DE1488747C

DE1488747C - Electric stepper motor

Info

Publication number: DE1488747C
Authority: DE
Inventors: Arthur William Waterbury; Herbert III Edward Bethany; Riggs William Donald Woodbury; Conn. Haydon (V.St.A.)
Original assignee: Tri Tech Inc
Current assignee: Tri Tech Inc
Publication date: 1972-10-26

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schrittschaltmotor, bestehend aus einem Stator aus magnetischem Material mit mindestens zwei einander gegenüberstehenden Statorpolen, einer den Stator teilweise umgebenden, mit Impulsen gleicher Richtung erregten Feldspule, einem zwischen den Statorpolen drehbar gelagerten, zylindrischen permanentmagnetisierten Rotor mit mindestens einem Polpaar und aus einem im Stator angeordneten, ein Vorspannungsmagnetfeld erzeugenden Permanentmagneten.The invention relates to an electric stepping motor consisting of a stator magnetic material with at least two opposing stator poles, one the stator partially surrounding field coil, excited with pulses in the same direction, one between the stator poles rotatably mounted, cylindrical permanently magnetized rotor with at least one pair of poles and a permanent magnet which is arranged in the stator and generates a bias magnetic field.

Ein derartiger Schrittschaltmotor ist bereits bekannt (österreichische Patentschrift 201901) und weist zur Festlegung der Rotor-Drehrichtung einen in Drehrichtung kontinuierlich abnehmenden Luftspalt auf, so daß ein in einer Vorzugsrichtung zunehmendes Statorfeld zur Festlegung der Rotordrehrichtung erreicht wird.Such a stepper motor is already known (Austrian patent specification 201901) and has an air gap that decreases continuously in the direction of rotation to determine the direction of rotation of the rotor so that a stator field increasing in a preferred direction to define the direction of rotation of the rotor is achieved.

Es ist auch zur Festlegung der Drehrichtung bei Synchronmotoren bekannt, die Ständerpole zu spalten und jeweils einen Pol jeden Paares mit einer Kurzschlußwicklung zu versehen (deutsche Patentschrift 642 303). Hierdurch wird ein asymmetrisches Feld infolge der Dämpfung durch das erzeugte Gegenfeld der Kurzschlußwicklung und eine Phasenverschiebung der einzelnen Polfelder erhalten.It is also known to determine the direction of rotation in synchronous motors to split the stator poles and to provide one pole of each pair with a short-circuit winding (German patent specification 642 303). This creates an asymmetrical field as a result of the attenuation by the Received opposing field of the short-circuit winding and a phase shift of the individual pole fields.

Es ist weiterhin bei Synchronmotoren bekannt (USA.-Patentschrift 3 142 774), zur Kompensierung der feldschwächenden Wirkung der Kurzschlußwicklung den Luftspalt zwischen den die Kurzschlußwicklung tragenden Polen und dem Rotor kleiner auszuführen als den Luftspalt zwischen dem Rotor und den keine Kurzschlußwicklung tragenden Polen. .Dieser Synchronmotor weist aber kein durch einen Permanentmagneten erzeugtes Vorspannungsmagnetfeld auf.It is also known in synchronous motors (US Pat. No. 3,142,774) for compensation the field-weakening effect of the short-circuit winding the air gap between the poles carrying the short-circuit winding and the rotor is smaller to be carried out as the air gap between the rotor and the poles which do not carry a short-circuit winding. However, this synchronous motor does not have a bias magnetic field generated by a permanent magnet on.

Die bekannten Motorkonstruktionen weisen keine eindeutige Lagebestimmung des Rotors in bezug auf die Statorpole auf, so daß demzufolge nur verhältnismäßig niedrige Anlauf- und Bremsmomente erreicht werden. Auch ist ein eindeutiger Einrichtungsanlauf nicht immer gewährleistet.The known motor constructions do not have a clear determination of the position of the rotor in relation to the stator poles, so that accordingly only relatively low starting and braking torques achieved will. A clear start-up is also not always guaranteed.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Motor der eingangs genannten Art zu schaffen, der beim Einschalten einen sicheren Einrichtungsanlauf mit hohem Anlaufmoment .gewährleistet und darüber hinaus nach dem Abschalten ein starkes Bremsmoment entwickelt.The invention is now based on the object of creating a motor of the type mentioned above, which, when switched on, ensures a safe device start-up with a high starting torque and In addition, a strong braking torque developed after switching off.

Diese Aufgabe, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Statorpol in zwei Arme aufgeteilt ist, von denen der eine eine Kurzschlußwicklung aufweist und eine solche Länge besitzt, daß der Luft-. spalt zwischen ihm und dem Rotor kleiner ist als der Luftspalt zwischen dem anderen Polarm und dem Rotor.This object is achieved according to the invention in that each stator pole is divided into two arms, one of which has a short-circuit winding and has a length such that the air. gap between it and the rotor is smaller than the air gap between the other polar arm and the Rotor.

