DE1538834C3 - Schrittmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrittmotor, bei dem in einem zylinderförmigen Gehäuseteil aus magnetisch leitendem Material ein Stator untergebracht ist, der am zylinderförmigen Gehäuseteil magnetisch leitend befestigt ist und Wicklungen tragende Pole mit axial gezähnten Polflächen aufweist, innerhalb des Stators ein auf einer Welle sitzender Rotor aus einem zylindrischen, in axialer Richtung magnetisierten Dauermagneten mit beidseitigen Polschuhen angeordnet ist, die axiale Zähnung der Statorpolflächen von der axialen Rotorpolschuhflächenzähnung geringfügig abweicht, die einander zugeordneten gezähnten Flächen des Stators und Rotors die gleiche axiale Erstreckung aufweisen und der Magnetfluß des Dauermagneten sich durch beide Rotorpolschuhe, Stator und Gehäuseteil erstreckt.

Ein Schrittmotor der vorgenannten Art ist bekannt aus »Transactions of the AIEE«, März 1962, Teil II, S. 1 bis 4. Bei dem bekannten Schrittmotor sind die zu beiden Seiten des rotorseitigen Dauermagneten vorgesehenen Polschuhe axial gezähnt, und der Stator besteht aus zwei im Abstand voneinander angeordneten Statorteilen mit axial gezähnten Statorpolflächen. Jedem rotorseitigen Polschuh liegt ein Statorteil gegenüber, und die Zähne auf dem einen Polschuh des Rotors sind gegenüber den Zähnen auf dem anderen Polschuh um einen der Hälfte der Rotorzahnteilung entsprechenden Betrag versetzt. Der bekannte Schrittmotor weist also zwei Arbeitsluftspalte auf, von denen jeder sich zwischen einander gegenüberliegenden, jeweils gezähnten Polschuhflächen und Statorpolflächen erstreckt.

Bei einem Schrittmotor der eingangs genannten Art hängt die Anzahl der zu einer Umdrehung des Rotors erforderlichen Anzahl von Schaltschritten von der Zahnteilung ab, und zwar erhöht sich die Anzahl der Schaltschritte pro Umdrehung des Rotors mit abnehmender Zahnteilung. Zur Erzielung möglichst kleiner diskreter Schaltschritte muß also die Anzahl der Zähne gesteigert werden. Mit steigernder Zahnzahl steigt jedoch auch der magnetische Widerstand der Luftspalte zwischen den einander gegenüberliegenden Stator- und Rotorflächen, da die Summe der Stirnflächen der einzelnen Zähne wegen des zwischen den Zähnen erforderlichen Mindestabstandes kleiner wird. Zur Gewährleistung eines ausreichenden Drehmomentes muß daher bei Erhöhung der Zahnzahl der Dauermagnet entsprechend größer dimensioniert werden, wodurch sich wiederum die Massenträgheit des Rotors erhöht, was im Hinblick auf die Fortschaltgeschwindigkeit ungünstig ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Schrittmotor zu schaffen, dessen Rotor pro Umdrehung möglichst viele Schaltschritte stabil und schnell ausführen kann, und seine Herstellung zu vereinfachen. Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Beim Schrittmotor nach der Erfindung ist nur ein'« einziger Arbeitsluftspalt zwischen dem aus einem Stück bestehenden Stator und dem einen Rotorpolsterschuh vorhanden, und der magnetische Rückschluß für den Magnetfluß des Dauermagneten erfolgt über einen zwischen dem anderen Rotorpolschuh und einem diesen unmittelbar gegenüberliegenden zylindrischen Gehäuseteil. Der magnetische Widerstand des Rückschlußluftspaltes ist außerordentlich gering, da der Rückschlußluftspalt sich zwischen zwei glatten Zylinderflächen erstreckt, deren Abstand außerordentlich eng bemessen werden kann. Auf Grund des geringen magnetischen Widerstandes des Rückflußluftspaltes kann der rotorseitige Dauermagnet verhältnismäßig klein und daher die Massenträgheit des Rotors gering gehalten werden. Die geringe Massenträgheit des Rotors ermöglicht eine schnelle und stabile Fortschaltung des Rotors um kleine diskrete Schritte. Stator und Rotor weisen jeweils nur eine einzige axial gezähnte Umfangsfläche auf, die in einfacher Weise mit hoher Genauigkeit hergestellt werden kann, so daß zwischen Statorzahnung und Rotorzahnung eine genaue Zuordnung vorliegt und daher genaue diskrete Schaltstellungen gewährleistet sind.

