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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schrittmotor und spezieller einen preisgünstigen Hochpräzisionsschrittmotor.
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STAND DER TECHNIK
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Es sind verschiedene Typen von Schrittmotoren bekannt, die bei einer Vielzahl von Instrumenten oder Apparaten zur Bereitstellung von Leistung verwendet werden. Hochpräzisionsschrittmotoren werden insbesondere bei elektronischen Produkten wie Instrumenten in Fahrzeugen, Uhren u. dgl. benötigt.
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In der 1 ist schematisch der Aufbau eines Schrittmotors gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Der Schrittmotor umfaßt einen ersten Stator 11, einen zweiten Stator 12 und einen Rotor 13. Der erste Stator 11 und der zweite Stator 12 sind teilweise übereinander angeordnet. Der erste Stator 11 hat an zwei Enden eine erste Endoberfläche 16 und eine zweite Endoberfläche 18. Der zweite Stator 12 hat an zwei Enden eine dritte Endoberfläche 17 und eine vierte Endoberfläche 19. Die erste Endoberfläche 16, die dritte Endoberfläche 17, die zweite Endoberfläche 18 und die vierte Endoberfläche 19 fassen im Uhrzeigersinn den Rotor 13 ein. Der erste Stator 11 und der zweite Stator 12 weisen jeweils Spulen auf. Der Rotor besitzt zwei magnetische Pole mit unterschiedlicher Polarität.
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Zwischen den ersten und zweiten Endoberflächen 16, 18 des ersten Stators 11 und den dritten und vierten Endoberflächen 17, 19 des zweiten Stators 12 werden jeweils magnetische Felder erzeugt, wenn Strom durch die Spulen des ersten Stators 11 und des zweiten Stators 12 geleitet wird. Die Magnetfelder erzeugen magnetische Momente an den Magnetpolen des Rotors 13, um den Rotor 13 zu drehen. Wenn die Richtung des Stromes in den Spulen des ersten Stators 11 und des zweiten Stators 12 wechselweise geändert wird, kann das erzeugte wechselnde Magnetfeld kontinuierlich die Drehung Rotation des Rotors 13 antreiben und eine schrittweise Rotation um jeweils 90 Grad herbeiführen.
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Der obige Schrittrotor umfaßt jedoch zwei übereinandergeschichtete Statoren. Der Zusammenbau dieses Schrittmotors ist daher schwierig, die Herstellung ist kompliziert und die Herstellungskosten sind hoch. Der Rotor 13 umfaßt ferner nur zwei Magnetpole und kann daher nur 90-Grad-Schrittwinkel ausführen, wobei zudem die Schrittpräzision gering ist.
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Des weiteren ist aus der
WO 2005/002030 A1 ein verbesserter Schrittmotor bekannt, der die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 zeigt, der allerdings hinsichtlich der Schrittpräzision noch verbessert werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen preisgünstigen Hochpräzisionsschrittmotor bereitzustellen, um die Probleme der Schrittmotoren gemäß dem Stand der Technik zu überwinden, die bei hohen Kosten nur geringe Schrittpräzision besitzen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen Schrittmotor vor, der einen Stator, einen Rotor und eine Steuerschaltung umfaßt. Der Stator besitzt an zwei Seiten Spulen, die elektrisch mit der Steuerschaltung verbunden sind.
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Der Stator umfaßt drei Magnetpolenden, die voneinander 120 Grad beabstandet sind und eine Rotoröffnung zum Aufnehmen des Rotors bilden.
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Der Rotor umfaßt einen Magnetrotor und eine Rotorwelle. Der Magnetrotor umfaßt mehrere Magnetpole, wobei der Stator ein integral geformter Stator oder ein aus drei Statorflügeln gebildeter Stator ist. Die Anzahl der Magnetpole des Magnetrotors ist eine gerade Zahl größer als 2, die nicht ohne Rest durch 3 geteilt werden kann.
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Die benachbarten Magnetpole des Magnetrotors haben entgegengesetzte Polarität, das heißt es handelt sich jeweils um einen Nordpol und einen Südpol.
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Der Schrittmotor hat einen Schrittwinkel, der der Division von 180 Grad geteilt durch die Anzahl der Magnetpole entspricht.
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Die Anzahl der Magnetpole des Rotors ist 4, 8, 10, 14, 16, 20, 22, 26, 28, 32, 34 oder 38.
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Im Vertikalschnitt besitzen die Rotoröffnung und der von der Rotoröffnung aufgenommene Rotor die Form konzentrischer Kreise.
