CH628475A5

CH628475A5 - Hochleistungsschrittmotor.

Info

Publication number: CH628475A5
Application number: CH688178A
Authority: CH
Inventors: Dan W Matthias; Richard D Thornton
Original assignee: Exxon Research Engineering Co
Priority date: 1977-06-24
Filing date: 1978-06-23
Publication date: 1982-02-26
Also published as: BE868375A; NL7808466A; US4288709A; US4198582A; GB1604267A; CA1101035A; DE2826940A1; IT7824817A0; JPS5410915A; IT1096805B; AU9192582A; FR2395633A1; FR2395633B1; BR7803887A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Hochleistungsschrittmotoren und zwar sowohl Linear- als auch Rotationsmotoren für die verschiedensten Verwendungszwecke einschliesslich der elektronischen Schreibmaschinen.

Zur schrittweisen Durchführung von Bewegungsabläufen sind bereits Schrittmotoren mit variabler Reluktanz eingesetzt worden. Für Anwendungsbereiche, in denen ein hohes Kraft-zu-Masse-Verhältnis erforderlich ist, sind in manchen Fällen solche Schrittmotoren nicht zum Einsatz gekommen, da die Kraft pro Einheit der zu bewegenden Masse nicht so hoch ist wie bei manchen Gleichstrommotoren einschliesslich der Drehgleichstrommotoren des Kollektortyps und linearen Schwingspulengleichstrommotoren.

Die US-PS 3 292 065 beschreibt einen Schrittmotor mit variabler Reluktanz des Lineartyps. Bei dieser Ausführungsform, die das höchste Kraft-zu-Masse-Verhältnis erreicht, wird der Stator bei den verschiedenen Polstellen auf beiden Seiten des sich längs erstreckenden Stator/Statorluftspaltes erregt, d.h. es handelt sich um eine doppelseitige Erregung. Dieses Kraft-zu-Masse-Verhältnis besitzt jedoch zwei gravierende Nachteile. Erstens gestattet der beschriebene Aufbau Streuverluste des magnetischen Russes in Längsrichtung durch den Läufer. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass die unmagnetischen Unterbrechungen zwischen den Zähnen des Läufers relativ flach sind, d.h. diese Unterbrechungen erstrek-ken sich nicht senkrecht oder quer zur Bewegungsrichtung des Läufers um eine wesentlich grössere Strecke als der Abstand zwischen den Zähnen. Darüber hinaus finden sich in dem Gleitstück keine zusätzlichen Unterbrechungen aus unmagnetischem Material. Dementsprechend wird eine ziemlich unbegrenzte Strecke für den magnetischen Längsfluss durch das Material des Läufers für Streuverluste des magnetischen Flusses gebildet, wodurch das Kraft-zu-Masse-Verhältnis des Motorläufers vermindert wird. Zum zweiten erstreckt sich der Läufer nach der genannten Patentschrift nach aussen über die Enden des Stators hinaus, so dass ein wesentlicher Teil des Läufers keine Kraft auf diesen überträgt. Ausserdem erzeugen die sich über den Luftspalt hinaus erstreckenden Teile Endeffekte, die sich nachteilig auf den Antrieb auswirken. Ausserdem ist herauszustellen, dass die in dem erwähnten Patent beschriebenen Ausführungsformen mit dem höchsten Kraft-zu-Masse-Verhältnis einen Stator mit Wicklungen oder Erregern auf beiden Seiten des sich längs erstreckenden Spaltes, der den Läufer aufnimmt, erforderlich machen.

Auch die US-PS 3 867 676 beschreibt einen Schrittmotor mit variabler Reluktanz des Lineartyps mit doppelseitiger Erregung. Hier wird dem Streuverlust des magnetischen Längsflusses oder dessen nachteiligen Einfluss auf das Kraft-zu-Mas-se-Verhältnis keine Bedeutung beigemessen. Die minimale

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Dicke des dort beschriebenen Läufers, der die Strecke des magnetischen Längsflusses für den Streuverlust bildet, ist immer beträchtlich in bezug auf die maximale Dicke an den Enden der Zähne, d. h. die minimale Dicke beträgt mindestens 25 % der maximalen Dicke. Die Verringerung des Streuverlustes des magnetischen Längsflusses findet dort keine Erwähnung, und es wird keine Anregung in der Beschreibung gegeben, dass ein solcher Streuverlust verringert wird. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 9, wo ein minimaler Streuverlust des magnetischen Längsflusses vorliegt, da die Dicke des Läufers wesentlich geringer ist als die maximale Dicke, ist das Kraft-zu-Masse-Ver-hältnis besonders klein. Dieses kleine Kraft-zu-Masse-Verhältnis ist das Ergebnis eines einzelnen Zahns pro Statorpol, und der Läufer besitzt immer einen wesentlichen Teil der sich über den Aufbau des Stators hinaus erstreckt und damit keine Kraft erzeugt.

