-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor und insbesondere einen Schrittmotor mit einem einstellbaren Rastmoment.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Bei einem Motor kann ein magnetisches Rastmoment erwünscht sein, um die Position des Rotors zu halten, wenn der Motor nicht in Betrieb (abgeschaltet) ist. Die Wirkung des Rastmoments ist die Anziehung zwischen den Magneten und den Statorpolen, wenn diese sich im Ruhezustand befinden (kein Strom fließt), und ist bedingt durch einen positionsabhängigen Magnetfluss, der durch eine Permanentmagnetisierung induziert wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Motor Teil eines Aktors ist.
-
Das europäische Patent
EP0689278 beschreibt die Vorstellung, ein Rastmoment zu erzeugen, das durch zusätzliche Strukturen an den Statorteilen generiert wird.
-
Das US-Patent
US6753632 beschreibt, wie durch die Modifizierung der Geometrie der Magnetpole ein gesteuertes Rastmoment erreicht werden kann.
-
Beide Vorgehensweisen leiden unter dem Problem, dass das Rastmoment ohne eine Änderung des gesamten Herstellungsprozesses nicht mehr geändert werden kann, sobald die Geometrie einmal festgelegt und der Motor produziert ist.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Daher wird ein Motor oder Aktor gewünscht, zum Beispiel ein Schrittmotor, bei welchem das Rastmoment während der Herstellung eingestellt werden kann, ohne den gesamten Motor oder Aktor umgestalten zu müssen.
-
Dies wird erreicht durch die Verwendung von magnetischen Rastplatten, die angeordnet sind, um das Rastmoment auf eine gewünschte Höhe anzuheben. Die magnetischen Rastplatten können auch zum Vorspannen des Rotors in eine gewünschte bleibende Orientierung relativ zu dem Stator verwendet werden.
-
Demzufolge wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Schrittmotor angegeben, umfassend: einen Rotor mit einem Permanentmagnet; ein Statorgehäuse; eine Mehrzahl von Statorspulenanordnungen, die in dem Statorgehäuse vorgesehen sind; und eine Anzahl von magnetischen Rastplatten, die entlang der Motorachse angeordnet sind, wobei jede magnetische Rastplatte eine zentrale Öffnung für die Aufnahme des Permanentmagnets des Rotors und eine Mehrzahl von Vorsprüngen hat, die sich nach innen erstrecken, um die zentrale Öffnung beabstandet sind und mit dem Magnetfeld des Permanentmagnets des Rotors zusammenwirken.
-
Vorzugsweise hat jede Spulenanordnung einen Spulenkörper, eine um den Spulenkörper gewickelte Spule und zwei Polplatten mit Polfingern, die sich axial in dem Spulenkörper erstrecken, wobei der Spulenkörper zwischen den beiden Polplatten angeordnet ist und einen den Rotor aufnehmenden Raum definiert.
-
Vorzugsweise sind die magnetischen Rastplatten zwischen zwei benachbarten Statorspulenanordnungen vorgesehen.
-
Vorzugsweise hat jede magnetische Rastplatte mindestens eine Rastnase, und das Gehäuse hat mindestens eine entsprechende Öffnung, die die Rastnase aufnimmt, um die Orientierung der magnetischen Rastplatten relativ zu dem Statorgehäuse festzulegen.
-
Vorzugsweise ist die Anzahl von Vorsprüngen an jeder magnetischen Rastplatte gleich der Anzahl von Polen des Rotormagnets.
-
Vorzugsweise umfasst das Gehäuse zwei Gehäuseteile, und jeder Gehäuseteil hat eine Anzahl von Ausschnitten, um Öffnungen in dem Gehäuse zu bilden, und jede Polplatte hat eine Anzahl von Rastnasen, die in den Öffnungen aufgenommen sind, um die Umfangs- und axiale Position der Polplatten relativ zu dem Statorgehäuse festzulegen.
-
Vorzugsweise hat mindestens eine der äußeren Polplatten Befestigungsfahnen, die sich von zwei der Rastnasen erstrecken.
-
Vorzugsweise hat jeder Spulenkörper einen Kontaktblock, der an einem der Flansche gebildet ist, wobei der Kontaktblock derart angeordnet ist, dass er sich durch eine der Öffnungen in dem Statorgehäuse erstreckt, und zwei Kontaktstifte sind an dem Kontaktblock befestigt, so dass sie sich von dem Statorgehäuse weg erstrecken, wobei Enden der Spulen an den Kontaktstiften abschließen.