Besonders vorteilhaft ist beim erfindungsgemäßen Schrittschaltmotor das abgestufte Polfeld, wodurch der Rotor durch das Zusammenwirken mit dem Vorspannungsmagnetfeld und der Polgestaltung im Moao torstillstand jeweils eine einzige vorbestimmte Lage einnimmt. Durch die Erregung mit Impulsen festgelegter Richtung kann er dann auch stets nur in einer einzigen Richtung anlaufen. Weiterhin zeichnet sich der erfindungsgemäße Schrittschaltmotor durch vergleichsweise kleine Leistungsaufnahme bei hohen Drehmomenten und durch seinen bei Energieabschaltung unverzüglich erfolgenden Stillstand aus, welcher durch die zusätzlich zu der durch die Permanenterregung erzeugten Bremswirkung durch die in den Kurzschlußwicklungen während der durch' Drehung induzierten Ströme erzeugten elektrodynamischen Bremswirkung beschleunigt eingeleitet wird. Eine Erfindung wird nur in der Gesamtheit der in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gesehen. EIementenschutz für die Kennzeichnungsmerkmale wird nicht begehrt.In the stepping motor according to the invention, the stepped pole field is particularly advantageous, as a result of which the rotor through the interaction with the bias magnetic field and the pole design in the Moao gate standstill each occupies a single predetermined position. Fixed by excitation with impulses Direction he can then always start in only one direction. Continues to draw the stepper motor according to the invention by comparatively low power consumption at high Torques and due to its standstill which occurs immediately when the power is switched off, which by the in addition to the braking effect generated by the permanent excitation by the electrodynamic currents generated in the short-circuit windings during the currents induced by rotation Braking effect is initiated accelerated. An invention is only valid in the entirety of the in Claim 1 specified features seen. EIementenschutz for the labeling features is not desired.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigtEmbodiments of the invention are shown in the drawing and are described below described in more detail. It shows

■ F i g. 1 eine teilweise weggebrochene Vorderansicht einer bevorzugten zweipoligen Ausführungsform der Erfindung,■ F i g. 1 is a partially broken away front view of a preferred two-terminal embodiment of FIG Invention,

Fig. la einen Ausschnitt aus Fig. 1, in vergrößertem Maßstab,Fig. La shows a detail from Fig. 1, enlarged Scale,

F i g. 2 einen Seitenschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,F i g. 2 shows a side section along the line 2-2 in FIG. 1,

Fig. 3 eine teilweise weggebrochene Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform eines Schrittschaltmotors, 3 shows a partially broken away front view of a further embodiment of a stepping motor,

F i g. 4 einen Seitenschnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 3,F i g. 4 shows a side section along the line 4-4 in FIG. 3,

F i g. 5 eine Vorderansicht einer dritten Motorausführung, F i g. 5 is a front view of a third engine embodiment;

Fi g. 6 einen Aufsichtsschnitt längs der Linie 6-6 in Fig. 5,Fi g. 6 is a top plan section along line 6-6 in Fig. 5,

Fig. 7 eine teilweise weggebrochene Vorderansicht einer vierten Motorausführung,7 is a partially broken away front view of a fourth engine embodiment;

Fig. 7a einen Ausschnitt aus Fig. 7, in vergrößertem Maßstab,FIG. 7a shows a detail from FIG. 7, enlarged Scale,

F i g. 8 einen Seitenschnitt längs der Linie 8-8 in Fig. 7,F i g. 8 shows a side section along the line 8-8 in FIG. 7,

F i g. 9 eine Vorderansicht einer fünften Motorausführung undF i g. 9 is a front view of a fifth engine embodiment;

Fig. 10 einen Aufsichtschnitt längs der Linie 10-10 in F i g. 9.10 is a top view section along the line 10-10 in Fig. 9.

In den Fig. 1, la und 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines zweipoligen Schrittschaltmotors dargestellt. Hierbei weist der Motor einen etwa C-för-In Figs. 1, la and 2 is a preferred embodiment a two-pole stepper motor shown. Here, the engine has a roughly C-promoted

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migen Stator auf, dessen Schenkel mit 30« bzw. 306 bezeichnet sind und der beispielsweise aus niedriggekohltem oder weichem Silizium-Stahl bestehen kann. Die Blechpakete werden in üblicher Weise, z. B. mittels Hohlniete, zusammengehalten. Der Mittelabschnitt des Stators 30 a, 30 b ist von einer Spulenhülse 42 mit aufgewickelter zweiklemmiger Feldspule 40 umgeben, die durch eine elektrische Spannungsquelle erregt werden kann.Migen stator, the legs of which are denoted by 30 ″ or 306 and which can consist, for example, of low-carbon or soft silicon steel. The laminated cores are in the usual way, for. B. held together by means of hollow rivets. The middle section of the stator 30 a, 30 b is surrounded by a coil sleeve 42 with a wound two-clamp field coil 40 which can be excited by an electrical voltage source.

Der linke Statorschenkel 30 b endet am spulenfernen Ende in einem Statorpol 31 mit zwei Armen 32 a, 32 b, und der rechte Statorschenkel 30 α endet in einem Statorpol 33 mit zwei Armen 34 a, 34 b. Innerhalb des von den zusammenstoßenden Polarmen der Statorpole 31 und 33 umgrenzten, etwa kreisförmigen Raums ist ein Rotor 20 zentriert, der von einer Welle 22 getragen wird, welche in Lagern 26 eines aus Messing oder ähnlichem Nichteisenmetall bebestehenden Rotorgehäuses 24 gelagert ist.The left stator leg 30 b ends at the end remote from the coil in a stator pole 31 with two arms 32 a, 32 b, and the right stator leg 30 α ends in a stator pole 33 with two arms 34 a, 34 b. Within the approximately circular space delimited by the colliding pole arms of the stator poles 31 and 33, a rotor 20 is centered, which is carried by a shaft 22 which is mounted in bearings 26 of a rotor housing 24 made of brass or similar non-ferrous metal.