In ähnlicher Weise beschreibt auch die US-PS 3 162 796 einen Schrittmotor mit variabler Reluktanz des Lineartyps, wobei jedoch kein Interesse gezeigt wird, ein hohes Kraft-zu-Masse-Verhältnis zu erreichen. Bei allen dort beschriebenen Ausführungsformen ist ein einzelner Zahn pro Statorpol vorgesehen, und der Läufer erstreckt sich über den Aufbau des Stators hinaus, so dass ein geringes Kraft-zu-Masse-Verhältnis erzeugt wird. Bei allen beschriebenen Ausführungsformen wirkt kein Statoraufbau auf das Innere des zylindrischen Läufers, und die minimale Dicke des Läufers ist nahezu so gross wie die maximale Dicke, so dass ein Rückfluss längs durch den Läufer ermöglicht wird, was notwendigerweise das Kraft-zu-Masse-Verhältnis verringert. Die Ausführungsform gemäss den Fig. 14 und 15 beschreibt die Verwendung eines Statoraufbaus, die eine «Gewichtsverringerung» des Läufers gestatten soll, obwohl keine Anleitung gegeben wird, wie das Kraft-zu-Masse-Verhältnis erhöht werden soll, und die Form der Zähne schliessen jede wirkungsvolle Krafterzeugung durch den äusseren Statoraufbaus in Fig. 14 aus, während der innere Statoraufbau gemäss Fig. 14 ein niedriges Kraft-zu-Masse-Verhältnis nahelegt. In Verbindung mit Fig. 15 wird der Vorschlag gemacht, dass ein Teil des Läufers zwischen den Zähnen auch aus unmagnetischem Material bestehen kann. Es gibt jedoch keinen Hinweis darauf, dass das nicht-magnetisierbare Material gewählt wird, um die Streuverluste magnetischen Längsflusses zu begrenzen, und der Vorschlag, dass als Material «austenitischer Bohrstahl» verwendet werden soll, schliesst jede Gewichtsverringerung aus.

Ein Aufsatz mit dem Titel «Characteristics of a Synchro-nous Inductor Motor», Snowdon and Madsen, Trans. AIEE (Applications in Industry) Band 8, Seiten 1 bis 5, März 1962, beschreibt einen Schrittmotor, der auf den Stator beschränkt ist. Das Kraft-zu-Masse-Verhältnis ist jedoch verhältnismässig klein, da der Rotor als Rückweg für den magnetischen Längs-fluss auf einen einseitigen Stator wirkt. Um diesen Rückweg für den magnetischen Längsfluss zu erzeugen, muss die minimale Dicke des Rotors zwischen dessen Zähnen beträchtlich im Hinblick auf die maximale Dicke des Rotors im Bereich der Zähne sein. Ein Aufsatz mit dem Titel «A Self-Oscillating Induction Motor for Shuttle Propulsion», Laithwaite and Law-renson, Proc. IEE. Band 104, Teil A, Nr. 14, April 1957, schlägt vor, den Rotor von Snowdon und Madsen aufzuwinden. Der sich ergebende Läufer würde jedoch einen Rückweg für den magnetischen Längsfluss für einen einseitigen Läufer darstellen. Dementsprechend würde auch dann, wenn der Läufer gekürzt würde, wie dies in einem Aufsatz mit dem Titel «Linear Induction Motors», Laithwaite, IEE, Nr. 2433, Dezember 1957 beschrieben ist, würde der Läufer nach wie vor ein verhältnismässig geringes Kraft-zu-Masse-Verhältnis besitzen. Obwohl dieses Kraft-zu-Masse-Verhältnis erhöht werden kann, indem man einen doppelseitigen Stator verwendet, wie er in «Linear Inductors» beschrieben wird, würde die Ausbildung des Läufers mit seinen Streuverlusten des magnetischen Längsflusses nach wie vor das Kraft-zu-Masse-Verhältnis erheblich einschränken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schrittmotor mit einem hohen Kraft-zu-Masse-Verhältnis zu schaffen. Dabei soll der Schrittmotor auch geometrische Vorteile zusammen mit einem hohen Kraft-zu-Masse-Verhältnis erbringen. Schliesslich soll sich der Schrittmotor verhältnismässig kostengünstig herstellen lassen, ohne dass hierunter das hohe Kraft-zu-Masse-Verhältnis leidet.

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Hochleistungsschrittmotor gelöst, der einen Stator besitzt mit einer Anzahl von Polstellen, wobei jede der Polstellen eine Anzahl von magnetischen Statorelementen auf sich gegenüberliegenden Seiten eines Luftspaltes aufweist, zwischen denen sich unmagnetisches Material auf beiden Seiten des Luftspaltes befindet. Um jedes Statorelement an den Polstellen sind Wicklungen zur Erzeugung einer magnetischen Flussstrecke quer zum Luftspalt gelegt.

Ein passives Bewegungselement ist innerhalb des Luftspaltes vorgesehen mit einer Vielzahl von Zähnen, zwischen denen sich unmagnetisches Material befindet. Das Bewegungselement besitzt Vorsprünge, die den Statorelementen zur Schliessung der quer zum Luftspalt gerichteten magnetischen Flussstrecke gegenüber liegen. Gemäss der Erfindung ist das Bewegungselement auf den Luftspalt begrenzt, wobei die magnetische Kraft auf beide Seiten des Luftspaltes wirkt, während das Bewegungselement ausserdem unmagnetische Unterbrechungen aufweist, die durch unmagnetisches Material ausgefüllt sind, wodurch im wesentlichen jeder Streuverlust des magnetischen Längsflusses eliminiert wird.

Es ist vorteilhaft, wenn im Aktivierungselement Unterbrechungen im magnetischen Material vorgesehen sind, die durch unmagnetisches Material zwischen den Vorsprüngen der passiven Elemente ausgefüllt sind, um die Streuverluststrecke in Bewegungsrichtung des passiven Elements auf weniger als 25 % des Magnetflusses durch die Querflussstrecke zu vermindern. Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform vermindern die Unterbrechungen in dem magnetischen Material die Streuverluste auf weniger als 10% des Magnetflusses durch die magnetische Querflussstrecke. Zur gleichen Zeit verringern die Unterbrechungen, die mit unmagnetischem Material ausgefüllt sind, die Masse des Bewegungselementes, wodurch das Kraft-zu-Masse-Verhältnis des Bewegungselementes erhöht wird. Gemäss bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden die Streuverluste des magnetischen Längsflusses des Bewegungselementes vermindert und das Kraft-zu-Masse-Verhältnis erhöht durch die Anordnung der Unterbrechungen, die die minimale Dicke des Bewegungselementes auf weniger als 25 % der maximalen Dicke bei den Vorsprüngen des Bewegungselementes beschränken, wobei dieser Wert bevorzugt bei weniger als 15 % liegt.

