DE69308676T2

DE69308676T2 - Hybrider, mehrphasiger Schrittmotor

Info

Publication number: DE69308676T2
Application number: DE69308676T
Authority: DE
Inventors: Kenji Yoshida; Noriyuki Yoshimura
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1993-07-30
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2013-07-31
Also published as: JPH0662557A; DE69308676D1; EP0581612A1; EP0581612B1; JP3278770B2; US5374865A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an einem mehrphasigen hybriden Schrittmotor
Hybride Schrittinotoren sind seit mehr als 25 Jahren als ausgezeichnete Steiler für alle Fälle bekannt, in denen eine sehr genaue Positionierung erforderlich ist. Zu den Anwendungsgebieten gehören alle Arten von Handhabungseinrichtungen bei einer Fabrikation, bis zur vollständigen Prozeßautomation, sowie die Computer-Peripheriegeräte-Industrie (d.h. Drucker, Plotter, Faksimile- Geräte und Platten-Antriebseinrichtungen).

A. Der Vier-Phasen-Hybrid-Schrittmotor

Der gebräuchlichste Motor ist der sogenannte Vier-Phasen-Motor mit acht Hauptpolen. Die Fig. 9 (a) und (b) stellen Querschnitte A-A und B-B des vierphasigen Hybrid-Schrittmotors nach Fig. 10 dar. Jeder dieser Ständerpole hat eine Wicklung 11 und fünf Zähne 12. Wie in Fig. 10 dargestellt ist, sind die Zähne 12 den innen umlaufenden Zähnen 15 von Läuferkappen 14 zugekehrt, die jeweils auf einer Seite eines axial magnetisierten Dauermagneten 13 angebracht sind. In diesem Falle haben die Läuferkappen 14 jeweils 50 Zähne 15, wobei die eine Läuferkappe Nordpole und die andere Südpole mit einer Zahnteilung von 360º/50 = 7,2º bildet. Die Läuferkappen 14 sind relativ zueinander in Drehrichtung um eine halbe Zahnteilung versetzt. Diese Läuferkappen 14, die meistens aus Silizium-Laminatmaterial oder festem magnetisch weichem Eisen hergestellt sind, stellen zusammen mit dem auf einer Welle 16 angebrachten Magneten ein Läufersystem dar.
Derzeit gibt es auf dem Markt Hybrid-Schrittmotoren mit mehr als einem Läufersystem. Am gebräuchlichsten ist eine Zahnteilung der Ständerpol-Zähne, die gleich der Läuferzahnteilung Tp ist. Nach Fig. 9 sind benachbarte Pole in diesem Falle um 45º voneinander (Mitte des mittleren Zahns des benachbarten Pols) entfernt. Der physische Verschiebungswinkel zwischen allen benachbarten Polen beträgt daher 45º geteilt durch 7,20 (Zahnteilung) minus ganzer Zahnteilungszahlen und ist = 1/4 der Zahnteilung.
Dies entspricht 90º elektrisch, da eine Zahnteilung 360º elektrisch entspricht.
Dieser Ständer und eine Lamellierung können als eine symmetrische Ständer-Lamellierung betrachtet werden, da jeder Pol die gleiche Anzahl von Zähnen mit der gleichen Zahnteilung und der gleichen Windungsschlitzöffnung zwischen benachbarten äußeren Zähnen benachbarter Pole aufweist. In diesem Falle 2,25 Tp minus der Zahn breite.
Theoretisch könnten diese Motoren mit 48 Ständerzähnen (sechs Zähnen pro Pol) gebaut werden, wenn die Schlitzöffnungen im Falle von 1,25 Tp minus einer Zahnbreite die Einfügung der Wicklung gestatten und die gewünschte Phasen induktivität erzeugen.
Diese Motoren können eine symmetrische Lamellierung bei jeder Anzahl von Läuferzähnen aüfweisen, die folgende Forderung erfüllt:
Anzahl der Läuferzähne geteilt durch Anzahl der Ständer-Hauptpole
gleich K + 1/4, wobei K eine ganze Zahl ist.
Beispielsweise ergibt 50/8 = 6,25 eine symmetrische Lamellierung.
48/8 = 6 geht nicht, weil es keinen Verschiebungswinkel ergibt. Beispielsweise kann jeder Motor mit einer Läuferzähnezahl von NR = 8(K + 0,25) einen symmetrischen Ständer aufweisen. Mithin ermöglicht NR = 10; 18; 26; 34; 42; 50 und 58 eine symmetrische Lamellierung bei acht Ständerpolen.
