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Elektromagnetischer Schrittantrieb ;, insbesondere für
Zählwerke
Die Erfindung betrifft elektromagnetische Schrittantriebe, insbesondere für Zählwerke, mit durch Stromimpulse abwechselnder Richtung gespeister Erregerspule und mindestens einem zu dieser koaxialen, scheibenförmigen Dauermagneten aus hochkoerzitivem Werkstoff mit reversibler Permeabilität von nahezu eins.
Schrittantriebe dieser Art werden z. B. auch zur Fernsteuerung und-messung sowie zum Antrieb von Nebenuhrwerken und Wählern für Fernmeldeanlagen verwendet.
Ein bekannter derartiger Antrieb ist mit einem zylindrischen Läufer aus hochkoerzitivem Magnetwerk- stoff versehen, an dessen beiden Seiten Pole abwechselnder Polarität aufgeprägt und je durch eine nichtma-
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aufgeprägten Pole Ausbuchtungen auf, welche sich den in Drehrichtung folgenden Polen nähern. Diese Ausbildung des Läufers entspricht grundsätzlich derjenigen von Schrittantrieben mit einem Läufer aus einem oder mehreren Weicheisenkörpem, die ebenfalls an ihrem Umfang mit in die Drehrichtung weisenden Ansätzen versehen sind.
Die erstgenannten Schrittantriebe haben den Nachteil, dass der Läufer vor Aufmagnetisierung der Pole entmagnetisiert werden muss, um nachher die Trennung der Pole durch nichtmagnetisierte Zonen zu erreichen ; infolge dieser Magnetisierung werden jedoch bei solchen LäuferMagneten die Stirnflächen nur teilweise für die Bildung des Drehmomentes herangezogen ; weiters weist dieser magnetische Kreis einen verhältnismässig grossen magnetischen Widerstand auf, weil die magnetschen Kraftlinien den wenig permeablen Dauermagnet-Läufer sowie den zwischen letzterem und den Polschuhen vorhandenen Luftspalt mehrere Male durchdringen müssen, so dass der Wirkungsgrad dieses Schrittantriebes verhältnismässig klein ausfällt.
Nach der Erfindung werden nun bei elektromagnetischen Schrittantrieben der eingangs beschriebenen Bauart die oben angeführten Nachteile dadurch behoben, dass die ebenen Stirnflächen jedes Dauermagneten über ihre ganze Fläche abwechselnd polarisiert sind und diese Pole an Tangenten eines gedachten Kreises um die Achse des Schrittantriebes aneinander grenzen und dass mindestens eine axial neben dem bzw. den Dauermagneten angeordnete, mit diesen zusammen die Schrittbewegung erzeugende Zahnscheibe vorgesehen ist, deren Zähne normal zur Drehachse trapezförmig profiliert sind und den Magnetpolen axial gegenüberstehen, wobei die Anzahl der Polpaare des Dauermagneten in einem ganzzahligen Verhältnis zur Zähnezahl der Zahnscheibe steht.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen Schrittantriebes ist nur ein vom Magnetfluss der Erregerspule durchflossener, fest angeordneter Dauermagnet vorgesehen und die mit ihm zusammenwirkende Zahnscheibe als drehbar gelagerter Läufer ausgebildet.
Bei einer andern Variante der Erfindung ist der Schrittantrieb mit zwei fest angeordneten D auermagneten ausgestattet, deren einer vom Magnetfluss der Erregerspule durchflossen ist, wobei zwischen beiden Dauermagneten die Zahnscheibe drehbar gelagert ist ; vorzugsweise sind dabei die Pole beider Dauermagnete gegeneinander versetzt.
Bei einer andern zweckmässigen Ausgestaltung des Schrittantriebes sind ein drehbar gelagerter Dauermagnet sowie zwei axial neben ihm fixierte Zahnscheiben mit achsenparallel vorspringenden, den Magnetpolen axial gegenüberstehenden Zähnen vorgesehen.
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In der Zeichnung ist der erfindungsgemässe elektromagnetische Schrittantrieb in Fig. 1 in axialem Mittelschnitt und in Fig. 2 in Draufsicht nach dem Schnitt li-lI der Fig. 1 dargestellt.