Die Rotoranordnung besteht vorzugsweise aus einem verhältnismäßig schlanken Zylinder aus Magnetmaterial von hohem B-H-Energieprodukt, d. h. hohem Restmagnetfluß und hoher Koerzitivkraft sowie anderen günstigen magnetischen Eigenschaften. Bei diesem Magnetmaterial kommt es im Hinblick auf das wechselnde Magnetfeld und die dadurch bedingten entmagnetisierenden Einflüsse, denen der Rotor im Betrieb ausgesetzt ist, vor allem auf hohe Koerzitivkraft an. Da die Größe des Rotormagnetflusses von entscheidendem Einfluß auf das erzielte Ausgangsdrehmoment des Motors ist, sollte das für den Rotor ausgewählte Magnetmaterial vorzugsweise auch hohe Restinduktion besitzen.The rotor assembly preferably consists of a relatively slim cylinder made of magnetic material of high B-H energy product, d. H. high residual magnetic flux and high coercive force as well other favorable magnetic properties. With this magnetic material, it comes with a view on the changing magnetic field and the resulting demagnetizing influences that the The rotor is exposed during operation, mainly due to high coercive force. Because the size of the rotor magnetic flux has a decisive influence on the achieved output torque of the motor, this should be for The magnet material selected for the rotor also preferably have a high residual induction.

Bei zweipoligen Rotoranordnungen ist es vorteilhaft, die Achse der magnetischen Orientierung mit einem Durchmesser des zylindrischen Rotors zusammenfallen zu lassen.In the case of two-pole rotor arrangements, it is advantageous to use the axis of the magnetic orientation to collapse a diameter of the cylindrical rotor.

Die Verwendung eines Rotormaterials von hohem Energieprodukt in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Merkmalen führt zu einem Motor mit äußerst hoher Startbeschleunigung. Dies bedeutet wiederum, daß der Motor eine sehr kurze Ansprechzeit besitzt.The use of a high energy product rotor material in conjunction with the present invention Features results in an engine with extremely high starting acceleration. this means again that the motor has a very short response time.

Zur weiteren Verbesserung der Anlaßbeschleunigungsleistung des Motors wird, wie an sich bekannt (österreichische Patentschrift 201901), die Rotorform vorzugsweise derart gewählt, daß die Axiallänge des Rotors größer als dessen Durchmesser ist. Eine solche schlankzylindrische Form setzt das Drehträgheitsmoment des Rotors 20 um seine Welle 22 herab und erhöht dementsprechend das Drehmoment-Trägheits-Verhältnis des Motors beim Anlassen. In order to further improve the starting acceleration performance of the engine, it is known per se (Austrian patent specification 201901), the rotor shape is preferably chosen so that the axial length of the rotor is larger than its diameter. Such a slim cylindrical shape sets the rotational moment of inertia of the rotor 20 about its shaft 22 and increases the torque-inertia ratio accordingly of the engine when starting.

Wie in den F i g. 1 und 1 a schematisch angedeutet ist, besitzt der Rotor zwei Magnetpole entgegengesetzter Polarität, wobei die Form der beiden Magnetpolbereiche derart gewählt ist, daß sie den Rotor 20 in zwei axial verlaufende, halbzylindrische magnetisierte Abschnitte unterteilen. Bei einem Rotor aus einem Magnetmaterial hoher Koerzitivkraft können die beiden Gebiete entgegengesetzter magnetischer Polarität ohne schädliche Auswirkung einander sehr nahe gebracht werden, so daß sich die beiden Pole jeweils über einen verhältnismäßig hohen Kreisbogen von praktisch 180° des Rotorumfangs erstrecken können.As shown in Figs. 1 and 1a is indicated schematically, the rotor has two magnetic poles opposite one another Polarity, the shape of the two magnetic pole areas being chosen such that they control the rotor Divide 20 into two axially extending, semi-cylindrical magnetized sections. With one rotor off a magnetic material of high coercive force can make the two areas more opposite magnetic Polarity can be brought very close to one another without any harmful effect, so that the two poles become one another each extend over a relatively high circular arc of practically 180 ° of the rotor circumference be able.

Zur Erzielung einer Ein-Richtungs-Lauf-Charakteristik ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung der Motor mit zwei Kurzschlußwicklungen 36 a, 36 b um je einen Arm 32 b, 34 a der gegabelten StatorpoleIn order to achieve a one-way running characteristic, in this embodiment of the invention the motor is provided with two short-circuit windings 36 a, 36 b around an arm 32 b, 34 a of the forked stator poles

31 bzw. 33 versehen. Wie F i g. 1 zeigt, umschließt die Kurzschlußwicklung 36 α den unteren Arm 32 b des linken Statorpols 31 und die Kurzschlußwicklung 36 b den oberen Arm 34 a des rechten Statorpols 33.31 and 33 respectively. Like F i g. 1 shows, the short-circuit winding 36 a surrounds the lower arm 32 b of the left stator pole 31 and the short-circuit winding 36 b surrounds the upper arm 34 a of the right stator pole 33.

Diese diametrale Anordnung der abgeschirmten Polarme in bezug auf den Rotor 20 dient dazu, die Richtung des Statormagnetflusses durch den Rotor-Stator-Luftspalt 35 von den nicht abgeschirmten Armen 32 a, 34 b nach den abgeschirmten ArmenThis diametrical arrangement of the shielded pole arms with respect to the rotor 20 serves to determine the direction of the stator magnetic flux through the rotor-stator air gap 35 from the unshielded arms 32 a, 34 b to the shielded arms

32 b, 34 a hin zu verlagern, wenn sich der Magnetfluß während des Anlassens aufbaut. Diese Richtungsverlagerung verleiht infolge des verzögerten Magnetflußaufbaus in den abgeschirmten Statorpol-Armen dem Motor in bekannter Weise Ein-Richtungs-Laufeigenschaften. 32 b, 34 a to shift when the magnetic flux builds up during starting. As a result of the delayed build-up of magnetic flux in the shielded stator pole arms, this change in direction gives the motor unidirectional running properties in a known manner.