Diese Motoren erzeugen ein sinusförmiges Rast-Drehmoment, das eine Periode von einem Viertel der Zahnteilung hat und den Läufer ohne irgendeine äußere Ständerpol-Erregung in Position hält.
Berücksichtigt man, daß jeder Pol, wenn er erregt ist, zusammen mit dem Läufersystem ein nahezu sinusförmiges Halte-Drehmoment erzeugt (Fig. 11), das mit der Zahnteilung Tp periodisch ist, und daß die Pole um 90º elektrisch auseinanderliegen, dann kann man das in Fig. 12 dargestellte Drehmoment-Vektordiagramm zeichnen. Wie man sieht, wird die Phase 1 durch die Pole 1 und 5, die Phase II durch die Pole 2 und 6, die Phase III durch die Pole 3 und 7 und die Phase IV durch die Pole 4 und 8 bestimmt. Man erkennt auch, daß sich das maximale Drehmoment ergibt, wenn alle acht Pole erregt sind. Ein Vollschritt-Winkel von αF = 90º elektrisch oder αF = 1/4 Tp wird erzielt, wenn die Polarität von vier Phasen (d.h. 1; 5; 3; 7) gleichzeitig geändert wird. Ein Halbschritt-Winkel von αH = 45º oder 1/8 Tp wird erzielt, wenn die erwähnten Pole ausgeschaltet werden, statt daß ihre Polarität geändert wird.
In diesem Falle ändert sich das Drehmoment im Halbschritt-Betrieb um 2 zu 1.
Da zwei Pole immer um 180º voneinander entfernt sind (d.h. 1 bis 3 oder 2 bis 4), und da auch das maximale Drehmoment von Schritt zu Schritt entwickelt wird, wenn sich die Polarität von vier Polen gleichzeitig ändert, können die Phasen I und III miteinander verbunden werden, ebenso wie die Phasen II und IV. Dies ermöglicht einen verhältnismäßig einfachen, sogenannten H-Brücken- Treiber init insgesamt acht Transistoren, um Vollschritt- und Halbschritt-Betriebsarten zu erzielen.
Bei einer Erregung in diesen beiden Betriebsarten haben die acht Pole die in Fig. 19 dargestellte Polarität. Darin stellt Schritt 1 eine Vollschritt-Position und Schritt 2 eine Halbschritt-Position dar.
Wie sich aus Fig. 19 ergibt, hat dieser Motor jederzeit ebenso viele Nordpole wie Südpole. Dies bedeutet, daß die Radialkräfte an der Nord-Läuferkappe gleich denen an der Süd-Läuferkappe sind. Dies ist wichtig, um größere Lagerbeschädigungen während der Lebensdauer zu vermeiden, und um eine bessere Reaktion auf mechanische Ungenauigkeiten zu ermöglichen, um kleine Schrittwinkeltoleranzen einzuhalten.
Aus Fig. 13 ist ebenfalls ersichtlich, daß, wenn alle acht Pole erregt sind, auf zwei benachbarte Nordpole zwei benachbarte Südpole folgen. Dies ergibt eine gute Stabilität in Vollschritt-Positionen, da Fig. 11 zeigt, daß die Verrastung (vierte Harmonische) nicht die Steifigkeit einer 8-Steifigkeit eines 8-polig erregten Halte-Drehmoments unterstützt, wenn es mit einem einzigen Pol in Phase ist (Fig. 11 stellt die außerphasige Verrastung dar).
Obige Darlegungen lassen sich in folgenden allgemeinen Gesetzen für symmetrische Hybrid-Schrittmotoren zusammenfassen:

1. Die Anzahl der Läuferzähne ist

mit
m = Anzahl der Phasen,
p = Anzahl der Pole pro Phase,
K = positive ganze Zahl gleich oder größer als 1 und
n = Anzahl der Zähne pro Pol.

2. Größte mögliche Anzahl der Ständerzähne

NSmax = NR - p und
NS = mpn
Daher muß NS immer kleiner als NR sein.
3. Die kleinste mögliche Anzahl von Ständerpolen ist gleich der Anzahl der Phasen. Dies bedeutet, daß die kleinste mögliche Anzahl der Pole pro Phase gleich eins ist.
mpmin = m

4. Die Ständerzahnteilung Tp kann gleich der Läufer- Zahnteilung sein

TpS = TPR,
wobei TPR = 360º/NR ist.
Bei irgendeiner symmetrischen Motorlamellierung kann die Ständerzahnteilung jedoch auch Tps = 360º/NR - p sein.
5. Das Grund-Rast-Drehmoment sowie die Drehmoment-Änderung bei Drehung (Verkämmung) ist mit der n-ten Harmonischen der Läufer-Zahnteilung periodisch.

