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PATENTANSPRÜCHE
1. Schrittmotor mit einem Stator und einem Rotor, die beide ausgeprägte Pole aufweisen, deren Magnetisierung am einen Teil permanent, am anderen dagegen mittels Wicklung veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die permanentmagnetischen Pole (22) eine zylindrische Polfläche (23) aufweisen, andie in Umfangsrichtung schräge Polflächen (24) mit nach den Polenden hin abnehmendem Durchmesser anschliessen.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrischen Polflächen (23) eine Breite von 1,5 bis 2 Polteilungen und die totale Breite der permanentmagnetischen Pole (22) mit den schrägen Polflächen (24) etwa 3 Polteilungen der Pole veränderbarer Magnetisierung aufweisen.
3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schrägen Polflächen (24) eben sind und unter einem Winkel von mindestens 45" zu einem symmetrisch durch den Pol verlaufenden Radius stehen.
4. Verfahren zur Herstellung des Motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass permanentmagnetische Pole (22) auf einen Träger (21) hoher Permeabilität aufgebracht und dann die Polflächen (23, 24) bearbeitet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, zur Herstellung eines Motors mit vier permanentmagnetischen Polen, dadurch gekennzeichnet, dass an je zwei Kanten benachbarter Pole (22) in einer gemeinsamen Ebene liegende schräge Polflächen (24) zusammen bearbeitet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schrittmotor mit einem Stator und einem Rotor, die beide ausgeprägte Pole aufweisen, deren Magnetisierung am einen Teil permanent, am anderen dagegen mittels Wicklung veränderbar ist. Üblicherweise befinden sich die permanentmagnetischen Pole am Rotor und die mittels Wicklung erregbaren Weicheisenpole am Stator. In der folgenden Beschreibung ist immer vorausgesetzt, dass sich die mittels Wicklungen erregbaren Weicheisenpole am Stator und die permanentmagnetischen Pole oder gegebenenfalls durch Gleichstrom erregbaren Pole am Rotor befinden.
Es ist bekannt, dass der Rotor bei stromlosem Stator bestimmte Raststellungen einnimmt, die vom Verhältnis der Breite der Pole in Umfangsrichtung abhängt. Sind die Rotorpole etwa gleich breit wie die Statorpole, ergibt sich eine eindeutige Raststellung bei symmetrisch gegenüberliegenden Polen. Überdecken die Rotorpole etwa 2 Statorpole und die dazwischenliegende Nut, ergibt sich eine Raststellung der Rotorpole symmetrisch zu der zwischen den Statorpolen liegenden Nut. Es gibt nun eine Breite der Rotorpole zwischen den beiden erwähnten, die etwa einer Stator-Polteilung entspricht, und bei welcher nur sehr schwache Rastmomente auftreten. Zur Erzielung hoher Drehmomente und hoher spezifischer Leistung des Schrittmotors wäre es aber erwünscht, breitere permanentmagnetische Polflächen vorzusehen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schrittmotor zu schaffen, welcher bei stromlosem Stator nur schwache Rastmomente und trotzdem breite Rotorpolflächen zur Erzielung hoher Drehmomente und Leistungen aufweist. Dieses Ziel wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die permanentmagnetischen Pole eine zylindrische Polfläche aufweisen, an die in Umfangsrichtung schräge Polflächen mit nach den Polenden hin abnehmendem Durchmesser anschliessen. Es zeigt sich, dass hierbei die Polflächen relativ breit, vorzugsweise annähernd 1800 el., ausgeführt werden können, wobei sehr kleine Rastmomente bei stromlosem Stator auftreten. Dank den relativ breiten Polflächen der permanentmagnetischen Pole können zudem sehr günstige Verhältnisse bezüglich Drehmoment und Leistung erzielt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des Motors, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass permanentmagnetische Pole auf einen Träger hoher Permeabilität aufgebracht und dann die Polflächen bearbeitet werden. Dieses Vorgehen bringt den Vorteil mit sich, dass gewisse Ungenauigkeiten beim Aufbringen der permanentmagnetischen Pole auf den Träger durch die nachträgliche Bearbeitung korrigiert werden können.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 und 2 zeigen schematische Schnitte zur Erläuterung der Arbeitsweise eines herkömmlichen Schrittmotors,
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Schrittmotors, und
Fig. 4 und 5 dienen der Erläuterung der Nachbearbeitung des Rotors.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Schrittmotors, ohne Statorwicklung. Der Stator 20 weist zwölf Weicheisenpole und zwölf dazwischenliegende Nuten, die mit 1-2 nummeriert sind, auf. Der Rotor weist einen Träger 21 in Form eines regelmässigen Vierkants aus Weicheisen auf, mit dem vier permanentmagnetische Rotorpole 22, nämlich abwechslungsweise Nord- und Südpole, verklebt sind. Im Falle eines 3-Phasenmotors liegen die Wicklungen der ersten Phase in den Nuten 1, 4, 7 und 10, die Wicklungen der zweiten Phase in den Nuten 5, 8, 11, 2 und die Wicklungen der dritten Phase in den Nuten 9, 12, 3, 6. Bei richtiger Erregung dieser 3-Phasenwicklung entsteht an den zwölf Polen des Stators ein Drehfeld, das sich nach links oder rechts drehen kann. Der Rotor wird von diesem Drehfeld mitgezogen.