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Die Bogenlänge der Magnetpolendoberfläche des Stators ist größer als die eines einzelnen Magnetpols des Rotors, aber kleiner als die zweier benachbarter Magnetpole.
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Die jeweiligen Magnetpolenden des Stators sind voneinander getrennt.
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Die benachbarten Magnetpolenden des Stators sind über schmale Nuten verbunden, wobei die Abstände von dem Ende der schmalen Furchen und dem Zentrum der Rotorwelle identisch sind.
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Der Magnetrotor ist ein Permanentmagneteisenrotor.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik besitzt der Schrittmotor der vorliegenden Erfindung einen einzelnen einstückig ausgebildeten Stator oder einen aus drei in einer Ebene angeordneten Flügeln gebildeten Stator, so daß er einfach und zu niedrigen Kosten hergestellt werden kann.
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Der Magnetrotor des Schrittmotors umfaßt mehrere Magnetpole, deren Anzahl eine gerade Zahl größer als 2 ist, die nicht ohne Rest durch 3 geteilt werden kann.
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Der minimale Schrittwinkel des Schrittmotors ergibt sich aus der Division von 180 Grad durch die Anzahl der Magnetpole. Die Schrittpräzision kann daher kontinuierlich durch Vergrößern der Anzahl der Magnetpole vergrößert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines Schrittmotors gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt schematisch den Aufbau einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schrittmotors.
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3 zeigt schematisch den Schrittzyklus des Schrittmotors gemäß 2.
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4 zeigt schematisch den Aufbau einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schrittmotors.
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5 zeigt schematisch den Schrittzyklus des Schrittmotors gemäß 4.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 2 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der Schrittmotor umfaßt einen Stator 21, einen Rotor 22 und eine hier nicht weiter gezeigte Steuerschaltung.
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Der Stator ist bei diesem Ausführungsbeispiel als einzelner Stator 21 ausgebildet, der einstückig aus weichmagnetischem Material geformt ist. Der Stator 21 besitzt an zwei gegenüberliegenden Seiten eine erste Spule 28 und eine zweite Spule 29, die jeweils mit der Steuerschaltung verbunden sind. Der Stator 21 umfaßt drei Magnetpolendoberflächen, die voneinander durch 120 Grad beabstandet sind. Es gibt jeweils erste, zweite und dritte Magnetpolendoberflächen 23, 24 und 25. Die ersten, zweiten und dritten Magnetpolendoberflächen sind Bogenoberflächen von identischen Größen und nehmen den Rotor auf. Sie bilden eine Rotoröffnung im Zentrum des Stators 21 zum Aufnehmen des Rotors. Die Form der Rotoröffnung und die Form des Rotors sind im Querschnitt konzentrische Kreise.
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Der Rotor umfaßt einen Magnetrotor 22 und eine Rotorwelle. Der Magnetrotor 22 ist aus permanentmagnetischem Eisen hergestellt und umfaßt vier Magnetpole, die radial angeordnet sind. Die benachbarten Pole haben entgegengesetzt Polarität, das heißt Südpole 26 und Nordpole 27 sind abwechselnd angeordnet. Die Seite eines Magnetpols, die einer Endoberfläche eines Magnetpols des Stators 21 gegenüberliegt, ist eine Bogenoberfläche. Das Ende der Rotorwelle ist mit einem Getriebe zum Übertragen der Rotationsbewegung des Rotorschafts versehen.
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Die Bogenlänge der jeweiligen Magnetpolendoberflächen 23, 24 und 25 des Stators 21 liegt zwischen der eines Magnetpols und der zweier benachbarter Magnetpole des Rotors.
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Die 3 zeigt schematische den Arbeitszyklus des Schrittmotors des Ausführungsbeispiels der 2. Wenn der Schrittmotor arbeitet, wird der Antriebsvorgang des Rotors in vier Arbeitsschritte als ein Antriebszyklus unterteilt.
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Im ersten Schritt (a) sind die erste Spule 28 und die zweite Spule 28 in der gleichen Richtung durch die Steuerschaltung derart mit Strom versorgt, daß aufgrund der elektromagnetischen Induktion der Spule die erste Magnetpolendoberfläche 23 und die zweite Magnetpolendoberfläche 24 magnetische Nordpole und die dritte Magnetpolendoberfläche 25 einen magnetischer Südpol bilden. Die vier Magnetpole des Magnetrotors 22 sind zwei Südpole 26 und zwei Nordpole 27, die abwechselnd angeordnet sind. Die erste Magnetpolendoberfläche 23 und die zweite Magnetpolendoberfläche 24 des Stators ziehen den ihnen benachbarten Magnetpol 26 des Rotors an, während die dritte Magnetpolendoberfläche 25 den ihr benachbarten Nordpol 27 des Rotors anzieht, so daß gegenüber der in 2 gezeigten Situation zunächst ein magnetisches Moment an dem Magnetrotor 22 erzeugt ist, um diesen entgegen dem Uhrzeigersinn in Rotation mit einem Schrittwinkel von 45 Grad anzutreiben.