Weiterhin ist bei dem in den Fig. 1, la und 2 dargestellten zweipoligen Schrittschaltmotor zwischen der Feldspule und dem Rotor 20 ein Permanent-Magnet 50 vorgesehen, der den Zwischenraum zwischen den beiden Schenkeln 30 a und 30 b des Stators überbrückt. Der aus beliebigem Permanentmagnetmaterial, wie hochgekohltem oder »Alnico«- Stahl, bestehende Magnet 50 erzeugt einen »Vorspannungs«-Magnetfluß, der den Magnetkreis des Motors auf zwei Hauptbahnen, deren Richtungsverlauf in F i g. 1 schematisch durch die gestrichelten Linien 55 α und 55 b angedeutet ist, durchfließt.Furthermore, in the two-pole stepping motor shown in FIGS. 1, la and 2, a permanent magnet 50 is provided between the field coil and the rotor 20, which bridges the gap between the two legs 30 a and 30 b of the stator. The magnet 50, which is made of any permanent magnet material, such as high-carbon or "Alnico" steel, generates a "bias" magnetic flux that moves the magnetic circuit of the motor on two main paths, the direction of which is shown in FIG. 1 is indicated schematically by the dashed lines 55 α and 55 b , flows through.

Der eine Teil des Vorspannungsflusses fließt längs eines Pfads 55 b vom Nordpol des Stabmagneten 50 zunächst im Statorschenkel 30 a abwärts, dann waagerecht durch das Statorjoch, in das zwecks Begrenzung dieses Teilstroms ein Luftspalt 60 eingefügt ist, und anschließend im gegenüberliegenden Statorschenkel 30 b zum Südpol des Magneten 50 zurück. Der zweite, größere Teil des Vorspannungsflusses fließt längs eines Pfads 55 α vom Nordpol des Magneten 50 zunächst durch den Statorschenkel 30 α in den Statorpol 33, dann über den Luftspalt 35 waagerecht in den Rotor 20, durchsetzt ihn diametral und fließt dann weiter durch den Luftspalt im gegenüberliegenden Statorpol 31 und schließlich durch den Schenkel 30 b abwärts zum Südpol des Magneten 50 zurück.One part of the bias flux flows along a path 55 b from the north pole of the bar magnet 50 first down in the stator leg 30 a, then horizontally through the stator yoke, into which an air gap 60 is inserted to limit this partial flow, and then in the opposite stator leg 30 b to the south pole of the magnet 50 back. The second, larger part of the bias flux flows along a path 55 α from the north pole of the magnet 50 first through the stator leg 30 α into the stator pole 33, then across the air gap 35 horizontally into the rotor 20, passes through it diametrically and then flows on through the air gap in the opposite stator pole 31 and finally back through the leg 30 b down to the south pole of the magnet 50.

Im Ruhezustand, d. h. bei stromloser Motor-Feldspule 40, ist die Richtung des vom Magneten 50 ausgehenden Magnetflusses im Rotor 20 wie in F i g. 1 gezeigt. In dieser Lage wird der Südpolbereich des Rotors vom rechten, magnetisch mit dem Magnetnordpol verbundenen Statorpol 33 angezogen und auf ihn ausgerichtet; dementsprechend wird auch der Rotornordpol vom linken, mit dem Magnetsüdpol verbundenen Statorpol 31 angezogen und auf ihn ausgerichtet. Jedesmal, wenn die Feldspule 40 stromlos wird und der Rotor 20 in die Ruhestellung tritt, nimmt er die Orientierung gemäß Fig. 1 ein, d.h., seine Polbereiche werden auf denjenigen Statorpol ausgerichtet, der infolge seiner Verbindung mit dem Magneten 50 gegenpolig magnetisiert ist.In the idle state, i.e. H. in the case of a de-energized motor field coil 40, the direction is that of the magnet 50 Magnetic flux in the rotor 20 as in FIG. 1 shown. In this position the south pole area of the The rotor is attracted by the right stator pole 33, which is magnetically connected to the magnetic north pole, and aimed at him; accordingly the north pole of the rotor is also from the left, with the south pole of the magnet connected stator pole 31 attracted and aligned with him. Every time the field coil 40 is de-energized and the rotor 20 enters the rest position, it adopts the orientation according to Fig. 1, i.e., its pole areas are aligned with that stator pole, which as a result of its connection with the Magnet 50 is magnetized with opposite polarity.

Bei Erregung der Feldspule 40 durch einen elektrischen Impuls vorgegebener Polarität und Amplitude wird im Motormagnetkreis ein zweiter Magnetfluß erzeugt, der den Rotor 20 genau entgegengesetzt zum Vorspannungsmagnetfluß durchfließt. Unter Zugrundelegung der in Fig. 1 dargestellten magnetischen Polaritäten wäre die Polarität des angelegten Impulses derart, daß die Feldspule 40 auf der linken Seite in F i g. 1 einen Nordpol und auf der rechtenWhen the field coil 40 is excited by an electrical pulse of predetermined polarity and amplitude a second magnetic flux is generated in the motor magnetic circuit, which exactly opposes the rotor 20 to the bias magnetic flux flowing through. Based on the magnetic shown in FIG Polarities would be the polarity of the applied pulse such that the field coil 40 is on the left Page in Fig. 1 a north pole and on the right