Wie Fig. 1 zeigt, beträgt die Breite der zylindrischen Polflächen der Rotorpole 22 in Umfangsrichtung etwa 1,5 Polteilungen der Statorpole, d.h. die Rotorpole überdecken etwa zwei benachbarte Statorpole und die dazwischenliegende Nut. Bei stromloser Statorwicklung gelangt damit der Rotor in eine eindeutige Ruhestellung, bei welcher die Rotorpole symmetrisch vor je einer Nut liegen. Das Rastmoment ist verhältnismässig hoch.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsmöglichkeit mit schmalen Polflächen des Rotors. In diesem Falle, wenn also die Breite der Statorpole und Rotorpole in Umfangsrichtung etwa dieselbe ist, ergeben sich eindeutige Reststellungen des Rotors, wobei die Rotorpole je einem Statorpol symmetrisch gegenüberliegen.
In vielen Fällen ist es nun erwünscht, keine ausgeprägten Raststellungen des Rotors bei stromlosem Stator zu erzielen.
Das ist möglich, wenn eine Breite der Rotorpole zwischen den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Polbreiten, also eine Rotorpolbreite, die etwa 1,5 Statorpolteilungen entspricht, gewählt wird.
Bei dieser relativ schmalen Ausführung der Rotorpole wird aber keine optimale Leistung, bzw. kein optimales Drehmoment erzielt. Hierzu wäre es erforderlich, Rotorpole mindestens der Breite gemäss Fig. 1 zu verwenden, in welchem Falle jedoch wieder eindeutige Raststellungen bei starkem Rastmoment auftreten.
Fig. 3 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel des Rotors und eines Teils des zugehörigen Stators, bei welchem zugleich verhältnismässig breite Rotorpole und damit hohe Drehmomente und Leistungen möglich sind, ohne dass starke Rastmomente bei stromlosem Stator auftreten. Die Rotorpole 22 weisen in diesem Falle je eine zylindrische Polfläche 23 auf, deren Breite in Umfangsrichtung 1,5 bis 2 Polteilungen beträgt. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass die Breite der zylindrischen Flächen zwischen 1,5 und 2 Statorpolteilungen liegt, also etwa 50 bei einer Polteilung von 30". An diese zylindrischen Polflächen 23 schliessen beidseitig schräge Polflächen 24 an, welche je unter einem Winkel von 45" zu einer Fläche des vierkantigen Trägers 21, bzw.
zu einer radialen Symmetrielinie 25 durch den entsprechenden Pol stehen. Diese schrägen Flächen 24 werden nach dem Auf
setzen der Permanentmagnete 22 auf den Träger 21 angeschliffen und zwar auf die empirisch ermittelte Distanz A vom Zentrum des Rotors. Es ergibt sich damit automatisch auch die Breite in Umfangsrichtung der Polflächen 23. Die Optimierung erfolgt hierbei auf geringe Rastmomente und optimales Drehmoment, bzw. optimale Leistung des Motors. Die Abmessungen sind jedoch nicht sehr kritisch und können jedenfalls im obenerwähnten Rahmen liegen, d.h. die Breite der Polflächen 23 in Umfangsrichtung kann 1,5 bis 2 Statorpolteilungen entsprechen. Die totale Polbreite, mit den Flächen 24, entspricht etwa 3 Statorpolteilungen.