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Im zweiten Schritt (b) ist die Richtung des Stromes der ersten Spule 28 durch die Steuerschaltung so verändert, daß die erste Magnetpolendoberfläche 23 ein Südpol ist, während die zweite Magnetpolendoberfläche 24 ein Nordpol bleibt und die dritte Magnetpolendoberfläche 25 ihre Polarität verliert. Auf diese Weise zieht die erste Magnetpolendoberfläche 23 des Stators den ihr nächsten Nordpol 27 des Rotors an, und die zweite Magnetpolendoberfläche 24 des Stators zieht den ihr nächsten Südpol 26 des Rotors so an, daß ein magnetisches Moment erzeugt wird, um den Magnetrotor 22 entgegen dem Uhrzeigersinn mit einem Schrittwinkel von 45 Grad rotieren und die Ausgangsposition um 90 Grad verlassen zu lassen.
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Im dritten Schritt (c) ist die Richtung des Stromes der zweiten Spule 29 durch die Steuerschaltung verändert, während die Richtung des Stromes in der ersten Spule 28 unverändert bleibt. Die Polarität der ersten Magnetpolendoberfläche 23 bleibt Südpol, die zweite Magnetpolendoberfläche 24 wird unter der Magnetinduktion zum magnetischen Südpol, und die dritte Magnetpolendoberfläche 25 wird zum magnetischen Nordpol. Auf diese Weise zieht die dritte Magnetpolendoberfläche 25 den ihr benachbarten Nordpol 26 des Rotors 22 an, während die ersten und zweiten Magnetpolendoberflächen 23 und 24 den ihnen benachbarten Nordpol 27 des Rotors 22 anziehen. Es wird daher ein magnetisches Moment erzeugt, daß den Magnetrotor 22 entgegen dem Uhrzeigersinn mit einem Schrittwinkel von 45 Grad rotieren und die Ausgangsposition um 135 Grad verlassen läßt.
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Im vierten Schritt (d) ist die Richtung des Stromes der ersten Spule 28 durch die Steuerschaltung so verändert, daß die erste Magnetpolendoberfläche 23 unter elektromagnetischer Induktion zum magnetischen Nordpol wird, die zweite Magnetpolendoberfläche 24 unverändert Südpol bleibt und die dritte Magnetpolendoberfläche 25 ihre Polarität verliert. Auf diese Weise zieht die erste Magnetpolendoberfläche 23 den ihr benachbarten Südpol 26 des Rotors 22 an, und die zweite Magnetpolendoberfläche 24 zieht den ihr benachbarten Nordpol 27 des Rotors 22 an. Es wird daher ein magnetisches Moment erzeugt, daß den Magnetrotor 22 entgegen dem Uhrzeigersinn um einen Winkel von 45 Grad rotieren und die Ausgangsposition um 180 Grad verlassen läßt.
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Nach einer Rotation um 180 Grad befindet sich der Magnetrotor 22 aufgrund seiner Symmetrie quasi wieder in seiner Ausgangslage (hinsichtlich der Anordnung der Pole) und ist daher in der Lage, die ersten, zweiten, dritten und vierten Schritte erneut zu durchlaufen, so daß der Magnetrotor 22 kontinuierlich in eine Richtung rotieren kann.
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Der Schrittwinkel des Schrittmotors, bei diesem Ausführungsbeispiel 45 Grad, um den sich der Rotor der durch Ändern der Richtung des Stromes in den Spulen des Stators bei jedem Schritt dreht, ist der Quotient von 180 Grad geteilt durch die Anzahl der Magnetpole des Rotors 22.
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In der 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Schrittmotors gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels ist ähnlich zu jenem des ersten Ausführungsbeispiels des Schrittmotors. Der Schrittmotor umfaßt einen Stator 31, einen Rotor 32 und eine hier nicht gezeigte Steuerschaltung. Der Stator 31 umfaßt drei Magnetpolendoberflächen, die voneinander durch 120 Grad beabstandet sind, und zwei Spulen.