6. Anzahl der Schritte pro Umdrehung bei:

Ganzschritt-Betrieb: NREVF = mNR
Halbschritt-Betrieb: NREVH = 2mNR.

Infolgedessen sind die Schrittwinkel

αF = 360º/mNR und
αH = 180º/mNR.
B. Nachteile der Hybrid-Schrittmotoren mit vier (oder weniger Phasen).
1. Große Änderung des dynamischen Drehmoments beim Umschalten von Schritt zu Schritt und auch in Ruhestellungen im Halbschritt-Betrieb.
Der Änderungsfaktor ist 1/ 2.
2. Ein relativ hohes Rast-Drehmoment, das die Schrittwinkel-Genauigkeit sowie die Bewegung während Mikroschritten beeinträchtigen kann.
3. Im Mikroschritt-Betrieb erfordert ein sinusförmiger Stromverlauf sehr kleine Änderungen im Maximum der Sinusschwingung. Bei kleinen Motoren kann es sein, daß sich der Läufer nicht dreht, weil die Drehmomentänderung zu klein ist.
4. Bei diesen Motoren treten verhältnismäßig starke Resonanzen bei Schrittfrequenzen unterhalb von 1 kHz aufgrund der Drehmomentänderungen auf. Manchmal haben diese Motoren Drehzahlbereiche, in denen sich der Läufer nicht ohne eine gewisse Belastung oder einen zusätzlichen Dämpfer dreht.
5. Die Start- und Stop-Stop-Frequenzen sind verhältnismäßig niedrig.
6. Aufgrund der begrenzten Anzahl möglicher Läuferzähne sind die meisten erzielbaren Schrittwinkel und die Anzahl der Schritte pro Umdrehung für viele industrielle Anwendungen nicht sehr praktisch.
C. Mittels eines Fünf-Phasen-Hybrid-Schrittmotors lassen sich einige der erwähnten Nachteile durch Anwendung einer größeren Anzahl von Phasen vermeiden.
Die US-Patentschriften 3 866 104 und 4 000 452 beschreiben einen Fünf-Phasen-Hybridmotor, der nach den gleichen Grundgesetzen (Gleichungen), wie sie oben angegeben sind, ausgebildet ist.
In diesem Falle ist die Anzahl der Phasen geteilt durch zwei (2) keine ganze Zahl, so daß bei einem PM-Motor eine Änderung der Stromrichtung die Polarität um 180º elektrisch verschiebt (Fig. 13), was doppelt so groß wie normal ist.
Daher gilt: NREVF = 2mNr und αF = 180º/mNR
NREVH = 4mNr und αH = 90º/mNR
Die US-Patentschrift 3 866 104 beschreibt einen Fünf- Phasen-Motor mit einem Verschiebungswinkel zwischen benachbarten Polen von 3/5 Tp. Daher wird ein elektrischer Winkel von 72º (1/5 Tp) zwischen den Polen 2 und 4 (Fig. 14) erzielt.
In diesem Falle ergibt sich ein Drehmoment-Vektordiagramm, wie es in Fig. 15 dargestellt ist, und eine Pol- Polaritätstabelle, wie sie in Fig. 20 dargestellt ist.
Diese beiden Figuren zeigen, daß sich ein Ganzschritt-Betrieb mit fünf eingeschalteten Phasen sowie mit vier eingeschalteten Phasen erreichen läßt. Ein Halbschritt-Betrieb wird durch einen Wechsel zwischen fünf und vier eingeschalteten Phasen erreicht. Die Drehmomentdifferenz im Halbschritt-Betrieb beträgt nur 5 %. Das Ver kämmungs-Drehmoment und das Rast-Drehmoment sind die fünfte Harmonische (Fig. 6). Dies ist eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu dem früher beschriebenen Motor.
Die Resonanzfrequenzen liegen in einem viel höheren Bereich, und es kann keine "nichtlaufende" Drehzahlzone realisiert werden.
Für die mögliche Anzahl von Läuferzähnen bei symmetrischen Lamellierungen gilt folgende Gleichung
NR = 5p[(n-1) + (K + 3/5)]
Es lassen sich daher die folgenden Läuferzähnezahlen erreichen: 16; 26; 36; 46; 56; usw. Nur die Anzahl 36 ist industriell interessant oder wichtig. Anzahlen wie 50 oder 100, die für viele Anwendungsfälle sehr wichtig sind, können in einem symmetrischen Aufbau als solchem nicht erzielt werden. Wie jedoch in der US-Patentschrift 4 095 161 beschrieben ist, kann eine symmetrische Fünf-Phasen-Lamellierung mit einem Verschiebungswinkel von 3/5 Tp zusammen mit vier verschiedenen Läuferzähnezahlen angewandt werden. Beispielsweise ist die in Fig. 14 dargestellte Lamellierung für NR = 36 ausgelegt, doch kann sie auch mit NR = 32, 38 oder 42 verwendet werden. Zähnezahlen wie NR = 20, 30, 40, 50, usw. sind nur möglich, wenn eine unsymmetrische Lamel lierung gewählt wird, wie sie in der US-Patentschrift 3 866 104 beschrieben ist. Dies bedeutet, daß die maximale Anzahl von Läuferzähnen kleiner ist, weil es immer vier Läufer-Zahnteilungen (Tp) gibt, die nicht in Verbindung mit Läuferzähnen verwendet werden können.
