DE102005016178B4

DE102005016178B4 - Electromagnetic two-phase stepper motor

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Publication number: DE102005016178B4
Application number: DE200510016178
Authority: DE
Original assignee: Konekamp Herbert
Current assignee: Konekamp Herbert
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2025-04-09
Also published as: DE102005016178A1; DE202005021396U1

Abstract

Elektromagnetischer zweiphasiger Schrittmotor bestehend aus einem scheibenförmigen Rotor aus einem Permanentmagneten, der vier um 90° gegeneinander versetzte Pole mit in Umfangsrichtung wechselnder Polarität aufweist, und zwei jeweils eine Magnetspule aufweisenden Magnetkreisen, von denen jeder mit zwei auf den Rotorumfang ausgerichteten Statorpolen versehen ist, deren auf die Rotorachse ausgerichtete Mittellinien jeweils einen Winkel von 90° einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnetkreis (4, 5) einen breiten, sich über einen Winkel zwischen 129° und 133° beidseitig über einen Pol des Rotors (1) hinaus ersteckenden Statorpol (19, 20) und einen schmalen, sich über einen Winkel zwischen 39° und 43° erstreckenden, auf einen Pol des Rotors (1) focussierenden Statorpol (21, 22) aufweist und daß die breiten Statorpole (19, 20) beider Magnetkreise (4, 5) einerseits und die schmalen Statorpole (21, 22) beider Magnetkreise (4, 5) andererseits jeweils durch einen schmalen Luftspalt (23, 24) voneinander getrennt sind.electromagnetic two-phase stepper motor consisting of a disk-shaped rotor a permanent magnet, the four offset by 90 ° poles having circumferentially alternating polarity, and two each a magnetic coil having magnetic circuits, each of which with provided on the rotor circumference aligned stator poles whose Center lines aligned with the rotor axis each have an angle of 90 ° by characterized in that each Magnetic circuit (4, 5) a wide, over an angle between 129 ° and 133 ° on both sides via a pole of the rotor (1) also out stator pole (19, 20) and a narrow, over an angle between 39 ° and Extending 43 °, Having on a pole of the rotor (1) focussierenden stator pole (21, 22) and that the wide stator poles (19, 20) of both magnetic circuits (4, 5) on the one hand and the narrow stator poles (21, 22) of both magnetic circuits (4, 5) on the other each separated by a narrow air gap (23, 24) are.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen zweiphasigen Schrittmotor bestehend aus einem scheibenförmigen Rotor aus einem Permanentmagneten, der vier um 90° gegeneinander versetzte Pole mit in Umfangsrichtung wechselnder Polarität aufweist, und zwei jeweils eine Magnetspule aufweisenden Magnetkreisen, von denen jeder mit zwei auf den Rotorumfang ausgerichteten Statorpolen versehen ist, deren auf die Rotorachse ausgerichtete Mittellinien jeweils einen Winkel von 90° einschließen.The The invention relates to an electromagnetic two-phase Stepping motor consisting of a disc-shaped rotor made of a permanent magnet, of the four offset by 90 ° Pole having circumferentially alternating polarity, and two each a magnetic coil having magnetic circuits, each with two Is provided on the rotor circumference aligned stator poles whose Center lines aligned with the rotor axis each have an angle of 90 °.

Ein derartiger Schrittmotor ist aus der EP 0 696 836 A1 bekannt. Derartige Schrittmotore werden hauptsächlich zum Antrieb analoger Kraftfahrzeuganzeigeinstrumente benutzt, bei denen digitate Meßwerte in analoge Anzeigen umgesetzt werden müssen. Zum Betrieb sind verschiedene Ansteuerverfahren möglich. Die übliche Ansteuerung erfolgt dadurch, daß die Magnetspulen mit Stromimpulsen gleicher und/oder entgegengesetzter Polarität beaufschlagt werden, die eine Schrittfolge des Rotors erzeugen. Bei entsprechender Pulsfolge ist die Möglichkeit gegeben, den Rotor in zwei Drehrichtungen zu bewegen.Such a stepping motor is from the EP 0 696 836 A1 known. Such stepping motors are mainly used for driving analogue vehicle indicating instruments, in which digitate measured values have to be converted into analogue displays. For operation different driving methods are possible. The usual control takes place in that the magnetic coils are supplied with current pulses of the same and / or opposite polarity, which produce a step sequence of the rotor. With appropriate pulse sequence, the possibility is given to move the rotor in two directions of rotation.