Wie bereits erwähnt, erfolgt die Herstellung dadurch, dass zuerst die Rotorpole 22 aufgeklebt oder sonstwie aufgebracht und anschliessend die schrägen Polflächen 24 und die zylindrischen Polflächen 23 bearbeitet werden. Es werden hierbei auch geringfügige Fehler korrigiert, welche beim Aufbringen der Pole 22 auftreten können. Fig. 4 zeigt, wie die Permanentmagnete beispielsweise infolge gebrochener Kanten leicht asymmetrisch auf dem vierkantigen Träger 21 angebracht sein können. Durch den nachträglichen Anschliff der Flächen 24 wird jedenfalls eine völlige Symmetrie dieser Flächen bezüglich der Rotorachse erreicht, wie Fig. 4 in strichpunktierten Linien andeutet.
Fig. 5 zeigt einen anderen möglichen Fehler, der beim Aufbringen der Permanentmagnete 22 auf den Träger 21 auftreten kann, und der bei der Nachbearbeitung des Rotors praktisch behoben wird.
Während die Erfindung bisher für einen zwölfpoligen Schrittmotor mit vierpoligem Rotor beschrieben ist, kann sie natürlich entsprechend für Motoren mit beliebiger Polzahl angewendet werden. Diese schrägen Flächen müssen auch nicht unbedingt eben sein, sondern könnten beispielsweise konvex bombiert und in diesem Falle mittels einer Schleifscheibe mit einer der Bombierung entsprechenden Krümmung bearbeitet werden.
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PATENT CLAIMS
1. stepper motor with a stator and a rotor, both of which have pronounced poles, the magnetization of which can be changed permanently on one part and on the other hand by means of winding, characterized in that the permanent-magnetic poles (22) have a cylindrical pole face (23), andie In the circumferential direction, connect oblique pole faces (24) with a decreasing diameter towards the pole ends.
2. Motor according to claim 1, characterized in that the cylindrical pole faces (23) have a width of 1.5 to 2 pole pitches and the total width of the permanent magnetic poles (22) with the oblique pole faces (24) about 3 pole pitches of the poles of variable magnetization exhibit.
3. Motor according to claim 1 or 2, characterized in that the oblique pole faces (24) are flat and are at an angle of at least 45 "to a radius running symmetrically through the pole.
4. The method for producing the motor according to claim 1, characterized in that permanent magnetic poles (22) are applied to a carrier (21) of high permeability and then the pole faces (23, 24) are machined.
5. The method according to claim 4, for producing a motor with four permanent magnetic poles, characterized in that on two edges of adjacent poles (22) lying oblique pole faces (24) are machined together in a common plane.
The present invention relates to a stepper motor with a stator and a rotor, both of which have pronounced poles, the magnetization of which is permanent on one part and changeable on the other by means of a winding. The permanent magnetic poles are usually located on the rotor and the soft iron poles that can be excited by winding are located on the stator. In the following description, it is always assumed that the soft iron poles that can be excited by windings are located on the stator and the permanent magnetic poles or, if applicable, poles that can be excited by direct current are located on the rotor.
It is known that when the stator is de-energized, the rotor assumes certain locking positions, which depends on the ratio of the width of the poles in the circumferential direction. If the rotor poles are roughly the same width as the stator poles, there is a clear locking position with symmetrically opposite poles. If the rotor poles cover approximately 2 stator poles and the groove in between, a locking position of the rotor poles results symmetrically to the groove lying between the stator poles. There is now a width of the rotor poles between the two mentioned, which corresponds approximately to a stator pole pitch, and at which only very weak cogging torques occur. To achieve high torques and high specific power of the stepper motor, it would be desirable to provide wider permanent magnetic pole faces.
The aim of the present invention is to provide a stepper motor which, when the stator is de-energized, has only weak cogging torques and nevertheless wide rotor pole faces in order to achieve high torques and powers. According to the invention, this aim is achieved in that the permanent magnetic poles have a cylindrical pole face, to which oblique pole faces with a diameter decreasing towards the pole ends are connected in the circumferential direction. It shows that the pole faces can be made relatively wide, preferably approximately 1800 el., With very small cogging torques occurring when the stator is de-energized. Thanks to the relatively wide pole faces of the permanent magnetic poles, very favorable torque and power ratios can also be achieved.
The invention also relates to a method for producing the motor, which is characterized in that permanent magnetic poles are applied to a carrier of high permeability and then the pole faces are machined. This procedure has the advantage that certain inaccuracies when applying the permanent magnetic poles to the carrier can be corrected by the subsequent processing.