Die Unterbrechungen in dem Bewegungselement können so vorgesehen sein, indem man das Bewegungselement mit einer Vielzahl von Zähnen auf den sich gegenüberliegenden Seiten versieht, wodurch Elemente gebildet werden, die den Statorelementen gegenüber liegen. Um zusätzlich Unterbrechungen zu schaffen, können Löcher in dem Bewegungselement vorgesehen sein. Nach einer anderen Ausführungsform kann das Bewegungselement einzelne, nicht miteinander in Verbindung stehende Elemente tragen, zwischen welchen einzelne Elemente unmagnetischen Materials angeordnet sind.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Bewegungselement die Form eines Läufers im Fall eines Linearmotores oder eines Rotors im Fall eines Rotationsmotors besitzt. Wenn das Bewegungselement als Läufer ausgebildet ist, ist dieser kurz in bezug auf die Länge des Stators. Wenn das Bewegungselement als Rotor ausgebildet ist, kann dieser eine im wesentlichen

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ebene Form besitzen für die Verwendung in einem Schrittmotor mit axialem Luftspalt, oder der Rotor kann becherförmig ausgebildet sein, wenn er in einem Schrittmotor mit radialem Lufspalt eingesetzt wird.

Die Erregerwicklungen können auch lediglich auf einer Seite des Luftspaltes angeordnet sein. Diese einseitige Erregung kann sowohl für den Linearschrittmotor als auch für den Rotationsschrittmotor vorgesehen sein, wodurch sich wesentliche geometrische Vorteile ergeben, d.h. der Wegfall der Wicklungen auf einer Seite des Luftspaltes ermöglicht eine grössere Freiheit bei der Montage des Motors und wenn Belastungen auf das Bewegungselement übertragen werden sollen. Bei der einseitigen Erregung ist es besonders wichtig, geringe Streuverluste des magnetischen Längsflusses durch das Bewegungselement zu erreichen, um das Kraft-zu-Masse-Verhältnis zu erhöhen. Es ist ausserdem wichtig, die Streuverluste des magnetischen Längsflusses zu vermindern, um sicherzustellen,

dass die Kräfte auf das Bewegungselement auf jeder Seite des Luftspaltes im wesentlichen gleich oder zumindest ausgeglichen sind.

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt im einzelnen:

Fig. 1 einen Aufriss eines erfindungsgemässen Linear-schrittmotors,

Fig. 2 eine schematische Teilansicht in grösserem Massstab des Läufers in dem Luftspalt des in Fig. 1 dargestellten Schrittmotors in einer Polstellung,

Fig. 3 einen Aufriss eines mit den erfindungsgemässen Merkmalen versehenen Linearschrittmotors,

Fig. 4 eine Darstellung des Läufers innerhalb des Linearschrittmotors gemäss Fig. 3 in grösserem Massstab,

Fig. 5 einen Aufriss einer anderen Ausführungsform des Läufers, der die Merkmale der Erfindung trägt,

Fig. 6 einen Aufriss einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemässen Läufers,

Fig. 7 eine auseinandergezogene Darstellung eines Rotationsmotors gemäss der Erfindung mit einem axialen Luftspalt, Fig. 8 die Draufsicht auf den Rotor gemäss Fig. 7, Fig. 9 einen Teilschnitt entlang der Schnittline 9-9 der Fig. 8,

Fig. 10 einen Teilschnitt durch die Achse eines erfindungsgemässen Rotationsmotors mit radialem Luftspalt,

Fig. 11 einen Schnitt durch den Motor gemäss Fig. 10, entlang der Schnittlinie 11—11 der Fig. 10, und

Fig. 12 einen Teilansicht des Becherrotors des Motors gemäss Fig. 10, entlang der Schnittlinie 12-12 der Fig. 10.

In Fig. 1 ist ein Linearschrittmotor mit variabler Reluktanz dargestellt mit einem Stator 10. Der Stator 10 besitzt einen aktiven Teil 12 und einen inaktiven Teil 14, wodurch der Statorluftspalt 16 zwischen einer Vielzahl von Polstellen 181; 182, 183 und I84 gebildet wird. Die Erregung in Form der Wicklungen 20j, 202,203 und 204 sind bei jeder Polstellung 18!—184 auf dem aktiven Teil 12 des Stators 10 vorgesehen. Durch den Einsatz der einseitigen Erregung kann der Aufbau auf einer Seite des Luftspaltes wesentlich vereinfacht werden, so dass hierdurch beträchtliche geometrische Vorteile, eine wirtschaftlichere Herstellung und eine Gewichtsverminderung erzielbar sind. Es ist jedoch besonders wichtig, die Streuverluste des magnetischen Längsflusses durch den Läufer 22 zu begrenzen, um eine maximale ausgeglichene Kraft auf das passive Bewegungselement zu erzielen.

Das passive Bewegungselement in der Form eines Läufers 22 befindet sich innerhalb des Luftspaltes 16 zur linearen Bewegung nach den verschiedenen Polstellen 18t—184. Wie am deutlichsten aus Fig. 2 ersichtlich ist, besitzt der Läufer 22 eine Vielzahl von passiven magnetischen Bewegungselementen oder Zähnen 24, die sich quer durch den Luftspalt 16 über die

Länge des Läufers 22 erstrecken. Die Zähne 24 arbeiten mit Statorelementen oder Zähnen 26 des Stators 10 auf beiden Seiten des Luftspaltes 16 in jeder der Polstellen 181-184 zusammen, so dass die magnetische Querflussstrecke über den Spalt geschlossen wird.

