Elektromagnetischer Schrittantrieb Schrittantriebe werden zum Beispiel für den An trieb von Nebenuhrwerken und Wählern für Fern meldeanlagen verwendet. Bei einer bekannten Aus führung eines solchen Schrittantriebes ist ein zylindri- scher Läufer aus einem hochkoerzitiven Magnetwerk stoff vorgesehen, der derart magnetisiert ist, dass er an beiden Seiten aufgeprägte Pole abwechselnder Po larität aufweist, die je durch eine nichtmagnetisierte Zone voneinander getrennt sind.
Jedem Polpaar ist ein feststehendes Polschuhpaar zugeordnet, das an die betreffende Seite des zylindrischen Läufers herange führt ist. Auf beiden Seiten des Läufers ist koaxial zur Läuferachse eine Erregerspule zur Magnetisierung der Polschuhe vorgesehen. Zwecks Erreichung einer ein deutigen Drehrichtung weisen die dem Läufer aufge prägten Pole Ausbuchtungen auf, welche sich den in der gewählten Drehrichtung folgenden Polen nähern. Prinzipiell entspricht diese Läuferausführung derjeni gen von Schrittantrieben, bei denen der Läufer aus einem oder mehreren Weicheisenkörpern besteht, die ebenfalls zur Erzielung einer bestimmten Drehrich tung an ihrem Umfang mit in dieser Drehrichtung wei senden Ansätzen versehen sind.
Die erstgenannten Schrittantriebe haben den Nachteil, dass, bevor die Pole dem Läufer aufmagnetisiert werden können, letz terer entmagnetisiert werden muss, damit nach der Erzeugung der Pole diese durch nichtmagnetisierte Zonen voneinander getrennt sind. Infolge dieser Ma gnetisierung werden die Stirnflächen solcher Läufer magnete nur teilweise für die Drehmomentbildung herangezogen.
Ein weiterer Nachteil dieses Schritt antriebes ist der verhältnismässig grosse magnetische Widerstand des magnetischen Kreises, weil die magne tischen Kraftlinien den wenig permeablen Dauer magnetläufer und den zwischen letzterem und den Polschuhen vorhandenen Luftspalt mehrere Male durchdringen müssen, so dass der Wirkungsgrad dieses Schrittantriebes verhältnismässig klein ausfällt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Schrittantrieb mit einer durch Stromimpulse wechselnder Richtung gespeisten Er regerspule und mindestens einem scheibenförmigen Dauermagneten aus einem Magnetwerkstoff mit einer Koerzitivkraft von etwa 15 0@ 00 0e, dessen reversible Permeabilität nahezu 1 ist, bei welchem Schrittantrieb die obgenannten Nachteile dadurch behoben sind,
dass die ebenen Stirnflächen des Dauermagneten aufge prägte Pole abwechselnder Polarität aufweisen, welche Pole die Stirnflächen des Dauermagneten ganz bean spruchen und durch Berührungslinien an einen koaxial zu der Drehachse des Schrittantriebes gedachten Kreis voneinander getrennt sind, wobei der Dauermagnet mit mindestens einem Zähne aufweisenden .Teil zu sammenwirkt, welche Zähne senkrecht zur Drehachse je einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Schrittantrieb im Schnitt und Fig. 2 eine Ansicht gemäss der Schnittlinie <B>A -A</B> der Fig. 1.
In Fig. 1 bedeutet 1 einen aus Weicheisen her gestellten Läufer, der mit radial verlaufenden, trapez- förmigen Zähnen 2 (s. Fig. 2) versehen ist. Der Läu fer 1 ist an einer länglichen, magnetisch leitenden Buchse 3 befestigt, die mit einer Achse 4 fest verbun den ist, welch letztere in Lager 5 und 6 aus magne tisch nichtleitendem Werkstoff drehbar gelagert ist.
Das Lager 5 ist in einem Lagerträger 7 angeordnet, der mit einem Gehäusedeckel 8 fest verbunden ist, während das Lager 6 in einer Lagerhülse 9 aus ma gnetisch leitendem Werkstoff untergebracht ist, die ihrerseits mit einer ebenfalls aus magnetisch leitendem Werkstoff hergestellten Scheibe 14 und einem Ge häusedeckel 10 fest verbunden ist. Die beiden Ge häusedeckel 8 und 10 sind aus magnetisch leitendem Werkstoff hergestellt und schirmen den Schrittantrieb magnetisch ab.