In Fig. 1 ist der aus Weicheisen hergestellte Läufer 1 mit radialen, trapezförmigen Zähnen 2 versehen (s. Fig. 2) und an einer länglichen, magnetisch leitenden Buchse 3 befestigt, die mit einer Achse 4 fest verbunden ist, welch letztere in Lagern 5 und 6 aus magnetisch nicht leitendem Werkstoff drehbar ist ;
Lager 5 ist in einem Träger 7 angeordnet, der mit einem Gehäusedeckel 8 fest verbunden ist, wogegen Lager 6 in einer Hülse 9 aus magnetisch leitendem Werkstoff eingesetzt ist, die ihrerseits mit einer ebenfalls magnetisch leitenden Scheibe 14 und einem Gehäusedeckel 10 fest verbunden ist ; innerhalb beider Gehäusedeckel 8 und 10 - die aus magnetisch leitendem Werkstoff hergestellt sind und den Schrittantrieb abschirmen-befinden sich weiters eine zylindrische Erregerspule 12 sowie zwei an beiden Seiten des Läufers 1 fest angeordnete, ringförmige und mit aufgeprägten Polen versehene Dauermagnete 13 und 15 aus hochkoerzitivemMagnetwerkstoff mit einer Koerzitivkraft von zirka 15 00 Oersted und einer reversiblen Permeabilität von annähernd eins, z. B. aus dem als "Ferroxdure" bekannten Magnetmaterial.
Die auf den Dauermagneten 13 aufmagnetisierten Pole sind in Fig. 2 dargestellt und dabei die Nord- Sudpole mit N und S bezeichnet sowie die Grenzen je zweier benachbarter Pole durch strichlierte Linien 16 angedeutet, die insgesamt-wie aus Fig. 2 ersichtlich - Tangenten an einen zur Läuferachse 4 koaxialen Kreis 17 bezeichnen ; der Dauermagnet 15 weist grundsätzlich gleiche Polanordnung auf wie der Dauermagnet 13, ist aber diesem gegenüber um einen kleinen Winkel versetzt, so dass die Polgrenzen 16 beider Dauermagnete nicht parallel laufen ; weiters geht aus Fig. 2 hervor, dass jedem Zahn 2 des Läufers 1 zwei Pole auf der ihm zugekehrten Seite des Dauermagneten 13 zugeordnet sind.
Zur Erzielung der beschriebenen Magnetisierung der Dauermagnete 13 und 15 werden diese zuerst derart axial magnetisiert, dass ihre eine Stirnfläche beispielsweise einen Nordpol und die andere einen Südpol erhält, wodurch sich also eine vorherigeEntmagnetisierung-wie bei dem eingangs beschriebenen,
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einzelnen, einander mit wechselnder Polarität folgenden Pole erzeugt ; eine Schwächung der benachbarten Pole durch den bei der Magnetisierung entstehenden Streufluss tritt praktisch nicht ein, da erfahrunggemäss längs der Polgrenzen 16 nur äusserst schmale Streifen entmagnetisiert werden-u. zw. vermutlich weil der Streufluss nur in unmittelbarer Nähe der Grenzlinien der Pole genügend intensiv ist, um das hochkoerzitive Magnetmaterial ummagnetisieren zu können.
Beim beschriebenen elektromagnetischen Schrittantrieb durchläuft'der vom Dauermagneten 13 und der Erregerspule 12 herrührende Magnetfluss folgenden Weg : Lagerhülse 9-Buchse 3-Läuferzähne 2- Dauermagnet 13 - Gehäusedeckel 8 und 10-Lagerhülse 9.
Der dargestellte Schrittantrieb hat folgende Wirkungsweise : bei stromloser Erregerspule steht der Läufer 1 in der in Fig. 2 stark ausgezogenen Stellung, in welcher durch jeden einzelnen seiner Zähne ein von dem von ihm überdeckten Polpaar herrührender maximaler Gleichfluss hindurchgeht ; wird nun der Erregerspule 12 ein Fortschaltimpuls zugeführt, der den Läuferzähnen 2 beispielsweise Südpole aufdrückt, so wird der Läufer 1 durch die Südpole S der Dauermagnete 13 und 15 abgestossen und durch ihre Nordpole N angezogen ; infolge der gewählten Form der Läuferzähne 2 und der Pole der Dauermagnete überwiegt die entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtete Kraft, so dass der Läufer 1 in diesem Sinne bewegt wird.