Gemäss der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung besitzt der Läufer 22 im wesentlichen nicht-magne-tische Unterbrechungen in der Form von unmagnetischem Material 28 zwischen den Zähnen 24, wodurch im wesentlichen jeder Streuverlust des magnetischen Längsflusses durch den Läufer eliminiert wird, während gleichzeitig das Gewicht des Läufers verringert wird, wodurch sich das Kraft-zu-Masse-Verhältnis des Motors erhöht. Wie sich im besonderen aus Fig. 1 ergibt, ist bei dieser Ausführungsform der Läufer 22 kurz in bezug auf die Gesamtlänge des Luftspaltes 16, um sicherzustellen, dass der Läufer 22 und alle Zähne 24 innerhalb des Luftspaltes liegen, so dass die Kraft auf den Läufer 22 erhöht und jegliche Endeffekte eliminiert werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass im wesentlichen auf alle Läuferzähne 24 eine Kraft übertragen wird. In Fig. 2 ist der Läufer 22 schematisch dargestellt und enthält nicht mehr als die sich bewegenden Zähne 24, die durch das unmagnetische Material 28 voneinander getrennt sind, mit Luftspalten, die sich vollständig über die Breite des Läufers 22 erstrecken. Tatsächlich müssen die Zähne miteinander in Verbindung stehen, obwohl das Gewicht der Verbindungsstruktur vorzugsweise gering gehalten wird, um ein hohes Kraft-zu-Masse-Verhältnis zu erzielen. Es soll nun auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen werden, gemäss welchen der Läufer 22 unabhängige und feste, unmagnetische Einsätze enthält und die Wicklungen 20t, 202, 203 und 204 im einzelnen dargestellt sind.

Wie die Fig. 3 zeigt, sind jeweils die beiden Wicklungen 20t in Reihe miteinander verbunden wie jeweils auch die beiden Wicklungen 202. Ein Mehrphasenantrieb ist an die Wicklungen 20i und 202 angeschlossen, so dass eine Phase Px an die Wicklungen 201 und eine andere P2 an die Wicklungen 202 angeschlossen ist. In einer ähnlichen Weise sind andere Antriebsphasen an die teilweise dargestellten Wicklungen 203 und 204 angeschlossen, so dass die Wicklungen 20j—204 nacheinander erregt werden, womit eine schrittweise Erregung der Polstellen 18 j-184 erfolgt.

Wie die Fig. 3 zeigt, liegen die Zähne 24 bei der Polstelle I83 genau den Zähnen 26 bei der gleichen Polstelle gegenüber, während die Zähne 24 bei den verbleibenden Polstellen gegenüber den Zähnen 26 versetzt sind. Dies ist das Ergebnis einer gleichzeitigen Erregung der Wicklungen 202,203 und 204 während einer von acht Phasen oder Erregungsschritten. Die magnetischen Flussstrecken Fp verlaufen längs durch den Stator 10 und quer über den Läufer 22, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, bei gleichzeitiger Erregung der Wicklungen 202,203 und 204. Während der nächsten oder zweiten Erregungsphase werden die Wicklungen 203 und 204 erregt, so dass sich der Läufer 22 um einen Abstand weiterbewegt, der ein Achtel des Zahnabstandes p der Zähne 16 ausmacht. Bei der nächsten Erregungsphase werden die Wicklungen 203,204 und 20! gleichzeitig erregt, so dass ein weiterer Bewegungsschritt erfolgt, der ein Achtel des Zahnabstandes p der Zähne 26 ausmacht, mit einer genauen Ausrichtung zwischen den Zähnen 24 und den Zähnen 26 bei der Polstelle 184. Diese schrittweise Bewegung des Läufers 22 setzt sich entsprechend den hinlänglich bekannten Prinzipien fort. Anderseits können vier Erregungsphasen eingesetzt werden, um einen schrittweisen Vorschub von jeweils einem Viertel des Zahnabstandes p zwischen den Vorderkanten oder Hinterkanten von jeweils zwei benachbarten Zähnen 26 zu erreichen bei jeweils vier aufeinanderfolgenden Wicklungserregungen.

Wie bereits erwähnt, werden die Streuverluste des magnetischen Längsflusses durch den Läufer 22, d.h. die Streuverlu-

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ste des magnetischen Längsflusses in Richtung der Längsbewegung durch den Lufstpalt 16 minimiert, um ein hohes Kraft-zu-Masse-Verhältnis zu erzielen. Diese minimalen Streuverluste des magnetischen Längsflusses werden erzielt, indem man einzelne magnetische Zähne 24 zwischen im wesentlichen unmagnetischem Material anordnet, womit im wesentlichen oder vollständig die Streuverluste des magnetischen Längsflusses durch den Läufer 22 eliminiert werden. Gemäss anderen Ausführungsformen der Erfindung, die nachfolgend noch beschrieben werden sollen, macht der magnetische Längsfluss weniger als 25 % des magnetischen Querflusses aus, und vorzugsweise weniger als 10%. Bei der in den Fig. 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsform können die Zähne 24 mit den Einsätzen aus unmagnetischem Material 28 verklebt werden. Es wurde gefunden, dass als unmagnetisches Material mit Glas versetztes Epoxy-Harz oder Keramik verwendet werden kann, wobei sich als besonders geeigneter Kleber ein Epoxy-Harz erwiesen hat. In Fig. 4 ist der magnetische Querfluss durch einen Pfeil Ft angegeben, während der magnetische Längsfluss durch einen Pfeil FL angezeigt ist. Dieser magnetische Längsfluss wird gemäss dieser Ausführungsform im wesentlichen eliminiert, weshalb der Pfeil FL als gestrichelte Linie angegeben ist. Durch die Eliminierung der Streuverluste des magnetischen Längsflusses bewirkt der gesamte durch den Stator 10 erzeugte magnetische Fluss eine nützliche Kraft auf den Läufer. Darüber hinaus bedeutet die Abwesenheit der Streuverluste des magnetischen Längsflusses, dass die auf den Läufer 22 übertragenen Kräfte auf jeder Seite des Luftspaltes ausgeglichen sind, so dass unerwünschte Anziehungskräfte zwischen dem Läufer und einer Seite des Stators nicht auftreten.