Eine Lamellierungsausbildung eines solchen Motors ist in Fig. 17 (NR = 50) dargestellt.
Die Grundgleichung für einen solchen fünf-phasigen un symmetrischen Motor lautet:
NR = 5p[(n-1) + (K + 3/5)]
Die kleinste mögliche Differenz zwischen NR und NS ist 5p. Bei einem 10-poligen Motor ist die kleinste Differenz mithin zehn, was bei einem Motor für 500 Schritte pro Umdrehung mit einem Winkel von αF = 0,72º bedeutet, daß NR gleich 50 und NS gleich 40 ist. Dies ergibt eine Verringerung des maximal möglichen Drehmoments und ist als ein Nachteil anzusehen. Weitere Nachteile sind folgende:
1. Obwohl das Rast-Drehmoment klein ist, kann es die Schrittwinkelgenauigkeit verringern, da es den Halte-Drehmoment-Gleichgewichtspunkt ändern kann, siehe Fig. 16.
2. Im Halbschritt-Betrieb bei fünf oder drei eingeschalteten Phasen ist die Anzahl der Ständer-Nordpole niemals gleich der Anzahl der Ständer-Südpole, siehe Fig. 20. Dadurch entstehen ungleiche Radialkräfte (siehe Fig. 18), die auf die beiden Läuferkappen wirken, so daß die Lager höheren Kräften ausgesetzt sind. Dies ist auch empfindlicher auf Herstellungstoleranzen und verringert die Schrittwinkelgenauigkeit. Da sich die Anzahl der Nord- und Südpole im Halbschritt-Betrieb bei jedem zweiten Schritt ändert, ändert sich auch die Radialkraft auf die Läuferkappen bei jedem zweiten Schritt. Dies erzeugt in Verbindung mit den vier (oder zwei) größeren Windungsschlitz-ffnungen stärkere Vibrationen bei einigen Drehzahlen.
3. Die unterschiedliche Anzahl von Nord- und Südpolen und die Änderung bei jedem zweiten Schritt erzeugt im Halbschritt-Betrieb höhere Hysteresewerte, da die Zahn- und Polinduktion über die Läuferkappe bei der kleineren Anzahl von Nord- oder Südpolen größer ist.
4. Ein Fünf-Phasen-Motor mit einem Verschiebungswinkel zwischen benachbarten Polen von 3/5 Tp, wie zum Beispiel diesem, gestattet nicht die gleiche Polarität bei zwei benachbarten Polen, wie dies bei dem Motor mit vier Phasen beschrieben wurde. Dies verringert die Stabilität in den Gleichgewichtslagen. Wie schon erwähnt, haben Vier- oder Fünf-Phasen- Schrittmotoren viele Nachteile. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Beseitigung dieser Nachteile, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Hybrid-Schrittmotor anzugeben, bei dem die Drehmoment-Starrheit verbessert und die Drehmomentänderungen auf ein Minimum sowie die Resonanzschwingungen bei der Drehung verringert sind.
Die US-Patentschrift 3 866 104 offenbart einen mehrphasiger hybrider Schrittmotor mit einem Läufersystem, das wenigstens einen axial magnetisierten Dauermagneten mit einer Polkappe auf jeder Seite aufweist, wobei jede Polkappe aus weichmagnetischem Eisen besteht und auf ihrem Umfang eine Anzahl NR von gleich weit auseinanderliegenden, radial nach außen gerichteten Zähnen aufweist; die Läufer-Polkappen auf jeder Seite in Drehrichtung zueinander um eine halbe Zahnteilung (1/2 TP) versetzt sind, wobei Tp = 360º/NR ist; mit einem unsymmetrischen Ständer, der den Läufer umgibt und zehn radial nach innen gerichtete Ständerpole aufweist, von denen jeder Stinderpol eine nicht angezapfte Wicklung aufweist; die Ständerpole zwei oder mehr im Abstand der Zahnteilung Tp auseinanderliegende Zähne aufweisen und die Gesamtzahl der Ständerzähne NS der Beziehung NS -5(n0 + n1) entspricht, in der n0 die Anzahl der Zähne auf jedem von fünf Polen und nl die Anzahl der Zähne auf jedem der übrigen fünf Pole ist, wobei jeder Pol unter den fünf Polen mit n0 Zähnen so angeordnet ist, daß gegenüber jedem der Pole mit n0 Zähnen ein Pol mit nl Zähnen liegt; die Beziehung zwischen der Anzahl der Läuferzähne NR und der Gesamtzahl der Ständerzähne NS die Gleichung NS ≥ 0,8 NR und für die Differenz zwischen NR und NS die Gleichung
NR - NS = K(S0 - S1) + 10(S1 - 1 + B)