-
Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Phasen zwei.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines Schrittmotors angegeben, umfassend die Schritte: Anordnen einer Anzahl von Statorspulenanordnungen um einen Permanentmagnetrotor; Anbringen der Statorspulenanordnungen an einem Gehäuse; Wählen einer Anzahl von magnetischen Rastplatten mit jeweils einer Mehrzahl von Vorsprüngen; und Anordnen der magnetischen Rastplatten in dem Gehäuse um den Rotor, derart, dass die Vorsprünge an dem Magnetfeld des Rotors angreifen.
-
Vorzugsweise umfasst der Schrittmotor mindestens zwei Statorspulenanordnungen, und die magnetischen Rastplatten sind zwischen zwei benachbarte Spulenanordnungen geschaltet.
-
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Wählens der Anzahl von magnetischen Rastplatten das Bestimmen des für den Motor erforderlichen Rastmoments und das Wählen der Anzahl von magnetischen Rastplatten, die zum Erzielen des benötigten Rastmoments notwendig sind.
-
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Wählens der Anzahl von magnetischen Rastplatten das Bestimmen des für den Motor erforderlichen Rastmoments und das Wählen der Anzahl und Dicke der magnetischen Rastplatten, die zum Erzielen des benötigten Rastmoments notwendig sind.
-
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Bestimmens der erforderlichen Anzahl von magnetischen Rastplatten das Bestimmen der Größe der Vorsprünge, der Form der Vorsprünge, der Anzahl von Vorsprüngen und des Orts der Vorsprünge.
-
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Bestimmens der Größe von Vorsprüngen das Bestimmen der Dicke der magnetischen Rastplatten.
-
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Bereitstellens einer Anzahl von magnetischen Rastplatten das Bestimmen der Anzahl von magnetischen Rastplatten, die bereitgestellt werden muss, auf der Basis des erforderlichen Rastmoments, der Anzahl von Vorsprüngen, der Größe der Vorsprünge, der Form der Vorsprünge, der Dicke der magnetischen Rastplatten und der Lage der Vorsprünge relativ zu dem Rotormagnet.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Linearaktor angegeben, mit einem Schrittmotor wie vorstehend beschrieben und mit einer Ausgangswelle, wobei die Ausgangswelle mit Schraubengewinden mit dem Rotor des Schrittmotors verbunden ist.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand von Beispielen erläutert, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt sind, sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
-
1 zeigt einen Schrittmotor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 ist eine auseinandergezogene Darstellung des Stators des Motors von 1;
-
3 ist eine vergrößerte Darstellung einer magnetischen Rastplatte als Teil des Stators von 2; und
-
4 ist ein Querschnitt eines Linearaktors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die 1 und 2 zeigen die bevorzugte Ausführungsform eines Schrittmotors 10 gemäß vorliegender Erfindung. 1 zeigt den vollständigen Motor im zusammengebauten Zustand. 2 ist eine auseinandergezogene Darstellung lediglich des Stators, d. h. der Rotor wurde weggelassen.
-
Wie gezeigt, hat der Schrittmotor einen Stator und einen Rotor. Nur die Welle 16 des Rotors ist in 1 zu sehen, wobei der Körper des Rotors in dem Stator untergebracht ist. Der Rotor umfasst in der üblichen Weise eine Welle mit einem Permanentmagnet, vorzugsweise ein Ringmagnet, der durch einen Rotorkern an der Welle befestigt ist.
-
Der Stator umfasst ein Gehäuse 12, zwei Spulenanordnungen 22 und eine Anzahl von magentischen Rastplatten 32, die die beiden Spulenanordnungen trennen. Jede Spulenanordnung umfasst eine auf einem Spulenkörper 26 gewickelte Statorspule 24, eine äußere Polplatte 28 und eine innere Polplatte 30. Wahlweise ist das Statorgehäuse 12 durch zwei Teile 40 gebildet, die in einer Muschelschalenanordnung miteinander verbunden sind. Jeder Gehäuseteil ist aus einem rechteckigen Stück eines magnetisch leitenden Blechs (wie beispielsweise Elektrostahlblech) gebildet und durch Stanzen in Form geschnitten und zur Bildung eines halbkreisförmigen Rings aufgerollt. Vorzugsweise sind die Gehäuseteile identisch. Die umfangsseitigen Enden 42 der Gehäuseteile haben komplementäre, aneinander angepasste Formen, die miteinander verriegelt werden können, um eine vollständigen Ring zu bilden. Jeder Teil hat auch eine Anzahl von Ausschnitten 44, die angeordnet sind für die Aufnahme von Rastnasen 34, vorzugsweise als Presspassung, der äußeren Polplatten 28, der inneren Polplatten 30 und der magnetischen Rastplatten 32 und Kontaktblöcke 36 der Spulenkörper der Statorspulen, die Kontaktstifte 38 tragen, an denen die Statorspulen 24 enden.
