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Schrittmotor Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor zur Umwandlung
elektrischer Impulse in mechanische Drehimpulse. Bei einer bekannten Konstruktion
wird ein lamellierter Ständer mit vier Polen verwendet, auf denen je eine Wicklung
sitzt. Gegenüberliegende Wicklungen sind dabei zu einem Ständerpolpaar hintereinandergeschaltet.
In der Mitte befindet sich ein im Prinzip S-förmiger Läufer Ein eintreffender Impuls
beaufschlagt abwechselnd immer nur ein Ständerpolpaar, und der Läufer stellt sich
in die Richtung der magnetischen Achse des Ständerpolpaares. Wird durch den nächsten
eintreffenden elektrischen Impuls das zweite Ständerpolpaar eingeschaltet, so dreht
sich der Läufer um 90° um die magnetische Achse dieses Ständerpolpaares, denn er
hat immer die Tendenz, sich so einzustellen, daß der magnetische Widerstand zwischen
gegenüberliegenden Polen ein Minimum wird. Da der Läufer unsymmetrisch ausgebildet
ist, kann er sich immer nur in der gleichen Richtung bewegen. Bei diesem bekannten
Schrittmotor ist es erforderlich, dafür zu sorgen, daß jeder Impuls nur ein Ständerpolpaar
beaufschlagt. Wenn aufeinanderfolgende Impulse unterschiedliche Stromrichtung besitzen,
läßt sich dies erreichen, indem man den Ständerpolpaaren Gleichrichter vorschaltet,
die entgegengesetzte Durchlaßrichtung haben.
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Zur Vermeidung des schaltungstechnischen Aufwandes sind auch bereits
Schrittmotoren vorgeschlagen worden, bei denen ein zweipoliger Weicheisenanker mit
sichelartigen Polfortsätzen in einem vierpoligen Ständer gelagert ist. Der Ständer
ist mit parallel zur Läuferachse angeordneten, stabförmigen Dauermagneten versehen,
deren Magnetpfade mit denen der gleichfalls parailel zur Läuferachse eingebauten
Erregerspule gekoppelt sind. Der Spulenkern wie auch die Spule sind konzentrisch
zur Läuferachse angeordnet, und die magnetischen Flüsse, welche durch die Erregerspule
und die Dauermagnete erzeugt werden, laufen durchweg über gemeinsame Pfade. Durch
die Verwendung von Dauermagneten zusätzlich zur Erregerspule wird zwar eine einfache
Schaltung ermöglicht, doch wird dies durch einen erheblichen Materialaufwand und
eine sperrige Bauart des Motors erkauft.
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Die vorliegende Erfindung zeigt nun einen Weg, bei Beibehaltung der
einfachen Schaltung und sicheren Wirkungsweise den Werkstoffbedarf und die Motorabmessungen
herabzusetzen. Der neue Schrittmotor zur Umwandlung elektrischer Impulse in mechanische
Drehimpulse mit weichmagnetischem Läufer, der eine höchstens halb so große Polzahl
wie der Ständer und in Ankerdrehrichtung zum nächsten Pol reichende Polansätze hat
sowie von permanentmagnetisch und elektromagnetisch erzeugten Flüssen durchsetzt
wird, ist gekennzeichnet durch eine solche Anordnung von Elektromagnetsystem und
Dauermagnetsystem, daß sich ihre Kraftflüsse lediglich in den Ständerpolschuhen,
im Luftspalt und im Läuferkörper vereinigen. Gegenüber den zum Stand der Technik
gehörenden Ausführungsformen besitzt dieser Schrittmotor außer der Tatsache, daß
der Läufer sehr leicht ausgeführt werden kann, die Eigenschaft einer weitgehenden
Entkopplung der von den Erregerspulen und den Dauermagnetkörper aufgebrachten magnetischen
Flüsse. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß das Ständereisen eine geringere
Sättigung erhält und hierdurch der Eisenwerkstoff verringert und die Spulenabmessungen
wegen der geringeren erforderlichen AW-Zahl bei gleicher Leistung des Motors herabgesetzt
werden können.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist ein
Schrittmotor mit parallel zur Läuferebene zwischen Läuferwelle und Ständerpolen
fest angeordneten Dauermagnetkörpern, die aufeinanderfolgende Ständerpole in gleicher
Richtung magnetisieren, und mit Erregerspulen, die auf den durch einen gemeinsamen
Rückschlußring verbundenen Ständerpolen aufgebracht und derart in Reihe geschaltet
sind, daß die von ihnen in aufeinanderfolgenden Ständerpolen erzeugten magnetischen
Flüsse entgegengesetzte Richtung haben. Das permanente Magnetfeld wird durch in
den Richtungen zwischen den Ständerpolschuhen und der Läuferwelle magnetisierte
Magnetkörper aufgebracht. Der Läufer selbst besteht aus wenigstens einer weichmagnetischen
stegartigen Brücke zwischen zwei diametral gegenüberliegenden Ständerpolschuhen,
die längs des Umfanges an ihrem Rand in entgegengesetzte Richtungen weisende, bis
zumindest in den Anfangsbereich der folgenden
Ständerpolschuhe reichende,
vorzugsweise sichelförmige Ansätze besitzt.