gilt, wobei K eine ganze Zahl von 2 bis 5 ist, S0 und S1 möglichst kleine ganze Zahlen sind, so daß S1 ebenfalls gleich S0 sein kann, und B ein Bruchteil von 1 ist, so daß 10B immer eine ganze Zahl ist; und mit ei nem Wicklungsschema, so daß die zehn Wicklungen individuell durch eine Spannungsquelle oder Stromquelle erregt werden können, so daß die zehn Wicklungen soviele Nord- und Südpole wie notwendig bilden, um Ganzschritt- Winkel = elektrischer Winkel von 90º = αF zu erzielen, wobei αF = 360º/10NR und die Halbschritt-Winkel = elektrischer Winkel von 45º = αH sind, wobei aH = 360º/20NR ist, und ein solcher Schrittmotor erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß jeder zweite der zehn Pole einen Zahn mehr als der vorhergehende hat, so daß fünf Pole no Zähne und ihre benachbarten Pole nl Zähne aufweisen; [n0 = n1 + 1; NS = 5(n0 + n1)].
In den beiliegenden Zeichnungen ist:
Fig. 1 eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 2 eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 3 eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 4 ein Vektordiagramm eines Läufers des erfindungsgemäßen Motors,
Fig. 5 ein Drehmoment-Vektordiagramm des erfindungsgemäßen Motors,
Fig. 6 ein Diagramm des Drehmomentverlaufs bei dem erfindungsgemäßen Motor,
Fig. 7 ein Diagramm der sich ändernden Polarität der Ständer-Pole,
Fig. 8 ein weiteres Diagramm der sich ändernden Polarität der Ständerpole,
Fig. 9 eine Vorderansicht eines bekannten Motors,
Fig. 10 eine Schnittansicht eines bekannten Schrittmotors,
Fig. 11 ein Diagramm des Drehmomentverlaufs eines be kannten Schrittmotors,
Fig. 12 ein Vektordiagramm des Halte-Drehmoments eines bekannten Schrittmotors,
Fig. 13 ein Drehmoment-Vektordiagramm eines bekannten Fünf-Phasen-Motors,
Fig. 14 eine Vorderansicht eines symmetrischen bekannten Fünf-Phasen-Schrittmotors,
Fig. 15 ein Drehmoment-Vektordiagramm des bekannten Fünf-Phasen-Motors,
Fig. 16 ein Diagramm des Drehmomentverlaufs des be kannten Motors,
Fig. 17 eine Vorderansicht unsymmetrischer bekannter Ständerpole,
Fig. 18 ein Diagramm der sich ändernden Polarität der Ständerpole einer bekannten Vorrichtung,
Fig. 19 ein Diagramm der sich ändernden Polarität der Ständerpole einer bekannten Vorrichtung und
Fig. 20 ein Diagramm der sich ändernden Polarität der Ständerpole einer bekannten Vorrichtung.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Durch die Erfindung werden wenigstens drei der fünf erwähnten Nachteile des Motors mit zehn Ständerpolen und unsymmetrischem Ständer beschrieben. Nach der Erfindung können aber auch einige Ständerausführungen in allen vier Bereichen verbessert werden. Die erste Ausführung würde zu Verbesserungen der Drehmoment-Starrheit, der Schrittwinkelgenauigkeit und des Wirkungsgrads eines Fünf-Phasen-Motors mit zehn Ständerpolen und NR = 50 führen, wenn ein Verschiebungswinkel von 1/5 zwischen benachbarten Ständerpolen gewählt wird. Statt vier Zähne an jedem der zehn Ständerpole vorzusehen, wird bei jedem zweiten Ständerpol ein weiterer Zahn so ausgebil det, daß gegenüber jedem Ständerpol mit vier Zähnen stets ein Ständerpol mit fünf Zähnen liegt (Fig. 1). Dies ergibt eine Differenz von fünf (50 - (5 x 4) - (5 x 5)) zwischen der Anzahl der Läuferzähne und Ständerzähne, während die herkömmliche Ausführung, wie sie in der US-Patentschrift 3 866 104 beschrieben ist und ihre allgemeine Gleichung eine Differenz von 10 Zähnen ergeben. Das Verhältnis der Ständerzähne zu den Läuferzähnen bei der verbesserten Ausführung ist daher gleich 45/50 = 0,9, während die herkömmliche Ausführung nur ein Verhältnis von 0,8 ermöglicht.
Diese Ausbildung verbessert auch die Drehmomentgleichgewichts-Lagestabilität, da wenigstens zwei benachbarte Ständerpole Nordpole und zwei andere benachbarte Ständerpole Südpole bilden (Fig. 7).
Ferner wird ein besseres Drehzahlverhalten erreicht, weil diese Ausbildung drei größere Wicklungsschlitzöffnungen im Vergleich zu zwei oder vier Schlitzöffnungen bei der herkömmlichen Ausbildung hat. Diese dreieckige Verteilung großer Schlitze zusammen mit der zuvor beschriebenen rechtwinkligen Verteilung radialer Kräfte verringert die Vibration.