The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing.
1 and 2 show schematic sections to explain the operation of a conventional stepper motor,
3 shows an exemplary embodiment of a stepping motor according to the invention, and
4 and 5 serve to explain the post-processing of the rotor.
Fig. 1 shows schematically the structure of a stepper motor, without a stator winding. The stator 20 has twelve soft iron poles and twelve intervening grooves, which are numbered 1-2. The rotor has a carrier 21 in the form of a regular square made of soft iron, to which four permanent magnetic rotor poles 22, namely alternately north and south poles, are glued. In the case of a 3-phase motor, the windings of the first phase are in slots 1, 4, 7 and 10, the windings of the second phase in slots 5, 8, 11, 2 and the windings of the third phase in slots 9, 12 , 3, 6. If this 3-phase winding is excited correctly, a rotating field is created at the twelve poles of the stator, which can rotate to the left or right. The rotor is pulled by this rotating field.
As shown in Fig. 1, the circumferential width of the cylindrical pole faces of the rotor poles 22 is about 1.5 pole pitches of the stator poles, i.e. the rotor poles cover approximately two adjacent stator poles and the groove in between. When the stator winding is de-energized, the rotor thus comes into a clear rest position, in which the rotor poles are symmetrically in front of one slot each. The cogging torque is relatively high.
Fig. 2 shows an embodiment with narrow pole faces of the rotor. In this case, if the width of the stator poles and rotor poles is approximately the same in the circumferential direction, there are clear residual positions of the rotor, the rotor poles each being symmetrically opposite a stator pole.
In many cases it is now desirable not to achieve any pronounced locking positions of the rotor when the stator is de-energized.
This is possible if a width of the rotor poles is chosen between the pole widths shown in FIGS. 1 and 2, that is to say a rotor pole width which corresponds to approximately 1.5 stator pole pitches.
With this relatively narrow design of the rotor poles, however, no optimal performance or optimal torque is achieved. For this purpose, it would be necessary to use rotor poles at least the width according to FIG. 1, in which case, however, clear locking positions occur again with a strong locking torque.
Fig. 3 shows an embodiment of the rotor and a part of the associated stator, in which relatively wide rotor poles and thus high torques and powers are possible without strong cogging torques occurring when the stator is de-energized. In this case, the rotor poles 22 each have a cylindrical pole face 23, the width of which in the circumferential direction is 1.5 to 2 pole pitches. 3 shows that the width of the cylindrical surfaces is between 1.5 and 2 stator pole pitches, ie approximately 50 with a pole pitch of 30 ". This cylindrical pole face 23 is adjoined by oblique pole faces 24 on both sides, each at an angle of 45 "to a surface of the square support 21, or
stand to a radial line of symmetry 25 through the corresponding pole. These sloping surfaces 24 are after the up
put the permanent magnet 22 on the support 21 ground, specifically to the empirically determined distance A from the center of the rotor. This automatically results in the width in the circumferential direction of the pole faces 23. The optimization takes place here with low cogging torques and optimum torque, or optimum performance of the motor. However, the dimensions are not very critical and can in any case be within the above-mentioned framework, i.e. the width of the pole faces 23 in the circumferential direction can correspond to 1.5 to 2 stator pole divisions. The total pole width, with the surfaces 24, corresponds to approximately 3 stator pole divisions.
As already mentioned, the manufacture takes place by first gluing or otherwise applying the rotor poles 22 and then machining the oblique pole faces 24 and the cylindrical pole faces 23. Minor errors which can occur when the poles 22 are applied are also corrected here. Fig. 4 shows how the permanent magnets can be mounted slightly asymmetrically on the square carrier 21, for example due to broken edges. In any case, the subsequent grinding of the surfaces 24 achieves a complete symmetry of these surfaces with respect to the rotor axis, as indicated in FIG. 4 by dash-dotted lines.
FIG. 5 shows another possible error which can occur when the permanent magnets 22 are applied to the carrier 21 and which is practically eliminated during the reworking of the rotor.
While the invention has so far been described for a twelve-pole stepper motor with a four-pole rotor, it can of course also be used accordingly for motors with any number of poles. These inclined surfaces also do not necessarily have to be flat, but could, for example, be convexly curved and in this case machined by means of a grinding wheel with a curvature corresponding to the crowning.