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In der Zeichnung ist das erwähnte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Schrittmotors dargestellt. Dabei zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch den- Motor und
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Motor, während Fig. 3 die Schaltung der Erregerspulen
wiedergibt; Fig. 4 zeigt die Ansicht des Abdeckkörpers 14 bzw. 15, und in Fig. 5
ist der Motor in teilweisem Schnitt perspektivisch dargestellt.
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Auf der Motorwelle 1 sitzt der Läufer 2, der eine stegartige Brücke
zwischen den Polschuhen 3 und 4 bildet und sichelförmige Ansätze 5 und 6 aufweist,
die in den Bereich der Polschuhe 7 und 8 reichen. Auf den einander gegenüberliegenden
Polschuhen 3 und 4 sitzen die Erregerspulen 9 und 10, die so geschaltet sind, daß
das bei ihrer Erregung auftretende Magnetfeld auf ihren dem Läufer zugewandten Seiten
die gleiche Polarität besitzt (Fig.3). Der Anschluß der auf den ebenfalls einander
gegenüberliegenden Polschuhen 7 und 8 sitzenden Erregerspulen 11 und 12 erfolgt
genau in entgegengesetzter Weise, d. h. in der Art, daß die Polarität ihres Magnetfeldes
auf der Läuferseite der Polarität des Magnetfeldes der Erregerspulen 9 und 10 auf
der Läuferseite entgegengesetzt ist.
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Ober- und unterhalb des Läufers (Fig. 1) befindet sich ein Dauermagnetkörper
14 und 15, dessen Form die Fig. 4 wiedergibt. Dieser Dauermagnetkörper steht über
magnetisierbare Zwischenstücke 16 und 17 in Verbindung mit den Polschuhen.
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Die Wirkungsweise des Motors gemäß der Erfindung ist folgende: Bei
der in den Fig. 1, 2, 3 dargestellten Lage steht der Motor nach einem Schaltschritt
fest. Die Erregung gemäß Fig. 3 bewirkt einen Fluß OE (Fig. 2). Die Dauermagnetteile
14, 15 verursachen den in Fig.1 angedeuteten Flußverlauf, welcher zwischen den Polschuhen
3 und 8 gestrichelt eingezeichnet ist. Er nimmt seinen Weg von dem Polschuh 8 über
den sichelförmigen Ansatz 5 des Läufers 2 zu dem Polschuh 3 und schließt sich über
den Rückschlußring 13. Über die Zwischenstücke 16, 17, die Ständerpolschuhe, den
Läufer 2 und die Läuferwelle 1 wird der magnetische Fluß der Dauermagnetkörper 14;
15 geschlossen. Dieser Fluß ist in Fig. 2 mit OD bezeichnet. Die Dauermagnetkörper
14, 15 sind radial magnetisiert, d. h., ihre Polarität an den nach außen weisenden
Rändern ist entgegengesetzt der Polarität an den die Läuferwelle aufnehmenden Bohrungen.
Diese Anordnung hat zur Folge, daß sich die- Flüsse OD und OE im Luftspalt zwischen
den Polen 8, 7 des Ständers und den sichelförmigen Ansätzen 5, 6 des Läufers subtrahieren,
während sie sich in dem Luftspalt zwischen Polen 3, 4 und der stegartigen Läuferbrücke
2 addieren. Die Magnetkraft im Luftspalt der Pole 3, 4 überwiegt also; und der Läufer
2 wird in der in Fig. 2 dargestellten Lage festgehalten. Um einen weiteren Schaltschritt
zu veranlassen, wird die an den Erregerwicklungen g bis 12 liegende Gleichspannung
(Fig. 3) umgepolt, so daß auch die durch diese Wicklungen bewirkten Flüsse umgepolt
werden. Der Flußverlauf ist in Fig.5 eingetragen. Durch die Umpolung wird der Fluß
OE zum Fluß -OE, während der Dauermagnetfluß OD unverändert bleibt, d. h., in sämtlichen
Polen ist die Richtung dieses Flusses radial von der Achse nach außen. Dies hat
zur Folge, daß sich die Flüsse in dem Luftspalt zwischen den Polen 7, 8 des Ständers
und den sichelförmigen Ansätzen 5, 6 des Läufers addieren, während sie sich in dem
Luftspalt zwischen den Polen 3, 4 und der stegartigen Läuferbrücke subtrahieren.
Der Gesamtfluß im Luftspalt unter den Polen 7, 8 überwiegt also. Unter dem Einfluß
dieser Flußunterschiede macht daher der Läufer bei Erregung des Motors eine Drehung
um 90°. Gleichzeitig wird durch die gewählte Ausbildung erreicht, daß die Bewegung
des Läufers stets in der gleichen Richtung erfolgt.
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Aus den Figuren ist zu ersehen, daß der von den Dauermagneten 14,
15 herrührende Fluß OD weder die Polkerne 3, 4, 7, 8 noch den Rückschlußring durchsetzt,
so daß die Sättigung in diesen Teilen sehr niedrig ist, was die erwähnten baulichen
Vorteile mit sich bringt.