Auf einen Zahn wirken hiebei folgende Kräfte : 1. die Kraft, die den Zahn in diejenige Stellung zu bewegen versucht, in welcher der durch ihn hindurchgehende, von den von ihm überdeckten Polpaaren herrührende Gleichfluss ein Maximum ist ; 2. diejenige Kraft, die der durch das Wechselfeld magnetisierteZahnvon den ihm benachbarten, entgegengesetzt polarisierten Polen erfährt.
Beide Kräfte wirken einander entgegen, so dass der Zahn in einer Stellung stehen bleibt, in welcher sich die Wirkungen beider Kräfte gerade aufheben, in der er aber die labile Gleichgewichtslage in bezug auf die erste Kraft bereits überschritten
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den Stromlosigkeit der Erregerspule 12 wird der Läufer 1 unter dem Einfluss der ersteren Kraft in die durch den strichpunktierten Läuferzahn 22 dargestellte Lage weiterbewegt ; erhält die Erregerspule 12 jetzt einen Fortschaltimpuls entgegengesetzter Polarität wie vorhin, dann wiederholt sich der beschriebene Vorgang mit gleichbleibendem Drehsinn, so dass der Läufer 1 innerhalb der Impuls-Wiederholungszeit zwei Teilschritte ausführt. Der Dauermagnet 15 bewirkt, dass die schrittweise Drehbewegung des Läufers mit grö- sserem Drehmoment erfolgt als ohne den Dauermagneten 15.
Dadurch, dass sich der Wechselfluss von der Buchse 3 her über die Zähne 2 verzweigt und von diesen über den Dauermagneten 13 axial zum Gehäusedeckel 8 verläuft, ist er am Fuss des Zahnes am grössten und an seiner Spitze am kleinsten ; bei gleichbleibender Induktion kann also der Zahn nach aussen hin schmäler werden und dadurch das Trägheitsmoment der Zahnscheibe verringert werden, was für sicheres Ansprechen des Schrittantriebes, insbesondere
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bei schwachen Impulsen, vorteilhaft ist und nach Ablauf jedes Schrittes ein verhältnismässig rasches Stillsetzen des Läufers ermöglicht.
Die Erfindung ist weiters auch nicht auf Schrittantriebe mit fest angeordneten Dauermagneten beschränkt ; es kann vielmehr ohne weiteres anstatt des beschriebenen Läufers 1 ein Dauermagnet verwendet werden, welcher in der in Fig. 2 für den Dauermagneten 13 dargestellten Weise magnetisiert ist ; hiebei ist derDauermagnet zwischen axial neben ihm fixierten Ständerteilen drehbar, die mit axial vorspringenden Zähnen mit in radialer Richtung trapezförmigem Querschnitt versehen sind, wobei Ständer und Läufer innerhalb des hohlzylindrischen Raumes der Erregerspule angeordnet werden können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektromagnetischer Schrittantrieb. insbesondere für Zahlwerke, mit durch Stromimpulse abwechselnder Richtung gespeister Erregerspule und mindestens einem zu dieser koaxialen, scheibenförmigen Dauermagneten aus hochkoerzitivem Werkstoff mit reversibler Permeabilität von nahezu eins, dadurch gekennzeichnet, dass die ebenen Stirnflächen jedes Dauermagneten (13,15) über ihre ganze Fläche abwechselnd polarisiert sind und diese Pole an Tangenten (16) eines gedachten Kreises (17) um die Achse (4) des Schrittantriebes aneinander grenzen und dass mindestens eine axial neben dem bzw.
denDauermagne- ten (13, 15) angeordnete, mit diesen zusammen die Schrittbewegung erzeugende Zahnscheibe (1) vorgesehen ist, deren Zähne (2) normal zur Drehachse (4) trapezförmig profiliert sind und den Magnetpolen axial gegenüberstehen, wobei die Anzahl der Polpaare des Dauermagneten (13, 15) in einem ganzzah- ligen Verhältnis zur Zähnezahl der Zahnscheibe (l) steht.