Um gemäss der Erfindung ein hohes Kraft-zu-Masse-Verhältnis für den Läufer 22 zu erzielen, was durch eine Herabsetzung des Gewichtes des Materials 28 bewerkstelligt wird, ist jede Polstelle 18!—184 mit einer Anzahl von Zähnen 26 versehen, um die in jeder Polstelle erzeugte Kraft zu erhöhen. Acht solcher Zähne 26 sind dargestellt, obwohl eine beliebige Zahl von Zähnen je Pol Verwendung finden könnte, wobei jedoch die Zähne vorzugsweise dünn sind, um die Kraft zu erhöhen und die Wirbelströme zu vermindern. Natürlich stimmt man die Zahl der Zähne 24 des Läufers 22 entsprechend ab.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 soll nun eine andere Ausführungsform des erfindungsgemässen Läufers 32 erläutert werden. Wie dort gezeigt, erstrecken sich die Zähne 34 von einem mittleren Halteteil 36 nach aussen, wodurch das Gewicht nur geringfügig erhöht wird, während anderseits nur eine sehr schmale Strecke für Streuverluste des magnetischen Längsflusses gebildet wird. Das unmagnetische Material zwischen den Zähnen 34, das durch die Luftspalte 38 gebildet wird, erstreckt sich senkrecht zur Längsbewegungsrichtung durch den Luftspalt 16 in Fig. 3, um einen Abstand, der wesentlich grösser ist als die Dicke des mittleren Halteteils 36, d.h. die minimale Dicke des Läufers.

Gemäss der Erfindung besitzen die Zähne 34 des Läufers 32 eine hinreichende Höhe, so dass die minimale Dicke tmin im mittleren Halteteil 36 geringer als 25 % der maximalen Dicke tmax und vorzugsweise geringer als 15% ist.

Wie durch den Pfeil FL angezeigt, existiert ein gewisser magnetischer Längsfluss durch den mittleren Halteteil 36 des passiven Läufers, der in Fig. 5 dargestellt ist. Der magnetische Längsfluss Fl ist jedoch immer noch geringer als 25 % des magnetischen Querflusses Ft und vorzugsweise geringer als 10%. Als Ergebnis wird ein hohes Kraft-zu-Masse-Verhältnis erzielt. Es leuchtet natürlich ein, dass der Läufer 32 in dem Stator gemäss den Fig. 1 und 3 eingesetzt werden soll. Der Läufer ist dementsprechend kurz in bezug auf die Gesamtlänge des Stators 10, und die Zähne 34 entsprechen in Anzahl und Abstand den Zähnen 24.

Die Fig. 6 zeigt noch eine weitere Ausführungsform des passiven Läufers 42 mit einer Anzahl von passiven Elementen oder Zähnen 44, die sich auf einander gegenüberliegenden Seiten eines Halteelementes 46 befinden, der auch in dem Stator gemäss den Fig. 1 und 3 eingesetzt werden kann. Um den magnetischen Längsfluss Fl durch das Halteelement 46 zu begrenzen und den magnetischen Querfluss Ft zu erhöhen, besitzt das Halteelement 46 eine Anzahl von Öffnungen 50 verschiedener Grösse und Ausbildung, die die magnetische Längsfluss-strecke vermindern und weiterhin dazu dienen, die Masse des Läufers, der in Fig. 6 dargestellt ist, zu verringern. Hieraus ergibt sich, dass das Kraft-zu-Masse-Verhältnis des Linearmotors erheblich gesteigert wird.

Obwohl sieh der Läufer gemäss Fig. 6 im Erscheinungsbild von demjenigen der Fig. 5 unterscheidet, kann er auch innerhalb des Stators gemäss Fig. 1 eingesetzt werden, und die kritischen Beziehungen, die im Zusammenhang mit dem Läufer gemäss Fig. 3 erläutert wurden, gelten hier ebenfalls. So ist beispielsweise die effektive minimale Dicke tmin t + tmin 2 immer noch klein in bezug auf die maximale Dicke tmax, d.h. geringer als 25 % und vorzugsweise geringer als 15 %.

Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 6 wie auch bei der Ausführungsform gemäss Fig. 3 werden die Streuverluste des magnetischen Längsflusses FL wesentlich vermindert in bezug auf den magnetischen Querfluss Ft. Im einzelnen ist der magnetische Längsfluss geringer als 25 % des magnetischen Querflusses und vorzugsweise geringer als 10%. Bei dieser Ausführungsform tritt ein gewisser Streuverlust um die Öffnungen 50 ein, da dies die magnetische Querflussstrecke FT erfordert. Dementsprechend müssen tmin ! udn tmìn 2 hinreichend sein, um den magnetischen Querstrom zu ermöglichen, wobei vorzugsweise tmin ] und tmin 2 grösser sind als die doppelte Zahnbreite tw.