Um noch weitere Verbesserungen in allen vier Bereichen bei einer unsymmetrischen Ständerlamellierung mit zehn Ständerpolen zu erreichen, und zwar bei einer Läuferzähnezahl von beispielsweise 40, 50, 80, 90 und 100, wird bei dem nächsten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Verschiebungswinkel zwischen benachbarten Ständerpolen von 3/10 Tp oder 7/10 Tp angewandt. Jeder zweite Ständerpol hat einen Zahn mehr, ebenso wie dies zuvor beschrieben wurde.
Nunmehr lassen sich mithin sehr wichtige Schrittwinkel mit Differenzen zwischen der Anzahl der Läuferzähne und Statorzähne von nur fünf oder sogar nur drei ausbilden.
Außerdem brauchen diese Motoren nur zwei größere Wicklungsschlitzöffnungen mit nur einer Zahnteilung mehr als die anderen acht Öffnungen aufzuweisen. Wichtige Motoren, die zehn äquivalente Schlitzöffnungen haben, können jetzt ebenfalls ausgebildet werden. Die Fig. 2 und 3 stellen zwei typische Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Die auf die Läuferkappen wirkenden Radialkräfte haben jetzt, wie Fig. 4 zeigt, eine dreieckige Verteilung und sind bei beiden Läuferkappen gleichmäßiger. Diese Dreieckformen sind wesentlich unempfindlicher auf Herstellungstoleranzen und verbessern die Schrittwinkelgenauigkeit. Ferner führen sie zu einer Verringerung der Vibration, weil nur zwei größere Schlitzöffnungen vorhanden sind. Fig. 7 stellt die Polarität der Ständerpole für drei aufeinanderfolgende Schritte dar, und wie man sieht, hat dieser Motor in jeder Lage die gleiche Anzahl von Nord- und Südpolen. Dies verringert die Hysterese. Ferner sind wenigstens zwei benachbarte Ständerpole Nordpole und wenigstens zwei andere benachbarte Pole Südpole. Die Drehmomentverbesserung ergibt sich aus dem in Fig. 5 dargestellten Vektordiagramm. Da der Verschiebungswinkel gleich 3/10 Tp oder 7/10 Tp gewählt ist, können diese Motoren mit zehn Ständerpolen als Zehn-Phasen-Motoren mit p = 1 betrachtet werden.
Gemäß den früher entwickelten Grundgesetzen haben diese Motoren ein Rast-Drehmoment, das mit der zehnten Harmonischen der Halte-Drehmoment-Kurve äquivalent ist. Wie Fig. 6 zeigt, verbessert dies das Gleichgewicht in der Drehmoment-Starrheit zwischen den zehn erregten Ständerpolen und acht erregten Ständerpolen. Ferner verbessert es die Schrittgenauigkeit im Halbschritt-Betrieb, da die Halte-Drehmoment-Kurven die Rast-Kurve in den Null-Positionen kreuzen.
Dies ist die Grundgleichung für die erfindungsgemäßen Motoren:
NR - NS = K(So - S1) + 10(S1 - 1 + B)
wobei NS = 5 (n&sub0; + n&sub1;),
n&sub0; = Anzahl der Zähne auffünf Polen
n&sub1; = Anzahl der Zähne auf den anderen fünf Polen,
K = irgendeine ganze Zahl von zwei bis fünf,
S&sub0; und S&sub1; = möglichst kleine ganze Zahlen,
S&sub0; = S&sub1; möglich und
B = ein Bruchteil von eins ist, so daß 10B eine ganze Zahl ist.
Obwohl diese Motoren zehn Phasen haben, können immer zwei entgegengesetzte Phasen kombiniert werden, während zu einer anderen Schritt-Position umgeschaltet wird. Dies ist bereits für den Acht-Ständerpol-Motor mit vier Phasen beschrieben worden. Prinzipiell können diese Zehn-Phasen-Motoren daher über eine Pentagon-Treiberstufe erregt (mit Strom versorgt) werden, wie es in der US-Patentschrift 3 842 332 beschrieben ist. Auch bei einer zweipoligen Stern-Treiberstufe, die die Anzahl der Schalttransistoren im Vergleich zu einer sogenannten Voll-H-Brücken-Treiberstufe um den Faktor zwei verringert. Wie erwähnt, hat die beanspruchte Erfindung folgende Merkmale: Es kann ein genauer Schrittwinkel erzielt werden, zusammen mit der Halte-Drehmoment- Gleichgewichtslagestabilität. Ferner ergeben sich bei dem erwähnten Hybrid-Schrittmotor keine unregelmäßigen Vibrationen während der Drehung, sei es im Ganzschrittoder Halbschritt-Betrieb, aufgrund der gleichen Anzahl von Nord- und Südpolen.

