnetsystems 10 a, die hier als zahnradartige Teile den Rotor bilden. Welche der beiden Leitstuecke benutzt werden, ist dabei wiederum nicht von Belang.

Anhand Fig. 4 kann die Funktionsweise der Schrittmotoren des zweiten und dritten Ausfuehrungsbeispiels erklaert werden. Den drei Phasen sind Laeuferpositionen bei 0, 1/3 und 2/3 der Periode innerhalb derselben eigen. Unter Beruecksichtigung des Umstandes, dass das Phasen-Magnetsystem 10 a staendig wirksam ist, muessen die Komponenten, die von den Phasen-Magnetsystemen 10 b bzw. 10 c geliefert werden, wie beim ersten Ausfuehrungsbeispiel um 1/4 + Phi/2 versetzt sein (d. h. hier 5/12 bzw. 7/12) und ebenfalls wieder den 2 sin(Phi/2)-fachen Betrag aufweisen, was hier jeweils ergibt. Auch hier ist etwa sinusfoermiger Verlauf der Kraft/Weg-Funktionen der einzelnen Phasen- Magnetsysteme die Voraussetzung fuer die ordnungsgemaesse Arbeitsweise.

Claims (4)

1. Schrittmotor mit permanentmagnetischer Phase, bestehend aus magnetisch nicht verkoppelten, verzahnte Pole enthaltenden Phasen-Magnetsystemen und dazugehoerigen verzahnten ferromagnetischen Rueckschluessen, gekennzeichnet dadurch, dass ein permanent erregtes Phasen-Magnetsystem (10 a) einen mit ferromagnetischen Leitstuecken armierten Permanentmagnet (14) enthaelt, waehrend die weiteren zwei oder mehr Phasen-Magnetsysteme als elektrisch erregbare Phasen-Magnetsysteme (10 b, 10 c, 10 d) aus mit einer Steuerwicklung (13) versehenen Leitstuecken bestehen, wobei die Verzahnungen (15 b, 15 c, 15 d) der elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme (10 b, 10 c, 10 d) gegenueber der Verzahnung (15 a) des permanent erregten Phasen-Magnetsystems (10 a) um ein Viertel der Periode plus die Haelfte des die betreffende Phase kennzeichnenden Versatzes versetzt sind, wobei unter der Periode der Verzahnung der Abstand der Mitte eines Zahnes zur Mitte eines benachbarten Zahnes zu verstehen ist.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Schrittmotor drei Phasen-Magnetsysteme besitzt, wobei die Verzahnungen (15 b, 15 d) zweier elektrisch erregbarer Phasen-Magnetsysteme (10 b, 10 d) um +3/8 bzw. -3/8 der Verzahnungs- Periode gegenueber der Verzahnung (15 a) des permanent erregten Phasen-Magnetsystems (10 a) versetzt sind.

3. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Schrittmotor als Linearschrittmotor aufgebaut ist.

4. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Schrittmotor als Rotationsschrittmotor aufgebaut ist.