Innerhalb der Gehäusedeckel 8 und 10 befindet sich weiter eine zylindrische Erregerspule 12 sowie zwei an beiden Seiten des Läufers 1 ringförmige und mit aufgeprägten Polen versehene, fest angeord nete Dauermagnete 13 und 15. Letztere sind aus einem hochkoerzitiven Magnetwerkstoff mit einer Koerzitivkraft von etwa 15 000 Oersted und einer re versiblen Permeabilität von angenähert 1 hergestellt, z. B. aus dem unter dem Markenwort Ferroxdure (eingetragene Marke) bekannten Magnetmaterial.
Die auf den Dauermagneten 13 aufmagnetisierten Pole sind in der Fig. 2 dargestellt, in der die Nord- und Südpole mit N bzw. S bezeichnet sind. Die Grenzlinie zwischen je zwei benachbarten Polen ist durch eine gestrichelte Linie 16 angedeutet. Wie weiter aus der Fig. 2 ersichtlich ist, sind alle diese Grenzlinien 16 Berührungslinien eines koaxial zu der Läuferachse 4 gedachten Kreises 17. Der Dauermagnet 15 weist die selbe Polanordnung auf wie der Dauermagnet 13, ist aber gegenüber diesem um einen kleinen Winkel ver- setzt, so dass die Polgrenzlinien 16 der beiden Dauer magnete nicht parallel laufen.
Des weiteren geht aus der Fig. 2 hervor, dass jedem Zahn 2 des Läufers 1 zwei Pole auf der ihm zugekehrten Seite des Dauer magneten 13 zugeordnet sind. Zur Erzielung der be schriebenen Magnetisierung der Dauermagnete 13, 15 werden diese zuerst derart axial magnetisiert, dass die eine Stirnfläche derselben beispielsweise einen Nord pol und die andere einen Südpol erhält. Eine voraus gehende Entmagnetisierung, wie sie bei dem eingangs beschriebenen, bekannten Schrittantrieb erforderlich ist, erübrigt sich also hier.
Anschliessend werden durch sektorweise Ummagnetisierung die einzelnen, einan der mit wechselnder Polarität folgenden Pole erzeugt. Eine Schwächung der benachbarten Pole durch den bei der Magnetisierung auftretenden Streufluss tritt praktisch nicht auf, da erfahrungsgemäss nur äusserst schmale Streifen längs der Polgrenzlinien 16 ent magnetisiert werden.
Dies dürfte darauf zurückzufüh- ren sein, dass der Streufluss nur in unmittelbarer Nähe der Polgrenzlinien genügend intensiv ist, um das hoch- koerzitive Magnetmaterial ummagnetisieren zu kön nen.
Der von dem Dauermagneten 13 und der Erreger spule 12 herrührende Magnetfluss durchläuft bei der beschriebenen Ausführungsform folgenden Weg: La gerhülse 9, Buchse 3, Läuferzähne 2, Dauermagnet 13, Gehäusedeckel 8, 10 und zurück zur Lagerhülse 9. Die Wirkungsweise ist folgende: Im unerregten Zu stand steht der Läufer 1 in der in der Fig. 2 gezeich neten Stellung. Wird der Erregerspule 12 ein Fort schaltimpuls zugeführt, beispielsweise von solcher Po larität, dass die Läuferzähne 2 Südpole werden, so wird der Läufer 1 durch die Südpole S des Dauer magneten 13 abgestossen und durch die Nordpole N angezogen.
Infolge der gewählten Form der Läufer- zähne 2 und der Pole des Dauermagneten 13 über wiegt die im Gegenuhrzeigersinn gerichtete Kraft, so dass der Läufer 1 in diesem Drehsinn um einen Schritt weitergeschaltet wird und eine Lage einnimmt, die in der Fig. 2 durch den strichpunktierten Läuferzahn 21 angedeutet ist. Während der darauffolgenden Strom- losigkeit der Erregerspule 12 wird der Läufer 1 unter dem Einfluss des Dauermagneten 15 in die durch den strichpunktierten Läuferzahn 22 dargestellte Lage wei terbewegt. Wenn die Erregerspule 12 jetzt einen Fort schaltimpuls entgegengesetzter Polarität erhält, wie derholt sich der beschriebene Vorgang mit gleichblei bendem Drehsinn.