-
Die äußeren Polplatten 28 und die inneren Polplatten 30 haben sich axial erstreckende Polfinger 46, die ineinandergeschachtelt sind, so dass sie alternierend umfangsseitig in ihrer jeweiligen Spule und in dem Luftspalt zu liegen kommen, der zwischen den Spulen und dem Rotormagnet gebildet ist. Da es sich um Platten handelt, sind diese aus Flachblech ausgestanzt, wobei ähnlich wie bei den Gehäuseteilen Polfinger 46 als Teil des Stanzvorgangs derart gebogen werden, dass sie sich axial erstrecken. Daher ist die Ausbildung dieser Teile einfach und präzise. Eine oder beide der äußeren Polplatten 28 können mit Befestigungsfahnen 14 versehen sein, die als Verlängerung der Rastnasen 34 gebildet sind und in ihrer Mitte eine Öffnung für die Aufnahme eines Bolzens oder einer Schraube zur Festlegung des Motors an einem Substrat oder einer Basis aufweisen.
-
Die Statorspulenanordnungen sind identisch ausgebildet. Jede Statorspulenanordnung umfasst einen Spulenkörper 26 und eine Spule 24, die um den Spulenkörper gewickelt ist. Die Spule hat zwei Flansche, die durch einen zylindrischen Bereich getrennt sind. Die Spule ist um den zylindrischen Bereich zwischen den Flanschen gewickelt. Die Spule endet an zwei Stiften 38, die die Motoranschlüsse bilden, die an dem Kontaktblock 36 befestigt sind, der an einem der Flansche derart gebildet ist, dass er seitlich des Spulenkörpers vorspringt. Der Spulenkörper 26 hat auch einen zentralen Raum, der durch den zylindrischen Bereich definiert ist, der den Motor aufnimmt. Ein Ende der zentralen Öffnung ist durch einen Lagervorsprung 50 verschlossen, der durch eine Mehrzahl von Rippen 52, die zum Zweck der Ausrichtung in entsprechenden Schlitzen in der äußeren Polplatte zwischen den Polfingern sitzen, mit einem Flansch zu einer Einheit verbunden ist. Ähnliche Rippen sind an dem anderen Ende des Spulenkörpers angeordnet und in entsprechende Schlitze in der inneren Polplatte eingepasst. Der Lagervorsprung kann ein Lager stützen oder kann ein Lager bilden, um die Rotorwelle drehbar zu lagern.
-
Die magnetischen Rastplatten 32 sind zwischen der ersten und der zweiten inneren Polplatte 30 gebildet. Wie in 3 gezeigt ist, hat jede magnetische Rastplatte eine zentrale Öffnung 35, um den Rotor aufzunehmen. Die zentrale Öffnung hat eine Mehrzahl von Vorsprüngen 33, die sich nach innen und vorzugsweise radial nach innen erstrecken. Diese Vorsprünge sind angeordnet, um die jeweiligen Magnetpole des Rotormagnets anzuziehen, um für eine vorgegebene Höhe eines Rastmoments zu sorgen. Die Vorsprünge 33 können modifiziert werden, um die Lage der Rastposition des Rotors zu ändern, wenn der Motor nicht in Betrieb ist. Die Größe der Vorsprünge 33 kann ebenfalls modifiziert werden, um die Stärke der Haltekraft oder das Rastmoment zu ändern. Die Größe der Vorsprünge lässt sich ändern durch eine Änderung der Form der Vorsprünge an jeder magnetischen Rastplatte, der Dicke jeder magnetischen Rastplatte oder der Anzahl von magnetischen Rastplatten oder durch eine Kombination dieser Änderungen.