In diesem Zusammenhang bedeutet die maximale Dicke oder die maximale effektive Dicke die Dicke des Läufers oder des Haltesegmentes im wesentlichen quer zu dem Luftspalt 16. Es leuchtet natürlich ein, dass die Läufer gemäss den Fig. 1 bis 6 auch eine gewisse Dicke senkrecht zum Quer- und Längsfluss besitzen, d.h. in einer Richtung in die Zeichenebene bzw. den Luftspalt 16 gemäss den Fig. 1 und 3 hinein. Tatsächlich kann diese Dimension, die als Weite bezeichnet werden soll, wesentlich grösser sein als die maximale Dicke des Läufers in einer Richtung im wesentlichen parallel zum magnetischen Querfluss. Ausserdem ist herauszustellen, dass die Läufer 22, 32 und 42 wie auch der Stator 10 aus mehreren Schichten über die Weite des Läufers bestehen können, um Wirbelströme gemäss einer hinlänglich bekannten Praxis zu vermindern.

Es soll nachfolgend Bezug auf die Fig. 7 bis 9 genommen werden, welche einen Rotationsschrittmotor variabler Reluktanz mit einem axialen Luftspalt zeigen, der mit den erfindungsgemässen Merkmalen behaftet ist. Im einzelnen besitzt der in Fig. 7 dargestellte Motor einen Stator 110 mit einem aktiven Teil 112 sowie einem inaktiven Teil 114. Mit anderen Worten, wird der Stator 110 nur auf einer Seite des Luftspaltes 116 erregt, der infolge der auseinandergezogenen Darstellung in Fig. 7 grösser gezeigt ist. Der Stator 110 bildet eine Anzahl von Polstellen 118^ 1182, 1183 und 1184. Um die sich axial erstreckenden Teile der Polstruktur sind an jeder Polstelle 118!— 1184 Wicklungen 120i, 1202, 1203 und 1204 gelegt.

Der erregte oder aktive Teil 112 des Stators 110 besitzt ein selbsttragendes magnetisches Material, welches eine Anzahl von aktiven Elementen oder Zähnen 126 an jeder Polstelle bildet, die über den Luftspalt 116 einer Anzahl von Statorzähnen 130 gegenüberliegen, welche Abschnitte bilden, die von einem Verbindungselement 132 des unerregten Teils 114 des Stators 110 getragen werden. Es leuchtet ein, dass die Zähne 130 der verschiedenen Polstellen 118i_4 des unerregten Teils 114 genau den Zähnen 126 an den verschiedenen Polstellen 118!—1184 auf dem erregten Teil 112 gegenüberliegen.

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Gemäss der Erfindung besteht das passive Bewegungselement in Form eines Rotors 122 aus einem nicht-magnetischen Gehäuse 128, welches eine Anzahl einzelner magnetischer Elemente oder Abschnitte 124 magnetisch isoliert trägt. Wie die Fig. 9 zeigt, erstrecken sich die Abschnitte 124 vollständig durch das unmagnetische Material 128 des Rotors 122. Wie in Fig. 8 dargestellt ist, sind die Abschnitte 124 gleichmässig auf radialen Linien rund um den Rotor 122 verteilt. Zur Vereinfachung sind nicht alle Abschnitte 124 dargestellt. Es leuchtet jedoch ein, dass sie gleichmässig über 360° verteilt sind.

Die Wicklungen 120t_4 werden selektiv in der gleichen Weise wie die Wicklungen 201_4 erregt. Im einzelnen können die Wicklungen erregt werden, wie dies weiter oben erläutert worden ist. Mit einer solchen Erregung rückt der Rotor 122 um ein Achtel des Abstandes zwischen den Zähnen 126 vor, so dass eine genaue Ausrichtung zwischen den Abschnitten 124 und den Zähnen 126 und 130 einer Polstelle 118i_4 bei jeder zweiten Erregungsphase erzielt wird.

Obwohl dies nicht dargestellt ist, leuchtet ein, dass sich ein drehbares Halteelement durch die Öffnung 130 des Rotors 122 in eine Lageröffnung des unerregten oder inaktiven Teils 114 hineinerstreckt, während eine ähnliche Öffnung in dem erregten oder aktiven Teil 112 des Stators 110 vorgesehen ist.

Bei der Ausführungsform gemäss den Fig. 7-9 werden die Streuverluste des magnetischen Längsflusses in Richtung parallel zur oder zusammenfallend mit der Drehbewegung des Rotors 122 eliminiert. Dies wird dadurch erreicht, dass man jegliche magnetische Flussstrecke zwischen den Abschnitten 124 vermeidet. Es leuchtet ein, dass verschiedene Baumerkmale des Linearläufers, der in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, auf den Rotor 122 übertragen werden können, wobei man nach wie vor die wichtigen niedrigen Streuverluste des magnetischen Längsflusses erzielt, um ein hohes Kraft-zu-Masse-Verhältnis des Rotors 122 zu fördern. So kann beispielsweise der Rotor 122, der dem Läufer 22 entspricht, in einer gleichen Weise wie der Läufer gemäss Fig. 5 ausgebildet sein, wobei die Zähne über ein magnetisches Halteelement miteinander in Verbindung stehen, und die Gesamtdicke tmin des magnetischen Halteelements ist im wesentlichen klein in bezug auf die gesamte oder maximale Dicke tmax des Rotors, so dass die Gesamtstreuverluste des magnetischen Längsflusses auf weniger als 25% des Querflusses durch den Luftspalt 116 und vorzugsweise auf einen Wert von weniger als 10% vermindert werden. In ähnlicher Weise können die Baumerkmale des Läufers 42 gemäss Fig. 6 auf den Rotor 122 übertragen werden, um die verminderten Streuverluste des magnetischen Längsflusses und ein hohes Kraft-zu-Masse-Verhältnis zu erreichen.