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Die drei Magnetpolendoberflächen sind jeweils die ersten, zweiten und dritten Magnetpolendoberflächen 33, 34 und 35. Die beiden Spulen sind jeweils die erste Spule 38 und die zweite Spule 39, welche symmetrisch an zwei Seiten des Stators 31 angeordnet sind.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt jedoch der Magnetrotor 32 acht magnetische Pole, die radial angeordnet sind. Die benachbarten Magnetpole haben entgegengesetzte Polarität, so daß also vier magnetische Südpole 36 und vier magnetische Nordpole 37 abwechselnd angeordnet sind.
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Die ersten, zweiten und dritten Magnetpolendoberflächen 33, 34 und 35 nehmen zwischen sich den Magnetrotor 32 mit den acht Magnetpolen auf.
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In der 5 sind die Arbeitsschritte eines Zyklus des Schrittmotors gemäß 4 gezeigt. Der Schrittzyklus des Schrittmotors ist wieder auch in vier Schritte oder Takte a, b, c und d unterteilt.
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Im ersten Schritt (a) werden die erste Spule 38 und die zweite Spule 39 derart mit Strom durch die Steuerschaltung versorgt, daß die erste Magnetpolendoberfläche 33 des Stators 31 ein Nordpol, die zweite Magnetpolendoberfläche 34 ebenfalls ein Nordpol und die dritte Magnetpolendoberfläche 35 ein Südpol ist.
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Die dritte Magnetpolendoberfläche 35 zieht dann (ausgehend von der Stellung der Pole in 4) den ihr benachbarten Nordpol 37 des Magnetrotors 32 an, während die erste Magnetpolendoberfläche 33 und die zweite Magnetpolendoberfläche 34 den ihnen benachbarten Südpol 36 des Magnetrotors anziehen. Die ersten, zweiten und dritten Magnetpolendoberflächen 33, 34, 35 des Stators 31 erzeugen daher magnetisches Moment an den Magnetrotor 32 und Treiben diesen in Rotation entgegen dem Uhrzeigersinn mit einem Schrittwinkel von 22,5 Grad an, das heißt die Schrittpräzision ist 22,5 Grad.
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In dem zweiten Schritt (b) ist die Richtung des Stromes der zweiten Spule 39 durch die Steuerschaltung verändert, während die Richtung des Stromes in der ersten Spule 38 unverändert bleibt. Aufgrund der elektromagnetischen Induktion bildet die erste Magnetpolendoberfläche 33 des Stators 31 einen Nordpol, die zweite Magnetpolendoberfläche 34 einen Südpol und die dritte Magnetpolendoberfläche 35 verliert ihre Polarität. Die erste Magnetpolendoberfläche 33 zieht dann den ihr benachbarten Südpol 36 des Rotors an, während die zweite Magnetpolendoberfläche 34 den ihr benachbarten Nordpol 37 des Rotors an, so daß ein magnetisches Moment erzeugt wird, daß en Magnetrotor 32 entgegen dem Uhrzeigersinn mit einem Winkel von 22,5 Grad rotieren und die Ausgangsposition um 45 Grad verlassen läßt.
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Im dritten Schritt (c) bleiben die Richtung des Stromes in der ersten Spule 38 durch die Steuerschaltung und die Richtung des Stromes in der zweiten Spule 39 unverändert. Aufgrund der elektromagnetischen Induktion wird die erste Magnetpolendoberfläche 33 der Statorzange 31 zum Südpol; die zweite Magnetpolendoberfläche 34 bleibt Südpol und die dritte Magnetpolendoberfläche 35 wird Nordpol. Die dritte Magnetpolendoberfläche 35 zieht den ihr benachbarten Südpol 36 des Rotors an, und die ersten und zweiten Magnetpolendoberflächen 33 und 34 ziehen den ihnen benachbarten Nordpol 37 des Rotors an, so daß ein magnetisches Moment an dem Rotor 32 erzeugt wird, daß den Magnetrotor 32 entgegen dem Uhrzeigersinn um weitere 22,5-Grad-Winkel rotieren und daher die Ausgangsposition um 67,5 Grad verlassen läßt.
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Im vierten Schritt (d) bleiben die Stromrichtung der zweiten Spule 39 und die Stromrichtung der ersten Spule 38 unverändert. Aufgrund der elektromagnetischer Induktion wird die erste Magnetpolendoberfläche 33 der Statorzange 31 zum magnetischen Südpol, die zweite Magnetpolendoberfläche 34 bleibt Nordpol und die dritte Magnetpolendoberfläche 35 verliert ihre Polarität. Die erste Magnetpolendoberfläche 33 zieht daher den ihr benachbarten Nordpol 37 des Rotors am, und die zweite Magnetpolendoberfläche 34 zieht den ihr benachbarten Südpol 36 des Rotors an, so daß ein magnetisches Moment erzeugt wird, daß den Rotor 32 entgegen dem Uhrzeigersinn um 22,5-Grad rotieren und daher die Ausgangsposition um 90 Grad verlassen läßt.