Claims

1. Mehrphasiger hybrider Schrittmotor mit einem Läufersystem (13, 14), das wenigstens einen axial magnetisierten Dauermagneten (13) mit einer Polkappe (14) auf jeder Seite aufweist, wobei jede Polkappe (14) aus weichmagnetischem Eisen besteht und auf ihrem Umfang eine Anzahl NR von gleich weit auseinanderliegenden, radial nach außen gerichteten Zähnen (15) aufweist; die Läufer-Polkappen (14) auf jeder Seite in Drehrichtung zueinander um eine hal be Zahnteilung (1/2 Tp) versetzt sind, wobei Tp = 360º/NR ist; mit einem unsymmetrischen Ständer, der den Läufer (13, 14) umgibt und zehn radial nach innen gerichtete Ständerpole aufweist, von denen jeder Ständerpol eine nicht angezapfte Wicklung aufweist; die Ständerpole zwei oder mehr im Abstand der Zahnteilung Tp auseinanderliegende Zähne aufweisen und die Gesamtzahl der Ständerzähne NS der Beziehung NS = 5(n0 + n1) entspricht, in der n0 die Anzahl der Zähne auf jedem von fünf Polen und n1 die Anzahl der Zähne auf jedem der übrigen fünf Pole ist, wobei jeder Pol unter den fünf Polen mit n0 Zähnen so angeordnet ist, daß gegenüber jedem der Pole mit n0 Zähnen ein Pol mit nl Zähnen liegt; die Beziehung zwischen der Anzahl der Läuferzähne NR und der Gesamtzahl der Ständerzähne NS die Gleichung NS ≥ 0,8 NR und für die Differenz zwischen NR und NS die Gleichung

NR - NS = K(S0 - S1) + 10(S1 - 1 + B)

gilt, wobei K eine ganze Zahl von 2 bis 5 ist, S0 und S1 möglichst kleine ganze Zahlen sind, so daß S1 ebenfalls gleich S0 sein kann, und B ein Bruchteil von 1 ist, so daß 10B immer eine ganze Zahl ist; und mit einem Wicklungsschema, so daß die zehn Wicklungen individuell durch eine Spannungsquelle oder Stromquelle erregt werden können, so daß die zehn Wicklungen soviele Nord- und Südpole wie notwendig bilden, um Ganzschritt-Winkel = elektrischer Winkel von 90º = αF zu erzielen, wobei αF = 360º/10NR und die Halbschritt-Winkel = elektrischer Winkel von 45º = aH sind, wobei αH = 360º/20NR ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zweite der zehn Pole einen Zahn mehr als der vorhergehende hat, so daß fünf Pole n0 Zähne und ihre benachbarten Pole nl Zähne aufweisen; [n0 = n1 + 1; NS = 5(n0 + n1)].