Seite einen Südpol ausbildet, wobei sich der Feldspulen-Magnetfluß, wie durch punktierte Linien 45 α und 45 b dargestellt, vom (linken) Spulennordpol ausgehend in zwei Hauptpfade aufteilt. Der Hauptteil dieses im Statorschenkel 30 b aufwärts fließenden Flusses folgt dem Pfad 45 a, läuft also durch den Magneten 50 und dann durch den Statorschenkel 30 a abwärts zum (rechten) Spulensüdpol zurück, während der restliche Feldspulen-Magnetfluß entlang des Pfads 45 b, d. h. aufwärts in den Statorpol 31, über den Stator-Rotor-Luftspalt 35 hinweg diametral durch den Rotor 20, sodann durch den Luftspalt an der anderen Rotorseite in den Statorpol 33 hinein und schließlich über den Schenkel 30 α zurück zum Feldspulensüdpol verläuft.Side forms a south pole, the field coil magnetic flux, as shown by dotted lines 45 α and 45 b, is divided into two main paths starting from the (left) coil north pole. The main part of this upwardly flowing flux in the stator leg 30 b follows the path 45 a, so runs through the magnet 50 and then through the stator leg 30 a down to the (right) coil south pole, while the remaining field coil magnetic flux along the path 45 b, ie runs upwards into the stator pole 31, across the stator-rotor air gap 35 diametrically through the rotor 20, then through the air gap on the other side of the rotor into the stator pole 33 and finally over the leg 30 α back to the field coil south pole.

Wie aus der schematischen Darstellung gemäß F i g. 1 ersichtlich ist, laufen Feldspulen-Magnetfluß und Vorspannungs-Magnetfluß im Luftspalt 35 zwischen Stator und Rotor einander entgegen, im Vorspannungs-Magneten 50 dagegen parallel, so daß die beiden Magnetflußpfade 45 α, 45 b der Feldspule bzw. 55 a, 55 b für den Vorspannungs-Magneten nur im Rotorbezirk gegeneinander, im übrigen Motormagnetkreis aber parallel zueinander verlaufen. Durch diesen »Parallelverlauf« von Feldspulen- und Vorspannungs-Magnetfluß wird der vom Feldspulenmagnetfluß auf den Magneten 50 ausgeübte Entmagnetisierungseffekt herabgesetzt.As can be seen from the schematic representation according to FIG. 1 can be seen, field coil magnetic flux and bias magnetic flux in the air gap 35 between stator and rotor run counter to each other, in the bias magnet 50, however, parallel, so that the two magnetic flux paths 45 α, 45 b of the field coil and 55 a, 55 b for The bias magnets only run against each other in the rotor area, but run parallel to each other in the rest of the motor magnetic circuit. This "parallel course" of the field coil and bias magnetic flux reduces the demagnetization effect exerted by the field coil magnetic flux on the magnet 50.

Die Amplitude des Feldspulen-Magnetflusses 45 b in den Statorpolen 31, 33 ist so gewählt, daß kurzzeitig der Einfluß des in F i g. 1 nach links verlaufenden Vorspannungs-Magnetflusses 55 a im Luftspalt 35 aufgehoben und ein den Rotor 20 entgegengesetzt durchlaufendes Gesamtmagnetfeld erzeugt wird. Durch diese Richtungsumkehr des auf den Rotor 20 einwirkenden, komplexen Stator-Magnetflusses werden magnetische Anziehungs- und Abstoßungskräfte an seinen Magnetpolen hervorgerufen, die ihn um 180° drehen und dabei seine beiden Pole bei der Umkehrung des Magnetflusses durch die Statorpole 31 und 33 entsprechend ihre Plätze austauschen lassen.The amplitude of the field coil magnetic flux 45 b in the stator poles 31, 33 is chosen so that briefly the influence of the in F i g. 1 to the left extending bias magnetic flux 55 a is canceled in the air gap 35 and a total magnetic field passing through the rotor 20 in the opposite direction is generated. This reversal of direction of the complex stator magnetic flux acting on the rotor 20 creates magnetic attraction and repulsion forces on its magnetic poles, which turn it by 180 ° and its two poles when the magnetic flux is reversed through the stator poles 31 and 33 according to their places have it exchanged.

Solange der an der Feldspule 40 angelegte elektrische Energieimpuls eine ausreichende Amplitude besitzt, um im Rotor 20 einen zum Vorspannungs-Magnetfluß entgegengesetzten Gesamtmagnetfluß zu erzeugen, bleibt der Rotor in seiner neuen, gegenüber der Ruhelage um 180° versetzten Lage stehen. Sobald der Impuls jedoch aufhört und die Feldspule wieder stromlos wird, bildet sich der den Motormagnetkreis durchsetzende Magnetfluß wieder in den vom Permanent-Magneten 50 allein erzeugten Magnetfluß um, und da dieser den Rotor 20 entgegengesetzt zum Feldspulen-Magnetfluß durchsetzt, findet im Luftspalt 35 eine zweite Flußrichtungsumkehr statt, so daß sich der Rotor erneut um 180° in die der geänderten Flußrichtung entsprechende Gleichgewichtslage dreht.As long as the electrical energy pulse applied to the field coil 40 has a sufficient amplitude has to provide a total magnetic flux opposite to the bias magnetic flux in the rotor 20 generate, the rotor remains in its new position, offset by 180 ° in relation to the rest position. As soon as However, if the impulse stops and the field coil is de-energized again, the motor magnetic circuit is formed penetrating magnetic flux back into the magnetic flux generated by the permanent magnet 50 alone around, and since this passes through the rotor 20 opposite to the field coil magnetic flux, finds in the air gap 35, a second reversal of the flow direction takes place, so that the rotor is again 180 ° in the the equilibrium position corresponding to the changed flow direction rotates.