Es ist des weiteren aus der US 4 144 467 A ein zweiphasiger Schrittmotor mit einem vierpoligen Permanenmagnetrotor für Uhren bekannt, bei dem jeder Magnetkreis einen breiten und einen schmalen Statorpol aufweist, wobei sich der breite Statorpol beidseitig über einen Rotorpol hinaus erstreckt, während sich der schmale Statorpol auf einen Rotorpol focussiert. Ein derartiger Zweiphasen-Schrittmotor weist im stromlosen Zustand ein hohes Rastmoment auf, was einerseits zu einer zittrigen Zeigerbewegung führt und sich andererseits negativ auf die Batterielebensdauer auswirkt.It is also from the US 4 144 467 A a two-phase stepping motor with a four-pole permanent magnet rotor for watches, in which each magnetic circuit has a broad and a narrow stator pole, wherein the broad stator pole extends beyond a rotor pole on both sides, while the narrow stator pole focuses on a rotor pole. Such a two-phase stepping motor has a high cogging torque in the de-energized state, which on the one hand leads to a shaky pointer movement and on the other hand has a negative effect on the battery life.

Die Verwendung solcher und anderer bekannter Schrittmotore in Anzeigeinstrumenten erfordert neben einer hohen Schrittauflösung – diese ist in Verbindung mit einem Untersetzungsgetriebe ohne Schwierigkeiten erreichbar – eine möglichst gleichmäßige, zitterfreie Bewegung des von dem Schrittmotor angetriebenen Zeigers. Wie sich gezeigt hat, sind die Ursachen für rhythmische Unregelmäßigkeiten des Zeigerumlaufs Rastmomente bzw. eine Polfühligkeit des Rotors des Schrittmotors, wie sie insbesondere im unbestromten Zustand des Schrittmotors erkennbar sind. Es ist daher versucht worden, durch besondere Ausbildung der Statorpole solche Schrittunregelmäßigkeiten zu beseitigen ( US 5 959 378 A ). Jedoch sind auch bei diesen Statorausbildungen noch Polfühligkeiten vorhanden, die die Schrittwinkel verzerren.The use of such and other known stepping motors in display instruments requires not only a high step resolution - this is achievable without difficulty in connection with a reduction gear - a uniform, jitter-free movement of the driven by the stepper motor pointer. As has been shown, the causes of rhythmic irregularities of the pointer circulation are cogging moments or a Polfühligkeit the rotor of the stepping motor, as they can be seen in particular in the de-energized state of the stepping motor. It has therefore been attempted to eliminate such step irregularities by special design of the stator poles ( US 5,959,378 A. ). However, pole sensitivities are also present in these stator designs which distort the step angles.

Diese Nachteile sollen durch die Erfindung beseitigt werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen zweiphasigen Schrittmotor zu schaffen, dessen Rastmoment im stromlosen Zustand möglichst klein ist und somit eine zitterfreie Bewegung jedes Rotorschritts gestattet, der aber andererseits jeden Einzelschritt sauber ausführt, also einzelne Schritte nicht "verschluckt" oder zusätzliche ausführt. Die dafür erforderlichen Maßnahmen sollen möglichst wenig aufwendig sein, stehen doch in der Kraftfahrzeugindustrie einzusetzende Erzeugnisse unter besonderem Kostendruck.These Disadvantages are to be eliminated by the invention. It is therefore Object of the invention to provide a two-phase stepper motor, the cogging torque in the de-energized state is as small as possible and thus allows a jitter-free movement of each rotor step, but On the other hand, each single step performs clean, so individual steps not "swallowed" or extra performs. The one for it necessary measures should as possible be little expensive, but are still in the automotive industry Products to be used under particular cost pressure.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Magnetkreis mit einem breiten, sich beidseitig über einen Pol des Rotors hinaus erstreckenden und einem schmalen, sich auf einen Pol des Rotors focussierenden Statorpol versehen ist und daß die breiten Statorpole beider Magnetkreise einerseits und die schmalen Statorpole beider Magnetkreise andererseits jeweils durch einen schmalen Luftspalt getrennt sind.These Task is inventively characterized solved, that everybody Magnetic circuit with a wide, extending on both sides beyond a pole of the rotor and a narrow, focusing on one pole of the rotor Statorpol is provided and that the wide stator poles of both magnetic circuits on the one hand and the narrow ones Stator poles of both magnetic circuits on the other hand each by a narrow air gap are separated.

Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die Polfühligkeit im stromlosen Zustand des Schrittmotors auf ein äußerst geringes Maß reduziert wird und somit eine zitterfreie Bewegung des Rotors und damit eines von diesem angetriebenen Zeigers von Schritt zu Schritt erfolgt.By these measures is achieved that the pole sensitivity reduced in the de-energized state of the stepping motor to an extremely low level and thus a jitter-free movement of the rotor and thus one from this driven pointer is done from step to step.

Wie Versuche gezeigt haben, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, jeden schmalen Statorpol dahingehend auszubilden, daß er sich über einen Winkel zwischen 39° und 43° erstreckt, und andererseits jeden breiten Statorpol dahingehend, daß er sich über einen Winkel zwischen 129° und 133° erstreckt. Als optimal erwiesen sich für den schmalen Statorpol ein Winkel von 41° und für den breiten Statorpol ein solcher von 131°.As Experiments have shown, it has proved to be beneficial to everyone narrow stator pole in such a way that it extends over an angle between 39 ° and 43 °, and on the other hand, each wide stator pole, so that it over one Angle between 129 ° and 133 °. Proved to be optimal for the narrow stator pole an angle of 41 ° and for the wide stator pole such of 131 °.

Hinsichtlich der Ausbildung des Luftspalts zwischen den schmalen Statorpolen einerseits und den breiten Statorpolen andererseits hat sich ein solcher zwischen einem Winkel yon 2° und 6° als vorteilhaft gezeigt. Optimal ist ein solcher von 4°.Regarding the formation of the air gap between the narrow stator poles on the one hand and the wide stator poles on the other hand has a Such between an angle of 2 ° and 6 ° shown as advantageous. Optimal is one of 4 °.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, das Luftspaltverhältnis von Rotordurchmesser zu Durchmesser Statorpolausschnitt zu ungefähr 0,8 zu wählen. Dadurch lassen sich mit den vorgenannten optimalen Winkeln besonders gute technische Ergebnisse hinsichtlich der Schrittausführung erzielen.When Advantageously, it has been found, the air gap ratio of Rotor diameter to diameter Stator pole cutout to about 0.8 to choose. This makes it possible with the aforementioned optimal angles achieve good technical results in terms of step execution.

Die Erfindung sei anhand der Zeichnung, die in zum Teil schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel enthält, näher erläutert. Es zeigenThe Invention is based on the drawing, which in part more schematic Representation of an embodiment contains explained in more detail. It demonstrate

1 eine Ansicht eines bekannten Zweiphasen-Schittmotors, 1 a view of a known two-phase Schittmotors,

2 das Drehmomentverhalten des Schrittmotors nach 1 bei verschiedenen Bestromungszuständen der Magnetspulen, 2 the torque behavior of the Stepping motor after 1 at different energization states of the magnetic coils,

3 eine Ansicht eines nach der Erfindung ausgebildeten Zweiphasen-Schrittmotors und 3 a view of a trained according to the invention two-phase stepping motor and

4 das Drehmomentverhalten des Schrittmotors nach 3 bei verschiedenen Bestromungszuständen der Magnetspulen. 4 the torque behavior of the stepper motor after 3 at different energization states of the magnetic coils.