-
Wahlweise hat jede der äußeren Polplatten 28, der inneren Polplatten 30 und der magnetischen Rastplatten 32 vier Rastnasen 34. Beim Zusammenbau werden die erste Spule 24 und der Spulenkörper 26 zwischen die erste äußere Polplatte 28 und die erste innere Polplatte 30 gesetzt, um die erste Spulenanordnung 22 zu bilden. Die zweite Spule 24 und der Spulenkörper 26 werden zwischen die zweite äußere Polplatte 28 und die zweite innere Polplatte 30 gesetzt, um die zweite Spulenanordnung zu bilden. Die magnetischen Rastplatten 32 werden in der benötigten Anzahl direkt zwischen die erste und die zweite innere Polplatte geschaltet, so dass sie zwischen den beiden Spulenanordnungen 22 aufgenommen werden. Mit aufeinander ausgerichteten Rastnasen werden die beiden Gehäuseteile 40 an der aneinandergeschichteten Anordnung angebracht. Die Rastnasen 34 erstrecken sich durch entsprechende Ausschnitte 44 in dem Gehäuse, so dass sie die Teile fest zusammengehalten werden. Insbesondere erstrecken sich die Rastnasen 34 der inneren Polplatten 30 zusammen mit den magnetischen Rastplatten 32 und den Kontaktblöcken 36 der Spulenkörper durch den zentralen Ausschnitt eines der Gehäuseteile.
-
Der zentrale Ausschnitt des anderen Gehäuseteils nimmt die Rastnasen 34 der inneren Polplatten 30 und der magnetischen Rastplatten 32 auf, da die Spulenkörper nur einen Kontaktblock 36 für die Kontaktstifte 38 haben. Die entsprechenden Rastnasen 34 der beiden äußeren Polplatten 28 werden in entsprechenden Ausschnitten 44 in dem jeweiligen Gehäuseteil aufgenommen bzw. erstrecken sind durch diese Ausschnitte. Die verbleibenden Rastnasen 34, die von den in den zentralen Ausschnitten angeordneten Rastnasen um 90° beabstandet sind, werden in Öffnungen aufgenommen, die durch Ausschnitte in den Umfangskanten der Gehäuseteile gebildet sind. Die Rastnasen der beiden äußeren Polplatten werden wiederum in eigens für sie vorgesehenen Öffnungen aufgenommen.
-
Sobald die beiden Gehäuseteile an die aneinandergeschichteten Komponenten angepasst wurden und ihre Enden ineinandergreifen, werden sie aneinander befestigt, entweder durch plastische Verformung zur Bildung miteinander verblockter Teile oder durch Verschweißen. Die Platten und Spulen werden auf diese Weise durch das Gehäuse fest zusammengehalten, wobei die Rastnasen die axiale und umfangsseitige Ausrichtung der Platten und Spulen mit dem Gehäuse fixieren und wobei das Gehäuse und die Außenkanten der Platten und Spulenkörper die radiale Positionierung fixieren, wodurch eine präzise Konzentrizität sichergestellt wird.
-
Wahlweise hat jede äußere Polplatte eine Verbinderfahne 18 für die Festlegung eines Verbinders (nicht gezeigt) zum Stützen der Motoranschlussstifte 38.
-
Bei der Herstellung des Schrittmotors wird jeder Spulenkörper mit einer Statorspule umwickelt, die an den Motoranschlussstiften endet. Zur Bildung einer Statorspulenanordnung ist jeder Spulenkörper zwischen zwei Polplatten geschaltet. Die beiden Polplatten können eine innere Polplatte und eine äußere Polplatte sein. Obwohl sie im Wesentlichen identisch sind, kann die äußere Polplatte Befestigungsfahnen 14 für die Befestigung des Motors und eine Verbinderfahne 18 für die Befestigung eines externen Verbinders zum Stützen der Motoranschlussstifte 38 aufweisen. Die beiden Spulenanordnungen werden an dem Statorgehäuse montiert, indem sie zwischen den beiden Muschelschalenhälften des Gehäuses angeordnet werden, wobei die Nasen 34 mit den Ausschnitten des Gehäuses ineinandergreifen.
-
Zwischen den Ständerspulenanordnungen ist eine Anzahl von magnetischen Rastplatten derart angeordnet, dass die Rastplatten mit dem Magnetfeld des Rotors zusammenwirken, wenn der Motor nicht in Betrieb ist, für eine Halte-Vorspannung des Rotors in einer vorgegebenen Orientierung relativ zu dem Stator, d. h. zum Aufbringen einer magnetischen Haltekraft an dem Rotor.
-
Der Rotor wird an den Spulenanordnungen und an den magnetischen Rastplatten montiert, bevor das Gehäuse an den Spulenanordnungen montiert wird. Die Welle 16 des Rotors wird an den Lagern der Lageransätze 50 jeder der Spulenanordnungen montiert.