Da der Luftspalt 35 zwischen dem Rotor 20 und den Statorpolen 31, 33 ungleichmäßig dimensioniert ist, d. h. der Abstand des Rotors zu den Flächen der abgeschirmten Polarme 32 b, 34 a wesentlich kleiner als zu den nicht abgeschirmten Polarmen 32 a, 34 b gehalten wird, stellt sich der Rotor bei Energieunterbrechung bzw. beim Abschalten des Motors bei dem in der F i g. 1 angegebenen Vorspannungsmagnetfeld in die dargestellte Ruhelage, da der Rotormagnetfluß infolge der ungleichmäßigen Luftspaltform derart verläuft, daß der Rotor eine Ruhestellung einnimmt, in welcher sich die Mittelpunkte der beiden magnetisierten Rotorpolbereiche unmittelbar an der Fläche der abgeschirmten und nicht an der der nicht abgeschirmten Polarme befinden. Infolgedessen besitzt beim Einschalten der Statormagnetfluß — die Erregung erfolgt mit Impulsen festgelegter und stets gleicher Richtung —, der anfänglich längs einer durch die nicht abgeschirmten Polarme 32 a, 34 b gehenden Linie verläuft, eine zu den Rotormagnetpolen tangential gerichtete Komponente, die den Rotor immer in die gewünschte Richtung hineindreht.Since the air gap 35 between the rotor 20 and the stator poles 31, 33 is unevenly dimensioned, ie the distance between the rotor and the surfaces of the shielded pole arms 32 b, 34 a is kept much smaller than that of the unshielded pole arms 32 a, 34 b , the rotor arises in the event of an energy interruption or when the motor is switched off in the case of the one shown in FIG. 1 into the rest position shown, since the rotor magnetic flux runs due to the uneven shape of the air gap in such a way that the rotor assumes a rest position in which the centers of the two magnetized rotor pole areas are located directly on the surface of the shielded and not the unshielded pole arms. As a result, when you turn on the stator magnetic flux - the excitation takes place with pulses of a fixed and always the same direction - which initially runs along a line passing through the unshielded pole arms 32 a, 34 b , has a component directed tangentially to the rotor magnetic poles, which always moves the rotor in turns in the desired direction.

Bei nicht vorhandenem ungleichmäßigem Luftspaltabstand könnte der Rotor auch z. B. eine gegenüber der Fig. 1 um 90° versetzte Ruhestellung einnehmen, in welcher seine Polbereichsmittelpunkte unmittelbar auf die Flächen der nicht abgeschirmten Statorpolarme 32 a, 34 b ausgerichtet wären. In diesem Fall würde sich der Rotor beim Anlassen zunächst verkehrt herum drehen. Mit den Kurzschlußwicklungen 36 a und 360 und dem Vorspannungsmagnetfeld allein läßt sich also kein zuverlässiger »Ein-Richtungs-Anlauf« des Motors gewährleisten, es bedarf hierfür vielmehr der Zusammenwirkung der Kurzschlußwicklungen mit den durch die beschriebene ungleichmäßige Luftspaltform erzielten Magnetfluß und dem permanenten Vorspannungsmagnetfeld, welche den Rotor unweigerlich in eine das Anlaufen in stets gleicher Richtung bewirkenden Ruhestellung zwingt.If there is no uneven air gap distance, the rotor could also z. B. assume a rest position offset by 90 ° with respect to FIG. 1, in which its pole region center points would be aligned directly with the surfaces of the unshielded stator pole arms 32 a, 34 b . In this case, the rotor would initially turn the wrong way round when starting. With the short-circuit windings 36 a and 360 and the bias magnetic field alone, a reliable "one-way start" of the motor cannot be guaranteed; instead, this requires the interaction of the short-circuit windings with the magnetic flux achieved by the described uneven air gap shape and the permanent bias magnetic field, which inevitably forces the rotor into a rest position which always causes the start-up in the same direction.

Es ist darauf hinzuweisen, daß das Vorhandensein des Vorspannungs-Magnetflusses mithilft, daß der Rotor nach Impulsentzug der Feldspule plötzlich abstoppt, da jede Tendenz des Rotors, sich um mehr als 180° über die Ruhestellung hinaus zu drehen, durch das Zusammenwirken von Vorspannungs-Magnetfluß und Rotormagnetpolen verhindert wird. Diese Bremswirkung wird noch wesentlich unterstützt durch die elektrodynamische Bremswirkung, welche von den in den Kurzschlußwicklungen vom noch umlaufenden Rotor induzierten Strömen hervorgerufen wird.It should be noted that the presence of the bias magnetic flux helps the After the field coil has withdrawn its pulses, the rotor suddenly stops, since the rotor has a tendency to move by more than To rotate 180 ° beyond the rest position by the interaction of bias magnetic flux and rotor magnetic poles is prevented. This braking effect is still significantly supported by the electrodynamic braking effect, which is caused by the in the short-circuit windings of the still rotating Rotor induced currents is caused.