Der bekannte Zweiphasen-Schrittmotor nach 1 besteht aus einem scheibenförmigen Rotor 1 aus einem Permanentmagneten mit vier in Umfangsrichtung um 90° versetzten Polen wechselnder Polarität und zwei Magnetkreisen 2 und 3, von denen jeder eine Magnetspule 4 und 5 sowie zwei Statorbleche 6 und 7 bzw. 8 und 9 aufweist, die an ihren Enden in gleich große Statorpole 10 übergehen. Die Statorpole 10 zweier zusammengehörender Statorbleche 6 und 7 bzw. 8 und 9 schließen mit ihren auf die Rotorachse 11 ausgerichteten Mittellinien 12 und 13 jeweils einen Winkel von 90° ein.The well-known two-phase stepper motor after 1 consists of a disk-shaped rotor 1 of a permanent magnet with four poles of alternating polarity offset by 90 ° in the circumferential direction and two magnetic circuits 2 and 3 each of which is a magnetic coil 4 and 5 and two stator laminations 6 and 7 respectively. 8th and 9 having, at their ends in equal stator poles 10 pass. The stator poles 10 two associated stator plates 6 and 7 respectively. 8th and 9 close with their on the rotor axis 11 aligned centerlines 12 and 13 each at an angle of 90 °.

Wie aus 2 ersichtlich ist, ergibt sich bei Beaufschlagung beider Magnetspulen 4 und 5 mit der gleichen Amperewindungszahl ein Drehmomentverlauf 14. Wird die Magnetspule 4 mit der Amperewindungszahl Null und die Magnetspule 5 mit der maximalen Amperewindungszahl beaufschlagt ergibt sich der Drehmomentverlauf 15, der den Rotor 1 nicht auf die gewünschte Position 16, sondern auf die Position 17 stellt. Mitverantwortlich für diese falsche Position des Rotors 1 ist das Rastmoment, dessen Verlauf die Kurve 18 zeigt.How out 2 it can be seen results when loading both solenoid coils 4 and 5 with the same Amperewindungszahl a torque curve 14 , Will the solenoid coil 4 with the ampere-turn number zero and the solenoid coil 5 applied to the maximum Amperewindungszahl results in the torque curve 15 who is the rotor 1 not to the desired position 16 but on the position 17 provides. Partly responsible for this wrong position of the rotor 1 is the cogging torque, whose course is the curve 18 shows.

Der nach der Erfindung ausgebildete Zweiphasenschrittmotor, der in 3 dargestellt ist, umfaßt wieder einen permanentmagnetischen scheibenförmigen Rotor 1 mit vier um 90° versetzten Polen mit in Umfangsrichtung wechselnder Polarität sowie zwei Magnetkreise 2 und 3 mit jeweils einer Magnetspule 4 und 5, von denen jeder aus zwei Statorblechen 6 und 7 bzw. 8 und 9 besteht. Die Statorbleche 6 und 8 der beiden Magnetkreise 2 und 3 besitzen jeweils einen breiten, sich beidseitig über einen Pol des Rotors 1 erstreckenden Statorpol 19 bzw. 20, wahrend die Statorbleche 7 und 9 jeweils einen schmalen, sich auf einen Pol des Rotors 1 focussierenden Statorpol 21 bzw. 22 aufweisen. Sowohl die schmalen Statorpole 21 und 22 als auch die breiten Statorpole 19 und 20 sind jeweils durch einen schmalen Luftspalt 23 getrennt. Die schmalen Statorpole 21 und 22 sind von den breiten Statorpolen 19 und 20 ebenfalls durch einen Luftspalt 24 voneinander getrennt.The trained according to the invention two-phase stepping motor, the in 3 is shown again comprises a permanent magnetic disc-shaped rotor 1 with four 90 ° offset poles with circumferentially alternating polarity and two magnetic circuits 2 and 3 each with a magnetic coil 4 and 5 each of which consists of two stator laminations 6 and 7 respectively. 8th and 9 consists. The stator laminations 6 and 8th of the two magnetic circuits 2 and 3 each have a wide, on both sides via a pole of the rotor 1 extending stator pole 19 respectively. 20 while the stator laminations 7 and 9 each one narrow, on one pole of the rotor 1 focussing stator pole 21 respectively. 22 exhibit. Both the narrow stator poles 21 and 22 as well as the wide stator poles 19 and 20 are each through a narrow air gap 23 separated. The narrow stator poles 21 and 22 are from the wide stator poles 19 and 20 also through an air gap 24 separated from each other.

Die auf die Rotorachse 11 ausgerichteten Mittellinien 12 und 13 der Statorpole 19 und 21 bzw. 20 und 22 eines Magnetkreises 2 bzw. 3 schließen jeweils einen Winkel von 90° zwischen sich ein.The on the rotor axis 11 aligned centerlines 12 and 13 the stator poles 19 and 21 respectively. 20 and 22 a magnetic circuit 2 respectively. 3 each enclose an angle of 90 ° between them.

