-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Motorzusammensetzung und insbesondere
eine Motorzusammensetzung, deren Leistung durch eine Verbesserung
ihres Magnetkreises verbessert worden ist.
-
Schrittmotoren
werden umfänglich
in Ausrüstungen
zur Büroautomatisierung,
Ausrüstungen für Computerperipherie,
Industrieausrüstungen
und ähnlichem
verwendet. Der Schrittmotor ist ein elektrischer Motor, der rotierend
angetrieben wird durch einen pulsierenden Eingangs-Wechselstrom. Der Drehwinkel
ist proportional zu der Anzahl der Impulse des Eingangs-Wechselstroms
und die Drehgeschwindigkeit ist proportional zur Frequenz desselben.
Dementsprechend besteht keine Notwendigkeit, die Rotorposition des
Schrittmotors zu erfassen. Da nämlich
der Schrittmotor in einem offenen System betrieben wird, rotiert
der Rotor so, daß die
magnetische Reluktanz minimiert wird. Dementsprechend hängt die
Rotationsbedingung des Rotors sowohl vom magnetischen Fluß ab, der
vom Rotor erzeugt wird (magnetische Flußverteilung des Magneten),
als auch vom magnetischen Fluß,
der vom Stator erzeugt wird (magnetische Flußverteilung des Ankers).
-
Die
Form des Statorpolzahns als Schnittstelle zwischen dem Rotor und
dem Stator, insbesondere die Form des Statorpolzahns eines Klauenpoltyps, kann
aufgrund von technischen Schwierigkeiten beim Herstellen nicht mit
einer beträchtlichen
Länge ausgebildet
werden. Wenn er zu lang gemacht wird, ist der Polzahn in der Form
eines Trapezoids ausgebildet, der eine breitere Basis aufweist,
um zu verhindern, daß in
dem Polzahn eine magnetische Sättigung
auftritt. Weiterhin sind die Statorpolzähne, die eine Phase bilden,
mit derselben Form ausgebildet. Dementsprechend hat der Schrittmotor
einen Defekt, der darin besteht, daß seine Rotationsfluktuation
so groß wird,
daß sie
Schwingungen erzeugt, wenn er angetrieben wird.
-
In
moderner Hochleistungs-Ausrüstung
gibt es wachsende Möglichkeiten,
daß die
Schwingung, die im Schrittmotor auftritt, andere Komponententeile negativ
beeinflußt
und Fehlfunktionen in der Ausrüstung
verursacht. Dementsprechend werden als Verfahren zum Unterdrücken der
Motorschwingung ein Verfahren zum Halten des Schrittmotors in einer
beweglich eingehängten
Bedingung unter Verwendung eines schwingungsfesten Gummis, wie in
der Veröffentlichung
des japanischen Patents mit Offenlegungsnummer Hei 4-26355 offenbart,
und ein Verfahren zum Vermindern von Schwingung durch Modifizieren
der Antriebsschaltung, wie in der Veröffentlichung des japanischen
Gebrauchsmusters mit Veröffentlichungsnummer
Sho 59-111500 offenbart, verwendet. Diese Verfahren waren unvermeidbar
begleitet durch eine Vergrößerung in
der Zahl der Komponententeile und Schaltungskomplexität und führen deswegen
zu einer Vergrößerung der
Kosten. Ferner waren diese Verfahren Gegenmaßnahmen, die man von außerhalb
des Schrittmotors vorgenommen hat, wobei man die Quelle der Schwingungen,
die im Körper
des Schrittmotors existieren, beläßt und deswegen waren sie keine
wesentlichen Lösungen
des Problems. Andere Motoren als Schrittmotoren, die magnetische
Pole haben, beispielsweise Gleichstrom-Servomotoren und bürstenlose
Motoren, haben ebenfalls ähnliche
Probleme.