Infolge der Ein-Richtungs-Lauf-Charakteristik, bedingt durch die Kurzschlußwicklungen 36 α, 36 b und durch die durch die Statorpole 31, 33 geschaffene, nicht gleichförmige Ausgestaltung des Luftspalts 35, dreht sich der Rotor 20 bei jeder Magnetflußumkehrung stets in gleicher Richtung und somit addierend weiter. Bei einem zweipoligen Rotor der in den Figuren dargestellten Art wird bei diesem zweiten Drehschritt des Rotors 20, der nach Verschwinden des Erregerimpulses in der Feldspule 40 infolge der Magnetflußumkehrung im Luftspalt auftritt, eine volle Umdrehung vervollständigt und der Rotor in die unmittelbar vor Impulsanlegung eingenommene Ruhestellung zurückgebracht, d. h., der Rotor dreht sich beim Anlegen des Erregerstroms an die Feldspule 40 um 180° und bei Unterbrechung der Stromzufuhr nochmals um 180° und somit je Impulstakt um volle 360°.As a result of the unidirectional running characteristic, caused by the short-circuit windings 36 α, 36 b and the non-uniform configuration of the air gap 35 created by the stator poles 31, 33, the rotor 20 always rotates in the same direction and with each magnetic flux reversal thus adding further. In the case of a two-pole rotor of the type shown in the figures, a full revolution is completed during this second rotation step of the rotor 20, which occurs after the excitation pulse has disappeared in the field coil 40 as a result of the magnetic flux reversal in the air gap, and the rotor is returned to the rest position it assumed immediately before the impulse was applied That is, when the excitation current is applied to the field coil 40, the rotor rotates by 180 ° and when the power supply is interrupted again by 180 ° and thus by a full 360 ° per pulse cycle.

Die erfindungsgemäße Konstruktion ist auch auf andere Motorkonstruktionen mit mehrpolpaarigem Rotor anwendbar. Wenn beispielsweise beim Motor gemäß F i g. 1 der Rotor 20 so abgewandelt wird, daß er drei umfangmäßig gleichmäßig verteilte Paare von Polen entgegengesetzter magnetischer Polarität aufweist, liefert jeder Erregerimpuls eine 120°-Drehung des Rotors, nämlich beim Anlegen des Impulses und der dadurch hervorgerufenen ersten UmkehrungThe construction according to the invention is also applicable to other motor constructions with a multi-pole pair Rotor applicable. If, for example, in the engine according to FIG. 1 the rotor 20 is modified so that that he has three circumferentially evenly distributed pairs of poles of opposite magnetic polarity each excitation pulse provides a 120 ° rotation of the rotor, namely when the pulse is applied and the first inversion that this brings about

des Pol-Magnetflusses eine Drehung um 60° und nach Impulsende und der dadurch hervorgerufenen zweiten Magnetflußumkehrung nochmals eine weitere Drehung um 60°. Der Rotor hat zwar in diesem Fall nur 120 mechanische Grade, wohl aber eine volle Periode von 360 elektrischen Graden durchlaufen. of the pole magnetic flux a rotation of 60 ° and after the end of the pulse and the resulting second magnetic flux reversal another 60 ° rotation. Although the rotor has in this Fall only 120 mechanical degrees, but probably run through a full period of 360 electrical degrees.

In den F i g. 3 und 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform des Schrittschaltmotors veranschaulicht, bei welcher der Vorspannungsmagnet 50 nicht zwischen Feldspule 40 und Rotor 20 eingesetzt, sondern außen an den Motorstatorrahmen angesetzt ist. Im übrigen entspricht die Ausführungsform gemäß F i g. 3 und 4 der Konstruktion nach den F i g. 1 und 2, so daß einander entsprechende Teile jeweils mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind. Auch bei dieser außenseitigen Anordnung des Vorspannungsmagneten lauf en die Magnetflußpfade 45 a, 45 b für die Feldspule 40 und die Magnetflußpfade 55 a, 55 b für den Vorspannungs-Magneten 50 über den größten Teil des Motor-Magnetkreises hinweg parallel zueinander und laufen nur die durch die Statorpole 31, 33, den Stator-Rotor-Luftspalt 35 und den Rotor 20 verlaufenden Magnetflußlinien gegeneinander. In the F i g. 3 and 4, a modified embodiment of the stepping motor is illustrated in which the preload magnet 50 is not inserted between field coil 40 and rotor 20, but is attached to the outside of the motor stator frame. Otherwise, the embodiment according to FIG. 3 and 4 of the construction according to FIGS. 1 and 2, so that corresponding parts are given the same reference numerals. Even with this external arrangement of the bias magnet, the magnetic flux paths 45 a, 45 b for the field coil 40 and the magnetic flux paths 55 a, 55 b for the bias magnet 50 run parallel to one another over most of the motor magnetic circuit and only run through them the stator poles 31, 33, the stator-rotor air gap 35 and the rotor 20 running magnetic flux lines against each other.

In den F i g. 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Feldspule 40 direkt neben dem Rotor 20 angeordnet ist und die Magnetflußpfade 45 a, 45 b für die Feldspule und die Magnetflußpfade 55 a, 55 b für den Vorspannungsmagneten einander parallel verlaufen. Die Statorschenkel 30 a, 30 ö bilden zusammen mit dem Vorspannungs-Magneten 50 eine rechteckige Schutzkonstruktion, welche die in ihrem Inneren angeordnete Feldspule 40 nebst Rotor 20 schützend umgibt. Die der Bauform gemäß F i g. 1 und 2 entsprechenden Teile sind wiederum mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Der Hauptunterschied dieser Bauform gegenüber derjenigen gemäß den F i g. 1 und 2 besteht in der Verwendung eines einstückigen Statorpolglieds 33, wobei jedoch die betrieblichen Vorteile die gleichen wie früher bleiben.In the F i g. 5 and 6 another embodiment is shown in which the field coil 40 is arranged directly next to the rotor 20 and the magnetic flux paths 45 a, 45 b for the field coil and the magnetic flux paths 55 a, 55 b for the bias magnet run parallel to one another. The stator legs 30a , 30 ö together with the pre-tensioning magnet 50 form a rectangular protective structure which protectively surrounds the field coil 40 and rotor 20 arranged in its interior. The design according to FIG. 1 and 2 corresponding parts are again provided with the same reference numerals. The main difference between this design and that according to FIGS. 1 and 2 consists in the use of a one-piece stator pole member 33, but the operational advantages remain the same as before.