Es soll nun Bezug auf die Fig. 10-12 genommen werden, die einen Rotationsschrittmotor variabler Reluktanz mit radialem Luftspalt zeigen, der mit den erfindungsgemässen Merkmalen behaftet ist. Auch hier wird der Stator 210 nur auf einer Seite erregt. Im einzelnen besitzt der Stator 210 einen aktiven Teil 212, um welchen an den verschiedenen Polstellen 218j_4 Wicklungen 220]_4 gelegt sind, sowie einen inaktiven Teil 214. Ein radialer Luftspalt 216 wird zwischen den aktiven Elementen oder Zähnen 224 auf den sich gegenüberliegenden Seiten des Luftspaltes 216 gebildet.

Wie aus Fig. 11 am deutlichsten wird, umfasst der erregte Teil 212 des Stators 210 eine Anzahl aktiver Elemente oder Zähne 226, die durch ein unmagnetisches Material in Form von Luftspalten jeweils an den Polstellen 218^ voneinander getrennt sind. In einer ähnlichen Weise sind Zähne 226 an dem unerregten oder inaktiven Teil 214 des Stators 210 ausgebildet.

Gemäss der Erfindung umfasst der Rotor 222, der sich in den axialen Luftspalt 216 hineinerstreckt, eine Anzahl einzelner passiver Elemente oder Abschnitte 224, die gehalten werden und voneinander getrennt sind durch ein unmagnetisches Material 228, welches den Rotorbecher 230 bildet. Wie aus den Fig. 9 und 10 ersichtlich ist, erstrecken sich die Abschnitte 224 durch den Rotorbecher 230 hindurch, so dass sie in der Nähe der aktiven Elemente oder Zähne 226 des Stators 210 liegen.

Wie die Fig. 10 und 11 zeigen, wird der Rotorbecher 230 von einer Welle 232 getragen, die sich duch den erregten Teil des Stators 210 und ein Gehäuse 234 erstreckt. Ein Ringteil 236 erstreckt sich nach aussen von dem Becher 230 und kann mit einer entsprechenden Last in Verbindung gebracht werden.

Wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen kann in den radialen Luftspalt gemäss den Fig. 10-12 ein Rotor entsprechend dem Läufer gemäss den Fig. 5 und 6 eingebracht werden. Im einzelnen kann der Rotor auch einstückig ausgebildet sein, wobei der Stützteil für die Zähne des Rotors in der Dicke herabgesetzt ist, um im wesentlichen den magnetischen Längsfluss zu vermindern, wenn nicht gar zu eliminieren.

Bei den verschiedenen vorangehenden Ausführungsformen wurde der Stator lediglich auf einer Seite erregt. Bei einer solchen einseitigen Erregung ist es besonders wichtig, die Streuverluste des magnetischen Längsflusses durch den Läufer oder den Rotor zu minimieren und den gesamten Streuverlust des magnetischen Längsflusses auf den Stator zu begrenzen. Dies stellt die Erzeugung einer maximalen Kraft sicher, während gleichzeitig wesentliche topologische Vorteile auftreten. So müssen beispielsweise die Wicklungen nur auf einer Seite des Luftspaltes angeordnet werden. Gleichzeitig wird die Wirtschaftlichkeit der Herstellung verbessert und das Motorgewicht verringert. Anwendbar sind die Grundsätze der Erfindung jedoch auch auf einen Schrittmotor, bei welchem beide Seiten des Stators durch Wicklungen erregt sind.

Im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 3 wurde ein mehrphasiger Antrieb über die Wicklungen 20^ beschrieben. Darüber hinaus wurde erläutert, dass der mehrphasige Antrieb eine wahlweise Erregung der Wicklungen in vier Phasen vorsieht, um dem Läufer 22 ein Vorrücken um ein Viertel des Zahnabstandes bei jeder einzelnen Phase zu ermöglichen. Wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt, sind die Wicklungen 20 ^ in Reihe aneinander angeschlossen, ebenso wie die Wicklungen 202. Diese Reihenschaltung wird bevorzugt, da hierdurch die Wechselstromkomponente des Flusses verringert wird, der einen vorgegebenen Pol durchströmt, wenn sich der Läufer nicht in der Nähe dieses Pols befindet. Die Wicklungen 20^ müssen jedoch nicht in Reihe geschaltet sein. Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, einen Pol zu erregen, so dass die benachbarten Pole entgegengesetzt polarisiert sind. In den meisten Fällen, wo eine rasche Bewegung angestrebt wird, ändert sich der Fluss durch den Pol ebenso wie sich der Erregungsstrom ändert, wobei sich jedoch die Magnetisierung nicht ändert. In manchen Fällen kann es sogar erstrebenswert sein, einen Teil der Magnetisierung durch eine getrennte Gleichstrommagnetisierungswicklung oder einem Dauermagneten zur Verfügung zu stellen. Es leuchtet natürlich ein, dass jeder Zwischenschritt durch die entsprechende Auswahl der Phasenströme erreicht werden kann.

Wie bei allen Ausführungsformen der Erfindung gezeigt wurde, besitzen die Motoren vier Phasenwicklungen. Es ist jedoch möglich, die Anzahl der Phasen zu verändern. Beispielsweise könnte die Anzahl der Phasen von vier auf drei verringert werden. Ausserdem lässt sich die Anzahl der Zähne oder aktiven Elemente in jeder Polstelle verändern, d.h. es können mehr als die acht in Fig. 1 dargestellten zum Einsatz kommen. Ausserdem kann die Anzahl der Polstellen verändert werden.