-
Um
einen Motor mit niedriger Schwingung durch Abschneiden der Quelle
zum Unterdrücken
der Schwingung des Motors selbst zu erhalten, ist es ein wirksamer
Weg, das Rastmoment zu erniedrigen. Obwohl das Rastmoment durch
Vergrößern des Spalts
zwischen dem Rotor und dem Polzahn erniedrigt werden kann als eine
allgemeine Praxis zum Erniedrigen des Rastmoments, folgt es unvermeidbar der
Erniedrigung des dynamischen Moments und dementsprechend ist die
Leistung des Schrittmotors verschlechtert. Deswegen wird es notwendig,
die Analyse des Rastmoments als Hauptschwingungsquelle voranzutreiben
und eine niedrige Schwingung des Motors ohne Verschlechterung seiner
Leistung zu erzielen, indem man Änderungen
in der Motorzusammensetzung vornimmt.
-
CH-A-521043
offenbart einen Schrittmotor mit einer Zustands-Anweisung, die beabsichtigt, Schwingungen
zu vermindern.
-
FR-A-1197112
offenbart einen Motor, in dem die Form der Polzähne innerhalb des Motors variiert.
-
Nach
der vorliegenden Erfindung wird eine Motorzusammensetzung bereitgestellt,
wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben beschriebenen technischen
Anforderungen zu erfüllen
und es ist eine Aufgabe der Erfindung, so weit wie möglich die
Motorschwingung zu vermindern, die auf höher harmonische Komponenten
zurückgeht,
die in der Wellenform der induzierten elektromotorischen Kraft enthalten
sind, die in der Ankerspule induziert wird. Durch die Analyse des
Rastmoments wurde gefunden, daß die
Größe der Schwingung
bestimmt wird durch die Menge der höheren Harmonischen, insbesondere
der dritten Harmonischen, die in der induzierten elektromotorischen Kraft-Wellenform enthalten
ist, und weiter, als der Faktor, der die Menge der dritten Harmonischen
beeinflußt,
wurde gefunden, daß die
Schräge
der seitlichen Seite des Polzahns, der den Magnetpol des Statorjochteils
(im folgenden Schrägungsmaß genannt)
die Phase der höheren
Harmonischen ändert, obwohl
er nicht den Anteil der höheren
harmonischen Komponenten ändert.
Aus diesen Faktoren wurde bestätigt,
daß eine
gewisse Beziehung (quadratische funktionale Beziehung) zwischen
der Phase der dritten Harmonischen und der Phase der Grundwelle
besteht und daß es
keine Korrelation zwischen dem Schrägungsmaß (innerhalb des Bereichs,
in dem die Schrägung
variabel ist) und der Amplitude der harmonischen Komponente gibt,
aber sie von der Lücke zwischen
benachbarten Polzähnen
abhängt.
-
Dementsprechend
werden, während
die Entfernung zwischen den Polzähnen
eines Paares von Statorjochteilen, die eine Phase bilden, in geeigneter Weise
gesetzt wird, die Größen (Bereiche)
der Polzähne,
die eine Phase bilden, unterschiedlich voneinander gemacht oder
die Schrägungsmaße der Polzähne werden
so eingestellt, daß sich
eine Phasenverschiebung eines elektrischen Winkels von 180° zwischen
den dritten Harmonischen ergibt, die in dem Paar von Statorjochteilen
auftreten, und dadurch wird bewirkt, daß die dritten Harmonischen
einander auslöschen
und eine induzierte elektromotorische Kraft- Wellenform, die praktisch keine harmonischen
Komponenten aufweist, kann erhalten werden. Somit wird eine Unterdrückung der
Motorschwingungen erzielt. Weiterhin kann durch Einstellen der Entfernung
zwischen den Polzähnen
auf einen geeigneten Wert größer als
die Entfernung zwischen dem Polzahn und dem anderen Teil in gegenüberliegender
Beziehung damit (der Rotormagnet im Fall einer rotierenden elektrischen
Maschine) die Schwingung in großem
Maße vermindert
werden ohne das dynamische Moment abzusenken.
-
In
der beigefügten
Zeichnung:
-
1 ist
eine perspektivische Ansicht der Erfindung mit einem weggebrochenen
Teil, angewendet auf einen 2-Phasen-Schrittmotor des Klauenpoltyps.
-
2 ist
eine Abwicklung, die den Stator-Polzahn-Bereich der Erfindung zeigt.
-
3 ist
eine vergrößerte Teilansicht
des Stator-Polzahn-Bereichs,
der in 2 gezeigt ist.