In den F i g. 7, 7 a und 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem die Magneto ußpfade 55 bzw. 45 des Vorspannungsmagneten 50 bzw. der Feldspule 40 in Reihe geschaltet sind. Hierbei ist der Magnet 50 als biegsames Band aus permanentmagnetischem Material im Luftspalt 35 zwischen den beiden Statorpolen 31, 33 angeordnet und umschließt das zylindrische Gehäuse 24 des Rotors 20. Dieses Magnetband ist, wieIn the F i g. 7, 7 a and 8, a further embodiment of the invention is shown in which the Magneto ußpfade 55 and 45 of the bias magnet 50 or the field coil 40 are connected in series. Here, the magnet 50 is flexible Band of permanent magnetic material arranged in the air gap 35 between the two stator poles 31, 33 and encloses the cylindrical housing 24 of the rotor 20. This magnetic tape is like

ίο F i g. 7 a schematisch zeigt, in zwei halbkreisförmigen Bereichen N und S entgegengesetzt polar magnetisiert und liefert dementsprechend ein magnetisches Vorspannungsfeld, das den Rotor 20 und den Stator-Rotor-Luftspalt 35 in der durch die gestrichelte Linie 55 angedeuteten Richtung durchläuft.ίο F i g. 7 a shows schematically, magnetized in opposite polarity in two semicircular areas N and S and accordingly provides a magnetic bias field that passes through the rotor 20 and the stator-rotor air gap 35 in the direction indicated by the dashed line 55.

Diese Anordnung des Vorspannungsmagneten 50 direkt am Rotor 20 und Stator-Rotor-Luftspalt 35 stellt eine sehr wirksame Form einer Reihen-Vorspannung dar und ermöglicht eine wesentliche Verringerung an Größe, Gewicht und Magnetkraft-Anforderung des zur Erzeugung des Vorspannungs-Magnetflusses verwendeten Dauermagneten. Da bei einer derartigen Reihenschaltung der Magnetflüsse der durch die Feldspule 40 gelieferte Magnetfluß den vom Vorspannungs-Magneten 50 gelieferten überwinden muß, ist für den Vorspannungsmagneten 50 vorzugsweise ein Permanentmagnetmaterial mit sehr hoher Eigenkoerzitivkraft, d. h. verhältnismäßig flacher Entmagnetisierungskurve, zu wählen.This arrangement of the preload magnet 50 directly on the rotor 20 and the stator-rotor air gap 35 is a very effective form of series bias and allows for a substantial reduction in terms of size, weight and magnetic force requirements for generating the preload magnetic flux used permanent magnets. Since with such a series connection of the magnetic fluxes The magnetic flux supplied by the field coil 40 will overcome that supplied by the bias magnet 50 must, for the bias magnet 50 is preferably a permanent magnet material with very high self-coercive force, d. H. relatively flat demagnetization curve to choose.

In den F i g. 9 und 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das weitgehend der Bauform gemäß F i g. 5 und 6 ähnelt, jedoch dahingehend abgewandelt ist, daß die Magnetflußpfade von Vorspannungsmagnet 50 und Feldspule 40 im Motor-Magnetkreis in Reihe geschaltet und beide Erzeuger neben dem Rotor 20 angeordnet sind, um einen höheren Wirkungsgrad sowie einen stärkeren Magnetfluß im Stator-Rotor-Luftspalt 35 zu liefern. Auch bei dieser Reihenanordnung wird daher wünschenswerterweise für den Vorspannungsmagneten 50 hochkoerzitives Magnetmaterial, z. B. Bariumferrit, verwendet. In the F i g. 9 and 10, a further embodiment of the invention is shown, which largely the Design according to FIG. 5 and 6 are similar, but modified in that the magnetic flux paths of FIG Bias magnet 50 and field coil 40 connected in series in the motor magnetic circuit and both generators are arranged next to the rotor 20 to a higher efficiency and a stronger magnetic flux in the stator-rotor air gap 35 to be delivered. In this series arrangement, too, is therefore desirable for the bias magnet 50, high coercivity magnetic material, e.g. B. barium ferrite used.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

209 515/157209 515/157

Claims

Patent claims:

1.Electric stepping motor, consisting of a stator made of magnetic material with at least two opposing stator poles, a field coil partially surrounding the stator, excited with pulses in the same direction, a cylindrical permanently magnetized rotor with at least one pole pair rotatably mounted between the stator poles and an im Permanent magnets arranged in the stator and generating a bias magnetic field, characterized in that each stator pole (31, 33) is divided into two arms (32a, 32b or 34 a, 34 b) , one of which (326, 34 a) has a short-circuit winding ( 36 a, 36 b) and has such a length that the air gap (35) between it and the rotor (20) is smaller than the air gap between the other polar arm (32 a, 346) and the rotor.

2. Stepping motor according to claim 1, characterized in that each air gap (35) for generating a predetermined rotor rest position on its circumference at a constant distance is designed to the rotor (20).