Es folgt nun eine Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors;

Fig.2 ist ein Schnitt entlang der Linie 2-2 aus F i g. 1;

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Ständerpole und Läuferanordnung und zeigt die Beziehung der Zähne zueinander sowie die elektrische Schaltung für die Wicklungen.

Die in F i g. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Motors enthält ein zylinderförmiges Gehäuse 10 aus Werkstoff mit magnetischer Permeabilität. Das rechte Ende des Gehäuses enthäft einen vorstehenden Block 12 und einen sich nach innen erstreckenden Sockel-Kragen 13. Am Ende befindet sich eine Bohrung 16, in der das allgemein mit 18 bezeichnete Lager sitzt, das aus üblichen Laufringen mit Kugeln besteht. Das Kugellager ist an dem einen Ende durch einen Sicherungsring 21 befestigt, der in einem ringför-

migen Schlitz 22 in der Bohrung 16 ruht. In das Lager 18 ist ein nichtmagnetischer Abstandsring 23 eingepaßt, der einen am Lager angreifenden Flansch 24 mit einer Bohrung 26 enthält, in der die Welle 28 liegt.

Am anderen Ende des Motorgehäuses 1 befindet sich eine Stirnplatte 31 mit einer nach außen abgeschrägten Kante 32. Die Stirnplatte befindet sich in einer Gegenbohrung 33 am Ende des Gehäuses loader Rand des Gehäuses ist über die Schrägkante 32 umgebogen oder umgebördelt, wie bei 35 gezeigt ist.

Die Stirnplatte 31 besitzt einen sich nach innen erstreckenden Kragen 38, in dem sich ein zweites Kugellager 40 mit üblichen Laufringen und Kugeln befindet. Das Kugellager ist mit einem Sicherungsring 41 befestigt, der in einer ringförmigen Rille 42 in der in der Stirnplatte 31 befindlichen Bohrung 43 liegt. Zwischen dem Sicherungsring 41 und dem Lager 40 befindet sich eine Abstands-Beilagscheibe 45. Die Bezugsnummer 47 bezeichnet ein zylindrisches, nichtmagnetisches Abstandsstück, das — wie bei 48 gezeigt ist — einen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser hat, der im Lager 40 ruht. Das Abstandsstück 47 enthält eine Bohrung 50, in der die Welle 28 ruht.

Die Ständeranordnung hat Iamellenförmigen Aufbau, wie allgemein mit der Bezugsnummer 53 angegeben ist. Sie enthält einen zylindrischen Aufbau, der in das Gehäuse 10 eingepaßt ist, und sich nach innen erstreckende Pole, die in F i g. 2 mit 1 bis 8 bezeichnet sind. Die Pole haben vergrößerte Stirnflächen, die leicht gebogen und um den Läufer herum angeordnet sind. Die Polflächen haben axial gerichtete Zähne; in der vorliegenden Ausführungsform besitzt jede Polfläche fünf Zähne mit vier Abständen zwischen diesen Zähnen. Die Anordnung der Pole und Wicklungen ist schematisch in F i g. 3 dargestellt.

Auf jedem Pol befinden sich zwei Wicklungen, die mit la und \b für Pol 1 und für die anderen Pole entsprechend bezeichnet sind. Die Wicklungen sind geeignet umsponnen, und die auf einem Ständerpol befindlichen Wicklungen sind gegeneinander isoliert. Die Ständerpole befinden sich in der Mitte zwischen den beiden Enden des Motorgehäuses.

Der Läufer ist allgemein mit der Bezugsnummer 60 bezeichnet. Er enthält einen zylindrischen Permanentmagneten 61 mit einer Bohrung 62, in der die Welle 28 gelagert ist. Am Ende des Läufer-Magneten befinden sich zwei Polschuhe 63 und 64, die auf der Motorwelle 28 befestigt sind.