-
4 ist
ein charakteristisches Diagramm, das die Beziehung zeigt zwischen
dem Schrägungsmaß eines
Polzahnes eines 2-Phasen-Schrittmotors vom Klauenpoltyp und der
Phase der dritten Harmonischen, die in der induzierten elektromotorischen Kraft-Wellenform,
die in der Ankerspule erzeugt wird, enthalten ist.
-
5 ist
eine beispielhafte Zeichnung, die eine Definition des Schrägungsmaßes eines
Polzahnes gibt.
-
6 ist
ein charakteristisches Diagramm, das Daten zeigt, in denen das gesamte
Verzerrungsverhältnis
der Harmonischen des Schrittmotors nach der Erfindung und die dritten
Harmonischen-Anteile desselben unterdrückt sind.
-
7 ist
ein charakteristisches Diagramm, das die Abnahme der Drehschwingung
des Motors nach der Erfindung zeigt.
-
8 zeigt
Diagramme, die einen Vergleich zwischen den Rastmomenten von Schrittmotoren
eines herkömmlichen
Typs und der vorliegenden Erfindung beispielhaft zeigen.
-
9 ist
ein Vergleichsdiagramm, das die Winkelfehler von Schrittmotoren
eines herkömmlichen
Typs und der vorliegenden Erfindung vergleicht.
-
10 zeigt
Vergleichsdiagramme, die Intrittfall- und Außertrittfall-Momente von Schrittmotoren
eines herkömmlichen
Typs und der vorliegenden Erfindung vergleicht.
-
11 ist
eine Vorderansicht, die eine weitere Ausführungsform des Polzahns zeigt
mit unterschiedlichen Beträgen
der Schrägung
nach der Erfindung.
-
12 ist
eine Vorderansicht, die eine Ausführungsform des Polzahnes mit
asymmetrischen Schrägungsmaßen nach
der Erfindung zeigt.
-
13 ist
eine Abwicklung der vorliegenden Erfindung, angewendet auf einen
Linearmotor.
-
Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird im einzelnen beschrieben unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen. 1 ist eine perspektivische Teilansicht
eines 2-Phasen-Schrittmotors vom Klauenpoltyp, auf den die vorliegende
Erfindung angewendet wird, 2 ist eine
Abwicklung des Stator-Polzahn-Teils, der in 1 gezeigt
ist, und 3 ist eine vergrößerte Abwicklung
des Polzahn-Bereichs, der darin gezeigt ist. 4 ist ein
Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Schrägungsmaß des Polzahnes eines 48-Schritt-Schrittmotors
und der Phase der dritten Harmonischen zeigt, die in der induzierten
elektromotorischen Kraft-Wellenform enthalten ist, die in der Ankerspule
durch die Rotation des Rotors induziert wird bezogen auf die Grundwelle (erhalten
als Ergebnisse von Experimenten). 5 ist ein
Diagramm, das das Schrägungsmaß des Polzahnes
definiert. In 5 ist das Schrägungsmaß s definiert
als s = 2C/τ P,
worin C = 1/2 des schrägen Teils
der seitlichen Seite des Polzahnes und τ P = die Polteilung (Länge des
elektrischen Winkels π)
ist.
-
Unter
Bezugnahme auf 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 einen
Rotor, der einen ersten Teil bildet, der einen Permanentmagneten 10 mit
24 Polen von N-Polen und S-Polen
abwechselnd magnetisiert auf seiner Umfangsfläche und eine drehende Welle 11 aufweist,
die in seiner Mitte mit Hilfe von Einpressen befestigt ist. Bezugszeichen 2a bezeichnet
eine A-Phasen-Spule, die gebildet ist aus einer Wicklung mit einem
Polyurethan-Kupferdraht, der um denselben gewickelt ist. Bezugszeichen 2b bezeichnet
eine B-Phasen-Spule, die dieselbe Struktur wie die A-Phasen-Spule 2a aufweist.