Innerhalb der Impulswiederholungs- zeit führt der Läufer 1 somit zwei Teilschritte aus, von denen der eine durch den Fortschaltimpuls und der andere durch den Dauermagneten 15 bewerkstel ligt wird. Letzterer bewirkt, dass die schrittweise Dreh bewegung des Läufers mit einem grösseren Dreh moment erfolgt, als dies ohne Dauermagneten 15 der Fall wäre. Überdies ist durch die beschriebene Aus führung des Läufers mit nach aussen schmal zulaufen den Zähnen das Trägheitsmoment des Läufers ver hältnismässig klein.
Dieser Umstand wirkt sich auf die Ansprechempfindlichkeit des Schrittantriebes günstig aus und ermöglicht ein verhältnismässig rasches Still setzen des Läufers nach Ablauf eines Schrittes.
Obwohl im Ausführungsbeispiel ein Schrittantrieb mit zwei Dauermagneten beschrieben worden ist, kann derselbe auch nur mit dem Dauermagneten 13 aus geführt werden. In diesem Fall erfolgt die Schrittbewe gung des Läufers 1 in einem Zuge, das heisst ohne den durch den Dauermagneten 15 bedingten Teil schritt.
Weiter ist die Erfindung nicht auf einen Schritt antrieb beschränkt, bei dem der Dauermagnet bzw. die Dauermagnete fest angeordnet sind. Es ist viel mehr möglich, anstelle des beschriebenen Läufers 1 einen Dauermagneten zu verwenden, welcher in der in der Fig. 2 für den Dauermagneten 13 dargestellten Weise magnetisiert ist. Vorteilhafterweise wird der Dauermagnet in diesem Fall zwischen zwei Ständer teilen angeordnet, die mit axial vorspringenden, senk recht zu der Drehachse je einen trapezförmigen Quer schnitt aufweisenden Zähnen versehen sind.
Durch diese Anordnung ergibt sich der Vorteil, dass beide Seiten des Dauermagneten ausgenutzt werden. Ständer und Läufer können bei dieser Ausführung innerhalb des hohlzylindrischen Raumes der Erregerspule an geordnet werden.
Electromagnetic stepper drive Stepper drives are used, for example, to drive slave clocks and selectors for telecommunications systems. In a known embodiment of such a stepper drive, a cylindrical rotor made of a highly coercive magnetic material is provided which is magnetized in such a way that it has alternating polarity impressed poles on both sides, each separated by a non-magnetized zone.
Each pair of poles is assigned a fixed pair of pole shoes, which leads to the relevant side of the cylindrical rotor. An excitation coil for magnetizing the pole shoes is provided on both sides of the rotor, coaxially to the rotor axis. In order to achieve a clear direction of rotation, the poles embossed on the runner have bulges which approach the following poles in the selected direction of rotation. In principle, this runner version corresponds to those of stepper drives in which the runner consists of one or more soft iron bodies, which are also provided on their circumference with white approaches in this direction of rotation to achieve a certain direction of rotation.
The first-mentioned stepper drives have the disadvantage that, before the poles can be magnetized to the rotor, the latter must be demagnetized so that after the poles have been generated, they are separated from one another by non-magnetized zones. As a result of this Ma gnetisierung the end faces of such rotor magnets are only partially used for the torque generation.
Another disadvantage of this step drive is the relatively large magnetic resistance of the magnetic circuit, because the magnetic lines of force have to penetrate the less permeable permanent magnet rotor and the air gap between the latter and the pole pieces several times, so that the efficiency of this step drive is relatively small.
The present invention relates to an electromagnetic stepper drive with a coil fed by current pulses of alternating direction and at least one disc-shaped permanent magnet made of a magnetic material with a coercive force of about 15 0 @ 00 0e, the reversible permeability of which is almost 1, with which step drive the above disadvantages are resolved by this,
that the flat end faces of the permanent magnet have embossed poles of alternating polarity, which poles claim the end faces of the permanent magnet completely and are separated from each other by lines of contact on an imaginary circle coaxial to the axis of rotation of the stepper drive, the permanent magnet having at least one tooth interacts which teeth each have a trapezoidal cross-section perpendicular to the axis of rotation.
An embodiment of the invention is shown in the drawing. There are shown: FIG. 1 a stepper drive in section and FIG. 2 a view according to the section line A-A in FIG. 1.
In Fig. 1, 1 means a runner made of soft iron, which is provided with radially extending, trapezoidal teeth 2 (see FIG. 2). The Läu fer 1 is attached to an elongated, magnetically conductive socket 3, which is firmly verbun with an axis 4, which latter is rotatably mounted in bearings 5 and 6 made of magnetically non-conductive material.