Der Pol 64 hat im wesentlichen die gleiche axiale Ausdehnung wie die Ständer-Polflächen. An seinem rechten Ende befindet sich eine Bohrung 65, die mit gewissem Abstand zum Magneten 61 einen Kragen 66 bildet. Der Magnet 61 ist axial gegen die Ständerpole verschoben. Der Polschuh 63 ist in axialer Richtung kürzer. Er besitzt eine Bohrung oder Vertiefung 70, in die das Ende des Magneten 61 eingepaßt ist. Der Polschuh 63 dreht sich innerhalb des Sockel-Kragens 13, der ein Teil des magnetischen Motorgehäuses ist. Der Polschuh 63 hat auf seinem Umfang eine glatte äußere Oberfläche ohne Zähne. ■

Der Polschuh 64 ist auf seinem Umfang mit Zähnen versehen, die den Zähnen auf den Ständer-Polflächen ähnlich sind. Auf dem äußeren Umfang des Polschuhs sind fünfzig dieser Zähne mit gleichmäßigem Abstand verteilt. Da jeder Ständerpol fünf Zähne besitzt, sind also insgesamt auf den Ständerpolen vierzig Zähne vorhanden. Die Schlitzbreite zwischen den einzelnen Ständerpolen auf dem inneren Durchmesser entspricht der Breite von einem Zahn plus zwei Zwischenräumen. Die Anordnung der Zähne auf den Polflächen und dem Läufer bilden 200 verschiedene Stellungen bei einer Läuferumdrehung, wobei einige der Läuferzähne den zugehörigen Ständerzähnen direkt gegenüberliegen. Wenn der Motor ausgeschaltet wird, bleibt er in einer dieser 200 Stellungen stehen.

F i g. 3 zeigt in abgewickelter Darstellung die relative Anordnung der Ständerpole zum Polschuh 64. Sechzehn Spulen sind in vier Gruppen zu je vier Spulen angeordnet, d. h. vier Spulen pro Phase. Die Spulen jeder Gruppe sind in Serie geschaltet, und jede Gruppe ist mit der gemeinsamen Klemme 75 verbunden. Die jeweils auf einem Pol befindlichen beiden Spulen haben entgegengesetzten Wicklungssinn, so daß je nachdem welche der beiden Spulen erregt wird, die eine oder die andere Polarität erzeugt wird. Die vier Spulen der ersten Phase sind mit der Klemme 756 verbunden und sitzen außen auf den Polen 1, 3, 5 und 7. Der Wicklungssinn der Spulen ist so vorgesehen, daß beim Erregen die Polarität dieser Pole N, S, N und S beträgt. Die vier Spulen der zweiten Phase sind mit der Klamme 77 verbunden und sitzen außen auf den Polen 2,4,6 und 8; ihr Wicklungssinn ergibt gleichfalls die Polarität N, S, N und S. Die vier Spulen der dritten Phase sind mit der Klemme 78 verbunden und sitzen innen auf den Polen 3, 5, 7 und 1; ihr Wicklungssinn ist aber entgegengesetzt, so daß sie beim Erregen die Polarität S, N, S und N ergeben. Die vier Spulen der vierten Phase sind mit der Klemme 79 verbunden und sitzen innen auf den Polen 4,6,8 und 2 ebenfalls mit umgekehrter Polarität. Jeder Pol besitzt also zwei Spulen, die auf verschiedenen Phasen entgegengesetzte Polarität liefern, so daß sich bei einer aufeinanderfolgenden Pulsfolge ein Drehfeld ergibt.