Bezugszeichen 3 bezeichnet ein äußeres Joch, das 12 Polzähne 3a in einer
Kamm-Zähne-Form
hat, die als Magnetpole dienen, die auf seiner inneren peripheren
Oberfläche angeordnet
sind. Bezugszeichen 4 bezeichnet ein inneres Joch, das,
wie das äußere Joch 3, 12 Polzähne 4a in
der Kamm-Zähne-Form hat, die als
magnetische Pole dienen, die auf seiner inneren Umfangsfläche angeordnet
sind. Jeder von ihnen hat, wie in 2 gezeigt,
solch eine Ausbildung, daß die
Spule 2a oder 2b sandwichartig zwischen dem äußeren Joch 3 und
dem inneren Joch 4 angeordnet ist, und ein A-Phasen-Stator 5a,
der das zweite Teil bildet, und ein B-Phasen-Stator 5b,
der in gleicher Weise das zweite Teil bildet, sind jeweils aus jeder
der Spulen gebildet. Weiterhin sind die beiden inneren Joche in
einer Rücken-an-Rücken-Weise
aneinander befestigt, so daß der
A-Phasen-Stator 5a und der B-Phasen-Stator 5b eine Phasendifferenz
eines elektrischen Winkels von 90° zwischen
sich haben.
-
Weiterhin
sind das äußere Joch 3 zusammen mit
einem Flansch 6 an der oberen Seite und das äußere Joch 3 an
der unteren Seite jeweils mit einem Lager 7 versehen (das
Lager an der unteren Seite ist nicht gezeigt). Die drehende Welle 11,
die den Rotor 1 trägt,
ist durch die Lager drehbar gelagert. Die Magnetisierung des Permanentmagneten 10 des
Rotors 1 ist so vorgesehen, daß die Flußverteilung eine sinusförmige Wellenform
annimmt. Hier ist, was das Schrägungsmaß des Polzahns 3a des äußeren Jochs 3 und
das Schrägungsmaß des Polzahns 4a des
inneren Jochs 4 betrifft, das den A-Phasen-Stator 5a und
den B-Phasen-Stator 5b bildet, das Schrägungsmaß des Polzahnes 4a so
eingestellt, daß es größer ist
als das andere, wie in 2 und 3 gezeigt,
so daß die
magnetischen Flüsse,
die mit der A-Phasen-Spule 2a und der B-Phasen-Spule 2b in den
magnetischen Kreisen einschließlich
des Rotors 1 verkettet sind, d.h. den Phasen der dritten
Harmonischen, die in der induzierten elektromotorischen Kraft-Wellenform
sowohl in der A-Phase
als auch in der B-Phase in bezug auf die Grundwelle enthalten sind,
sich auf einen elektrischen Winkel von 180° belaufen können.
-
Obwohl
das Schrägungsmaß des Polzahnes 4a des
inneren Jochs 4 in der vorliegenden Ausführungsform
so gesetzt ist, daß es
größer als
das des äußeren Jochs 3 ist,
ist offensichtlich, daß derselbe Effekt
auch erhalten werden kann, wenn das Schrägungsmaß des Polzahnes 3a des äußeren Jochs 3 umgekehrt
größer gemacht
ist als das des inneren Jochs 4. Durch die oben beschriebene
Anordnung wird, wenn der Rotor 1 gedreht wird (der Motor
ist angetrieben) durch eine Leistungszufuhr von der Antriebsschaltung
zur A-Phasen-Spule 2a und der B-Phasen-Spule 2b des Motors, die Phase
der erzeugten dritten Harmonischen, die vom Schrägungsmaß des Polzahnes 3a des äußeren Jochs 3 abhängt, und
die Phase der erzeugten Harmonischen, die vom Schrägungsmaß des Polzahnes 4a des
inneren Jochs 4 abhängt,
in der induzierten elektromotorischen Kraft-Wellenform, die auf
die A-Phasen-Spule 2a (oder B-Phasen-Spule 2b)
durch einen A-Phasen-Stator 5a (oder B-Phasen-Stator 5b)
vollständig entgegengesetzt,
d.h. sie haben eine Phasendifferenz zwischen ihnen von einem elektrischen
Winkel von ungefähr
180° und
ihre Amplituden werden gleich. Deswegen löschen sie, wenn sie synthetisiert werden,
einander aus und die dritte harmonische Komponente wird praktisch
null.