The bearing 5 is arranged in a bearing carrier 7, which is firmly connected to a housing cover 8, while the bearing 6 is housed in a bearing sleeve 9 made of ma magnetically conductive material, which in turn with a disc 14 and a Ge also made of magnetically conductive material housing cover 10 is firmly connected. The two Ge housing covers 8 and 10 are made of magnetically conductive material and shield the stepper drive magnetically.
Inside the housing cover 8 and 10 there is also a cylindrical excitation coil 12 and two permanent magnets 13 and 15, ring-shaped on both sides of the rotor 1 and provided with impressed poles. The latter are made of a highly coercive magnetic material with a coercive force of about 15,000 oersteds and a re versible permeability of approximately 1 produced, e.g. B. from the magnet material known under the brand name Ferroxdure (registered trademark).
The poles magnetized on the permanent magnet 13 are shown in FIG. 2, in which the north and south poles are denoted by N and S, respectively. The boundary line between two adjacent poles is indicated by a dashed line 16. As can also be seen from FIG. 2, all these boundary lines 16 are lines of contact of an imaginary circle 17 coaxially to the rotor axis 4. The permanent magnet 15 has the same pole arrangement as the permanent magnet 13, but is offset by a small angle with respect to it , so that the pole boundary lines 16 of the two permanent magnets do not run parallel.
Furthermore, it can be seen from Fig. 2 that each tooth 2 of the rotor 1 has two poles on the side of the permanent magnet 13 facing it. To achieve the magnetization of the permanent magnets 13, 15 as described, these are first axially magnetized in such a way that one end face thereof receives, for example, a north pole and the other a south pole. A previous demagnetization, as is necessary in the case of the known stepper drive described at the beginning, is therefore unnecessary here.
Subsequently, the individual poles following one another with alternating polarity are generated through sector-wise reversal of magnetization. There is practically no weakening of the adjacent poles due to the leakage flux occurring during magnetization, since experience has shown that only extremely narrow strips along the pole boundary lines 16 are magnetized.
This is probably due to the fact that the leakage flux is only sufficiently intense in the immediate vicinity of the pole boundary lines to be able to remagnetize the high-coercive magnetic material.
The magnetic flux originating from the permanent magnet 13 and the exciter coil 12 runs through the following path in the embodiment described: La gerhülse 9, socket 3, rotor teeth 2, permanent magnet 13, housing cover 8, 10 and back to the bearing sleeve 9. The mode of action is as follows: In the unexcited To stand is the runner 1 in the drawn in Fig. 2 designated position. If the excitation coil 12 is supplied with a switching pulse, for example of such a polarity that the rotor teeth 2 are south poles, the rotor 1 is repelled by the south pole S of the permanent magnet 13 and attracted by the north pole N.
As a result of the selected shape of the rotor teeth 2 and the poles of the permanent magnet 13, the counterclockwise force prevails, so that the rotor 1 is advanced by one step in this direction of rotation and assumes a position indicated by the dash-dotted line in FIG Rotor tooth 21 is indicated. During the subsequent currentlessness of the excitation coil 12, the rotor 1 is further moved under the influence of the permanent magnet 15 into the position shown by the dash-dotted rotor tooth 22. If the excitation coil 12 now receives a switching pulse of opposite polarity, how the process described repeats itself with the same direction of rotation.
Within the pulse repetition time, the rotor 1 thus performs two partial steps, one of which is accomplished by the incremental pulse and the other by the permanent magnet 15. The latter has the effect that the step-by-step rotational movement of the rotor takes place with a greater torque than would be the case without permanent magnets 15. In addition, the runner's moment of inertia is relatively small by the described execution of the runner with the teeth tapering to the outside.
This fact has a favorable effect on the responsiveness of the stepper drive and enables the runner to stop relatively quickly after a step has elapsed.
Although a stepper drive with two permanent magnets has been described in the exemplary embodiment, the same can also only be performed with the permanent magnet 13. In this case, the step movement of the rotor 1 takes place in one go, that is to say without the step required by the permanent magnet 15.
Furthermore, the invention is not limited to a step drive in which the permanent magnet or the permanent magnets are fixedly arranged. Instead of the rotor 1 described, it is much more possible to use a permanent magnet which is magnetized in the manner shown in FIG. 2 for the permanent magnet 13. Advantageously, the permanent magnet is arranged between two stator parts in this case, which are provided with axially projecting, perpendicular to the axis of rotation each having a trapezoidal cross-section having teeth.
This arrangement has the advantage that both sides of the permanent magnet are used. Stator and rotor can be arranged in this version within the hollow cylindrical space of the excitation coil.