-
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen die einfache Herstellung des Schrittmotors mit einstellbarem Rastmoment. ”Einstellbar” bedeutet, dass während der Konstruktion des Motors das endgültige Rastmoment auf die gewünschte Höhe eingestellt werden kann, indem die geeignete Anzahl und eine geeignetes Design von einfachen magnetischen Rastplatten gewählt werden, ohne die anderen Teile des Motors zu ändern. Selbstverständlich können durch die Änderung der Anzahl oder der Dicke der magnetischen Rastplatten Distanzhalter notwendig sein, um die axiale Länge des Stators konstant zu halten.
-
Wie aus vorstehender Beschreibung erkennbar ist, ist es möglich, einen Schrittmotor mit einer gewünschten Haltekraft oder einem gewünschten Rastmoment, das praktisch unbeeinflusst von Temperatur und Abnutzung ist, zu schaffen. In der Tat lässt sich das Rastmoment wählen oder vorgeben, indem eine unterschiedliche Anzahl von magnetischen Rastplatten gewählt wird oder die Dicke der magnetischen Rastplatten geändert wird, ohne andere Statorteile oder die Rotorgeometrie zu ändern. Der Ort der Haltepositionen kann beliebig gewählt werden, unabhängig von den Polen des Stators. Durch eine geeignete Gestaltung der Vorsprünge der magnetischen Rastplatten (ihre Form, ihre Anzahl und ihre Anordnung) lässt sich das Rastmoment unter dem gewünschten Winkel erzielen. Die Amplitude wird mit der Anzahl und/oder der Dicke der Platten eingestellt. Die Amplitude des Rastmoments lässt sich ohne weiteres ändern, indem eine andere Anzahl (oder Dicke) der magnetischen Rastplatten gewählt wird.
-
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Linearaktors 60 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Linearaktor 60 umfasst einen Schrittmotor 11 und eine Ausgangswelle 62. Der Schrittmotor 11 ist ähnlich wie der Schrittmotor 10 in 1, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass die Motorwelle 16 des Rotors 13 ein Schraubengewinde 64 hat, das mit einem Schraubengewinde 66 der Ausgangwelle 62 in Eingriff steht. Die Ausgangswelle 62 ist derart angeordnet, dass sie sich in Richtung der Motorachse bewegen kann, sich um die Achse jedoch nicht drehen kann. Dadurch dreht sich während der Drehung des Rotors 13 die Motorwelle 16 und bewirkt, dass sich die Ausgangswelle 62 in die axiale Richtung bewegt. An dem Ende der Ausgangswelle 62 ist ein Verbindungselement 68 befestigt, das an das durch den Linearaktor 60 zu bewegende Objekt wie beispielsweise ein Scheinwerfer oder ein Außenspiegel eines Fahrzeugs angepasst ist. Ähnlich verfügt der Schrittmotor 11 über ein Rastmoment, das einfach einstellbar ist, so dass der Linearaktor 60 ohne weiteres mit einer gewünschten Haltekraft ausgebildet werden kann, um das einmal positionierte Objekt an Ort und Stelle zu halten, ohne den Schrittmotor zu betätigen.
-
Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
-
Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
-
Zum Beispiel hat die beschriebene Ausführungsform zwei Statorspulenanordnungen und ist somit als Zweiphasenmotor ausgebildet. Die Erfindung kann mit einer beliebigen Anzahl von Phasen angewendet werden, indem weitere Statorspulenanordnungen hinzugefügt werden, mit oder ohne zwischen benachbarte Statorspulenanordnungen geschaltete magnetische Rastplatten. Gemäß einer Alternative lässt sich ein Einphasenmotor durch Weglassen einer der Statorspulenanordnungen herstellen, vorausgesetzt, die oder jede magnetische Rastplatte wirkt mit dem Magnetfeld des Rotors zusammen.
-
Ferner versteht es sich, dass der Ort der magnetischen Rastplatten nicht nur auf die Positionen zwischen zwei Statorphasen beschränkt ist. Magnetische Rastplatten können axial entlang des Motors und um den Permanentmagnetrotor überall dort angeordnet sein, wo sie mit letzterem magnetisch zusammenwirken. Zum Beispiel können sie an den äußeren axialen Enden des Motors angrenzend an die äußeren Polplatten 28 angeordnet sein.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 0689278 [0003]
- US 6753632 [0004]