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Da bei dieser Ausführungsform der Rotor 32 acht Magnetpole mit vier Südpolen 36 und vier Nordpolen 37 besitzt, die radial und abwechselnd angeordnet sind, nimmt der Rotor 32 nach der Rotation um 90 Grad eine Position ein, die hinsichtlich der Anordnung der Pole der Ausgangsstellung entspricht, so daß die die ersten, zweiten, dritten und vierten Schritte wiederholt werden können, um den Rotor 32 kontinuierlich in einer Richtung rotieren zu lassen.
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Der Schrittwinkel des Schrittmotors, hier 22,5 Grad, um den durch Ändern der Richtung des Stromes in den Spule bei jedem Schritt der Rotor rotiert, ist der Quotient von 180 Grad geteilt durch die Anzahl der Magnetpole des Rotors.
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Der Schrittmotor der vorliegenden Erfindung vergrößert die Schrittpräzision durch Vergrößern der Anzahl der Magnetpole des Magnetrotors, wobei der minimale Schrittwinkel der Quotient von 180 Grad geteilt durch die Anzahl der Magnetpole des Magnetrotors ist. Die Schrittpräzision des Schrittmotors kann daher durch Erhöhen der Anzahl der Magnetpole des Rotors kontinuierlich erhöht werden. Da der Stator der vorliegenden Erfindung mit drei Magnetpolendoberflächen versehen ist, können magnetische Momente an dem Rotor durch Verändern der Polarität der Magnetpole des Stators erzeugt werden, um den Rotors in Drehung anzutreiben. Um hingegen den Gleichgewichtszustand der Magnetmomente zu vermeiden, ist die Anzahl der Magnetpolen des Rotors eine gerade Zahl größer als zwei, die jedoch nicht exakt durch drei geteilt werden kann. Die Anzahl der Magnetpole kann daher 4, 8, 10, 14, 16, 20, 22, 26, 28, 32, 34 und 38 usw. sein. Wenn die Anzahl der Magnetpole des Rotors ansteigt, sind die Schrittverhaltensweisen des Schrittmotors ähnlich, das heißt durch Wechsel der Richtung des Stromes in Spulen des Stators wird der Rotor in Drehung angetrieben. Dabei kann der Stator der vorliegenden Erfindung vorteilhaft ein einzeln einstückig ausgebildeter Stator sein, der einfach und zu niedrigen Kosten hergestellt werden kann.
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Das folgende ist eine weitere Verbesserung des Schrittmotors der vorliegenden Erfindung. Die drei Magnetpolendoberflächen des Stators können durch drei schmale Nuten getrennt sein, die um 120 Grad voneinander beabstandet sind. Die drei schmalen Nuten sind entlang der Radialrichtung des Rotors angeordnet. Die beiden Enden jeder schmalen Furche sind verbunden mit dem Stator, und der Verbindungsabschnitt ist dünn, wobei das Magnetfeld gesättigt ist und so ein magnetisches Moment an den Rotor erzeugt. Die Abstände zwischen den Enden der schmalen Nuten zur Achse des Rotors sind identisch.
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Der Stator kann auch ein Stator sein, die aus in einer Ebene angeordneten drei Flügeln besteht, welche den drei Magnetpolendoberflächen jeweils entsprechen. Auch ein solcher Stator kann einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Zusammenfassend ist der Stator des Schrittmotors der vorliegenden Erfindung ein einzeln einstückig ausgebildeter Stator oder ein Stator, der aus drei Flügeln besteht, und einfach und zu niedrigen Kosten hergestellt werden kann. Die Anzahl der Magnetpole des Magnetrotors des Schrittmotors ist eine gerade Anzahl, welche größer als zwei ist, aber nicht exakt durch drei geteilt werden kann. Der minimale Schrittwinkel des Schrittmotors ist der Quotient von 180 Grad geteilt durch die Anzahl der Magnetpole des Rotors. Die Schrittpräzision kann daher kontinuierlich durch Vergrößern der Anzahl der Magnetpole vergrößert werden. Der Schrittmotor der vorliegenden Erfindung kann einfach und kostengünstig hergestellt werden und hat hohe Schrittpräzision. Gemäß dem praktischen Erfordernis, kann die Schrittpräzision auch kontinuierlich vergrößert werden, durch Vergrößern der Anzahl der Magnetpole der Rotoren.