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, bei dem die zehn Polwicklungen so verbunden sind, daß sie eine Dekagon mit zehn Anschlußpunkten bilden, von denen jeder Punkt individuell über elektronische Schalter mit einer Spannungsquelle oder Stromquelle verbunden werden kann, so daß wenigstens zwei benachbarte Pole Südpole sind.

3. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem B gleich 0,3 ist und ein elektrischer Verschiebunqswinkel von 36º zwischen den Polen 1 und 8, zwischen den Polen 2 und 9, zwischen den Polen 3 und 10 usw., in einer Richtung gezählt, erzielt wird.

4. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem B gleich 0,7 ist und ein elektrischer Verschiebungswinkel von 36º zwischen jedem vierten Pol erzielt wird, z.B. zwischen den Polen 1 und 4, zwischen den Polen 2 und 5 usw., in einer Richtung gezählt.

5. Schrittmotor nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei dem die Polwicklungen zweier sich gegenüberliegender Pole so erregt werden, daß die Pole entgegengesetzte Polarität (Nord und Süd) haben.

6. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Konstanten K, S0 und S1 so gewählt sind, daß die Anzahl NS der Zähne des Ständers um zehn kleiner als die Anzahl NR der Zähne des Läufers ist (NS = NR - 10).

7. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem B gleich 0,2 ist und ein elektrischer Verschiebungswinkel von 72º zwischen jedem zweiten benachbarten Pol erreicht wird.

8. Schrittmotor nach Anspruch 7, bei dem die Polwicklungen zweier sich gegenüberliegender Pole so erregt werden, daß die Pole die gleiche Polarität (Nord oder Süd) haben.

9. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem B gleich 0,3 ist und ein elektrischer Verschiebungswinkel von 36º zwischen den Polen 1 und 8, zwischen den Polen 2 und 9, zwischen den Polen 3 und 10 usw., in einer Richtung gezählt, erreicht wird, und daß die Konstanten K und S0 so gewählt sind, daß die Anzahl der Zähne des Ständers um 3 kleiner als die Anzahl NR der Zähne des Läufers ist (NS = NR - 3).

10. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem B gleich 0,3 ist und ein elektrischer Verschiebungswinkel von 36º zwischen den Polen 1 und 8, zwischen den Polen 2 und 9, zwischen den Polen 3 und 10 usw., in der gleichen Richtung gezählt, erreicht wird, und daß die Konstanten K, S0 und S1 so gewählt sind, daß die Anzahl NS der Zähne des Ständers um fünf kleiner als die Anzahl NR der Zähne des Läufers ist (NS = NR - 5).

11. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem B gleich 0,3 ist und ein elektrischer Verschiebungswinkel von 36º zwischen den Polen 1 und 8, zwischen den Polen 2 und 9, zwischen den Polen 3 und 10 usw., in der gleichen Richtung gezählt, erreicht wird und daß die Konstanten K, S0 und S1 so gewählt sind, daß die Anzahl NS der Zähne des Ständers um fünfzehn kleiner als die Anzahl NR der Zähne des Läufers ist (NS = NR - 15).

12. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem B gleich 0,7 ist und ein elektrischer Verschiebungswinkel von 36º zwischen jedem vierten Pol erreicht wird, beispielsweise zwischen den Polen 1 und 4, zwischen den Polen 2 und 5 usw., in der gleichen Richtung gezählt, und daß die Konstanten K, S0 und S1 so gewählt sind, daß die Anzahl NS der Zähne des Ständers um sieben kleiner als die Anzahl NR der Zähne des Läufers ist (NS = NR - 7).

13. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem B gleich 0,2 ist und ein elektrischer Verschiebungswinkel von 72º zwischen jedem zweiten benachbarten Pol erreicht wird und die Konstanten K, S0 und S1 so gewählt sind, daß die Anzahl NS der Zähne des Ständers um fünf kleiner als die Anzahl NR der Zähne des Läufers ist (NS = NR - 5).