Bei allen Ausführungsformen der Erfindung wurde der Abstand der Zähne des aktiven Teils oder Stators und des pas5

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siven Teils oder Läufers bzw. Rotors gleichgehalten. Dies ist nicht erforderlich. Beispielsweise könnte jeder zweite Zahn auf dem Läufer oder Rotor entfernt werden, oder die Anzahl der Zähne pro Längeneinheit könnte für den Stator und den Läufer oder Rotor unterschiedlich sein. Ausserdem kann die 5 Weite der Zähne tw relativ zum Zahnabstand 6 verändert werden. Beispielsweise sind die Zähne 24 und die unmagnetischen Zwischenbereiche 28 in den Fig. 4 und 3 mit gleicher Weite dargestellt. Es leuchtet ein, dass diese Beziehung verändert werden kann, und es wird tatsächlich bevorzugt, dass die Weite 10 der Zähne 24 etwa 33% der Weite der Zwischenelemente 28 ausmacht.

Weitere Einzelheiten über Linear- oder Rotationsschrittmotoren, die vorstehend nicht erläutert worden sind, können aus «Theory and Application of Step Motors», herausgegeben is von Benjamin Kuo, West Publishing Co., 1974, entnommen werden. Diese Veröffentlichung beschreibt im einzelnen den Aufbau und die Prinzipien von Schrittmotoren des Rotationsund Lineartyps.

Der Begriff «Schrittmotor» umfasst verschiedene Reluktanzmotoren, die wegen ihres magnetischen Aufbaues in der Lage sind, in einer Weise zu arbeiten, in der Bewegungen in einzelnen Schritten vollzogen werden. Der Begriff soll jedoch auch Motoren dieses Typs umfassen, die mit einer kontinuierlichen Postionseinstellung arbeiten.

Es ist ausserdem möglich, einen Induktionsmotorbetrieb zu erzielen, wenn man die Zähne des passiven Teils in ein leitendes Material einbettet. Dies kann eine Hilfe für den Startvorgang oder die Synchronisation bedeuten und könnte den Hauptkraftmechanismus zur Verfügung stellen.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Hochleistungsschrittmotor, gekennzeichnet durch einen Stator (10,110, 210) mit einer Anzahl von Polstellen (18,118, 218), wobei jede der Polstellen eine Anzahl von magnetischen Statorelementen (26, 126, 226) auf sich gegenüberliegenden Seiten eines Luftspaltes (16, 116, 216) aufweist, zwischen denen sich unmagnetisches Material (28, 128, 228) auf beiden Seiten des Luftspaltes (16, 116, 216) befindet, um jedes Statorelement (12, 112, 212) an den Polstellen (18, 118, 218) gelegte Wicklungen (20,120, 220) zur Erzeugung einer magnetischen Flussstrecke quer zum Luftspalte (16,116, 216) sowie ein passives Bewegungselement (22, 122, 222) innerhalb des Luftspaltes (16,116,216) mit einer Vielzahl von Zähnen (24, 124, 224), zwischen denen sich unmagnetisches Material (28, 128, 228) befindet und die den Statorelementen (26,126, 226) zur Schliessung der quer zum Luftspalt gerichteten magnetischen Flussstrecke gegenüberliegen, wobei das Bewegungselement (22,122, 222) mit den Zähnen (24,124, 224) in seiner Ausbildung auf den Luftspalt (16, 116, 216) beschränkt ist, während die magnetische Kraft von beiden Seiten des Luftspaltes (16,116, 216) auf das Bewegungselement (22, 122, 222) wirkt und durch die unmagnetischen Unterbrechungen, die durch unmagnetisches Material (28,128, 228) ausgefüllt sind, im wesentlichen jeder Streuverlust des magnetischen Längsflusses eliminiert wird.
2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen den Streuverlust auf weniger als

25 % des magnetischen Flusses durch die Flussstrecke vermindern.
3. Schrittmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen den magnetischen Streuverlust auf weniger als 10% des magnetischen Flusses durch die Flussstrecken vermindern.
4. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestdicke des magnetischen Materials des Bewegungselementes (22, 122, 222) in den Bereichen der Unterbrechungen weniger als 25% der maximalen Dicke des Bewegungselementes ausmacht.
5. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestdicke des magnetischen Materials des Bewegungselementes (22,122,222) im Bereich der Unterbrechungen geringer als 15% der maximalen Dicke des Bewegungselementes ist.
6. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungselement (22, 122, 222) auf beiden Seiten eine Vielzahl von Zähnen (24,124, 224) aufweist, die den Statorelementen (26, 126, 226) gegenüberliegen.
7. Schrittmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Zähnen (24, 124, 224) des Bewegungselementes (22, 122, 222) (Öffnungen [50]) zur Herabsetzung der Streuverluste des magnetischen Längsflusses vorgesehen sind.
8. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (24, 124, 224) als nicht miteinander in Verbindung stehende Elemente ausgebildet sind und sich dazwischen Elemente (28, 128, 228) aus nichtmagnetischem Material zur Eliminierung von wesentlichen Streuverlusten des magnetischen Längsflusses befinden.
9. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (20, 120, 220) nur auf einer Seite des Luftspaltes (16, 116, 216) angeordnet sind.
10. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungselement (22) als Gleitstück zur Linearbewegung durch den Luftspalt (16) ausgebildet ist.
11. Schrittmotor nach Anpruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitstück (22) kurz in bezug auf die Gesamtlänge des Stators (10) ist.
12. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungselement (122) als im wesentlichen ebener Rotor zur Drehbewegung durch den Luftspalt (116) ausgebildet ist.
13. Schrittmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungselement (122) eine Anzahl unabhängiger magnetischer Elemente (124) sowie eine Scheibe (128) aus unmagnetischem Material besitzt, in welche die magnetischen Elemente (124) eingebettet sind.
14. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungselement (230) als Rotorbecher zur Drehung durch den Luftspalt (216) ausgebildet ist.
15. Schrittmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorbecher (230) einzelne magnetische Elemente (224) trägt, die in das unmagnetische Material (228) des Rotorbechers (230) eingebettet sind.