-
Die
Ergebnisse sind in 6 gezeigt. Wie aus 6 hervorgeht,
wurde verglichen mit herkömmlichen
Produkten das Verzerrungsverhältnis der
Gesamtharmonischen in der induzierten elektromotorischen Kraft-Wellenform
reduziert von 10% auf 1,6% und der Gehalt an dritten Har monischen
wurde reduziert von 9% auf 0,9%. Als eine Wirkung, die man aus dem
obigen erhält,
wurden die Motorschwingungen auf 1/2 der in den herkömmlichen
Produkten vermindert, wie in 7 gezeigt.
Weiterhin wurde durch die Vergrößerung des
Schrägungsmaßes das
Rastmoment vermindert um ungefähr
60% verglichen mit herkömmlichen
Produkten, wie in 8 gezeigt. Deswegen wurde die
Wirkung des Rastmoments kleiner und der Winkelfehler wurde vermindert
von ± 4%
in den herkömmlichen
Produkten auf weniger als ± 2%,
wie in 9 gezeigt, wodurch eine Verbesserung in der Genauigkeit
des Winkels erzielt wurde. Weiterhin wurde, da der Anteil der dritten
Harmonischen (Gesamtharmonische) an dem wirksamen magnetischen Fluß extrem
klein wurde, das Moment, das als eine Bremse auf das dynamische
Moment wirkt, das durch die Grundwelle erzeugt wird, sehr klein,
und da die Entfernung zwischen benachbarten Polzähnen praktisch gleich beibehalten
wurde, wie in den herkömmlichen
Produkten, der Streufluß kaum
variiert und damit wird das dynamische Moment des Motors auf demselben
Pegel wie das von herkömmlichen
Produkten gehalten oder etwas verbessert über das, wie in 10 dargestellt.
-
Als
Grund, warum das Moment um einen gewissen Grad vergrößert wird,
kann erwähnt
werden, daß das
Rastmoment kleiner gemacht worden ist und deswegen das Bremsmoment
kleiner gemacht worden ist, während
das dynamische Moment, das die Leistung des Motors erzeugt, auf
denselben Pegel wie von herkömmlichen
Produkten gehalten wird. Als Ergebnis kann das dynamische Moment
größer als bei
herkömmlichen
Produkten erhalten werden.
-
Nach
der vorliegenden Erfindung kann, wie oben beschrieben, eine Ungleichförmigkeit
in der Rotation des Rotors 1 aufgrund von dritten Harmonischen
als Hauptfaktor für
die Motorschwingungen eliminiert werden, die Genauigkeit des Winkels
und ähnliches
kann verbessert werden und die Motorschwingung kann vermindert werden,
ohne das dynamische Moment zu vermindern.
-
11 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Art der Konfiguration (Anordnung) von Polzähnen, die unterschiedliche
Schrägungsmaße haben, und 12 zeigt
eine Ausführungsform,
in der die Schrägungsmaße asymmetrisch
gemacht worden sind.
-
Während die
Erfindung oben beschrieben worden ist bezogen auf eine Ausführungsform,
die auf einem Schrittmotor des Klauenpoltyps ausgeführt worden
ist, kann die Erfindung auch angewendet werden auf Polzähne von
solchen elektrischen Rotationsmaschinen, wie beispielsweise Gleichstrom-Servomotoren
und bürstenlose
Motoren und, weiter, auf einen Schrittmotor vom linearen Typ, wie in 13 gezeigt.
-
Da
die vorliegende Erfindung, wie oben im einzelnen beschrieben ist,
so in einer Motorzusammensetzung angeordnet ist, daß ein Polzahn
und der Polzahn, der diesem entspricht und die eine Phase bilden,
so gemacht worden sind, daß sie
unterschiedliche Formen haben, d.h. unterschiedliche Bereiche oder
unterschiedliche Schrägungsmaße haben,
so daß die
dritten Harmonischen, die durch Veränderungen in den magnetischen
Flüssen,
die mit diesen Polzähnen
verkettet sind, erzeugt werden, einander auslöschen können, können die Rotationsschwingungen,
die bislang ein Problem gewesen sind, vermindert werden, ohne die
dynamischen Drehmomenteigenschaften des Motors abzusenken und daneben
kann die Genauig keit bei der Bestimmung der Bewegung des Rotors
verbessert werden.