Jeder der schmalen Statorpole 21 und 22 erstreckt sich über einen Winkel von 41° und jeder der breiten Statorpole 19 und 20 erstreckt sich über einen Winkel von 131°. Die Luftspalte 23 und 24 betragen jeweils 4°.Each of the narrow stator poles 21 and 22 extends over an angle of 41 ° and each of the wide stator poles 19 and 20 extends over an angle of 131 °. The air column 23 and 24 are each 4 °.

Bei dem erfindungsgemäßen Schrittmotor ist darüber hinaus das Luftspaltverhältnis vom Durchmesser 25 des Rotors 1 zu Durchmesser 26 des Statorpolausschnitts zu 0,8 gewählt.In the case of the stepping motor according to the invention, moreover, the air gap ratio is of the diameter 25 of the rotor 1 to diameter 26 of Statorpolausschnitts selected to 0.8.

Werden, wie aus 4 ersichtlich ist, die Magnetspulen 4 und 5 des erfindungsgemäßen Schrittmotors wieder wie zuvor mit Strom beaufschlagt, so ergibt sich bei gleicher Amperewindungszahl für beide Magnetspulen 4 und 5 ein Drehmomentverlauf 27 und bei Amperewindungszahl Null für die Magnetspule 4 und maximaler Amperewindungszahl für die Magnetspule 5 ein Drehmomentverlauf 28.Become like 4 it can be seen, the magnetic coils 4 and 5 the stepper motor according to the invention again supplied with current as before, so results in the same Amperewindungszahl for both solenoids 4 and 5 a torque curve 27 and at Amperewindungszahl zero for the solenoid 4 and maximum ampere-turn number for the solenoid coil 5 a torque curve 28 ,

Durch die auf ein Minimum reduzierte Polfühligkeit wird der Rotor 1 exakt auf die neue Position 29 geführt.Due to the minimized Polfühligkeit the rotor 1 exactly to the new position 29 guided.

Der erfindungsgemäße Schrittmotor eignet sich daher in besonderem Maße nicht nur zur Verwendung in Anzeigeinstrumenten für Kraftfahrzeuge sondern auch für Uhrwerke aller Art, wo es auf eine zitterfreie und schrittgenaue Vorwärtsbewegung des Zeigers ankommt.Of the Stepper motor according to the invention is therefore particularly suitable not only for use in indicating instruments for Motor vehicles but also for Movements of all kinds, where it is on a jitter-free and step accurate forward movement of the pointer arrives.

Claims

Electromagnetic two-phase stepping motor consisting of a disc-shaped rotor made of a permanent magnet having four offset by 90 ° poles with circumferentially alternating polarity, and two each having a magnetic coil having magnetic circuits, each of which is provided with two aligned on the rotor circumference stator poles whose on the rotor axis aligned center lines each enclose an angle of 90 °, characterized in that each magnetic circuit ( 4 . 5 ) a wide, over an angle between 129 ° and 133 ° on both sides via a pole of the rotor ( 1 ) extending stator pole ( 19 . 20 ) and a narrow, extending over an angle between 39 ° and 43 °, to a pole of the rotor ( 1 ) focussing stator pole ( 21 . 22 ) and that the wide stator poles ( 19 . 20 ) of both magnetic circuits ( 4 . 5 ) on the one hand and the narrow stator poles ( 21 . 22 ) of both magnetic circuits ( 4 . 5 ) on the other hand by a narrow air gap ( 23 . 24 ) are separated from each other.

Stepping motor according to Claim 1, characterized in that each narrow stator pole ( 21 . 22 ) extends over an angle of 41 °.

Stepper motor according to Claim 1 or 2, characterized in that each wide stator pole ( 19 . 20 ) extends over an angle of 131 °.

Stepping motor according to one of Claims 1 to 3, characterized in that each air gap ( 23 . 24 ) extends over an angle between 2 ° and 6 °, preferably 4 °.

Stepping motor according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the ratio of rotor diameter ( 25 ) to diameter ( 26 ) of the pole faces of the stator poles ( 19 . 20 . 21 . 22 ) Statorpolausschnittes approximately 0.8.