Für Fachleute wird aus der vorstehenden Erläuterung die Arbeitsweise des Schrittschaltmotors ersichtlich sein. Wie schon erwähnt wurde, arbeitet der Motor in Verbindung mit einem reversiblen Vier-Phasen- oder Zwei-Phasen-Steuerschalter, wobei der Motor in einzelnen Schritten von 1,8° in der durch die jeweilige Erregung bestimmten Richtung rotiert. Nach dem gleichen Prinzip können auch andere Winkelschritte vorgesehen werden, indem man einen Läufer und einen Ständer mit der geeigneten Anzahl von Zähnen verwendet. Der Steuerschalter gehört vorzugsweise zu der Gattung, die der Reihe nach an die vier Phasen Impulse liefert, was in beiden Drehrichtungen möglich ist, also im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn. Die Schrittschaltung erfolgt genau und in diskreten Schritten ohne Resonanz. Wie man leicht feststellen kann, ergeben sich für jede Phase beim Erregen der Spulen zwei einander direkt gegenüberliegende »Nordpole« und zwei senkrecht dazu ebenfalls einander gegenüberliegende »Südpole«. Die vier übrigen Pole, die sich zwischen den polarisierten Polen befinden, sind neutral. Wenn, wie gerade beschrieben, zwei einander direkt gegenüberliegende Pole Nordpole darstellen, bewegt sich der Läufer, der entgegengesetzte Polarität hat, bis die entsprechenden Zähne des Läufers mit den Zähnen der beiden Ständerpole übereinstimmen, wie in F i g. 3 gezeigt ist. Genauer ausgedrückt: Da die Zahn-Einteilung bei Ständer und Läufer verschieden ist, liegt nur der mittlere Zahn des Ständerpols direkt einem Zahn des Läufers gegenüber, wie in F i g. 3 bei 81 gezeigt.

Die übrigen vier Zähne dieses Ständerpols sind um einen entsprechenden Betrag gegenüber den Zähnen des Läufers versetzt, wie in F i g. 3 bei 84 gezeigt ist.

Die Zähne der beiden anderen Ständerpole, die gleiche Polarität wie der Läufer haben, liegen dann den Schlitzen zwischen den Zähnen des Läufers gegenüber. Sie üben auf die Zähne des Läufers eine nach beiden Richtungen gleich große Rückstoßkraft aus, sie wirken also als Dämpfer, der ein Darüberhinausschießen klein hält und Resonanzeffekte verhindert. Im hier beschriebenen Zeitpunkt ist der mittlere Zahh#der. nichterregten Ständerpole, genau um 1,8° gegenüber den zugehörigen Läuferzähnen versetzt, und zwar weisen wegen der vollständigen Symmetrie dieser Anordnung zwei der Zähne eine Versetzung nach rechts und zwei eine Versetzung nach links auf. Wenn dann die zweite oder die vierte Phase erregt wird, bewegt sich der Läufer um 1,8° im Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn; wenn die Phasen nacheinander erregt werden, wird der Motor um kleine Schritte von 1,8° in der durch die jeweilige Erregung festgelegten Richtung kontinuierlich weiterbewegt.

Im folgenden wird weiter erläutert, weshalb der Motor 200 diskrete Stellungen besitzt. Hierzu betrachte man F i g. 3. Wenn der ersten Phase ein Puls zugeführt wurde, sind die Wicklungen la, 3a, 5a und la erregt. Die Pole 1 und 5 sind jetzt »Nordpole«, was die entgegengesetzte Polatität zur S-Polarität des Polschuhs 64 ist. Der mittlere Zahn von Pol 1 liegt genau dem Zahn 81 vom Läufer-Polschuh 64 gegenüber, und der mittlere Zahn von Pol 5 liegt genau dem Zahn 82 vom Polschuh 64 gegenüber. Wenn der Klemme 2 ein Puls zugeführt wird, der die zweite Phase erregt, werden die äußeren Wicklungen 2a, 4a, 6a und 8a der Pole 2, 4, 6 und 8 erregt. Die Pole 2 und 6 sind nun »Nordpole«, haben also zum Polschuh 64 entgegengesetzte Polarität. Der Zahn 83 vom Polschuh 64 richtet sich nun selbst zum mittleren Zahn von Pol 2 und der Zahn 64 zum mittleren Zahn von Pol 6 aus. Der Läufer hat 50 Zähne und 50 Zwischenräume zwischen den Zähnen, was eine Gesamtheit von 100 Zähnen und Zwischenräumen ergibt.

ίο Wie leicht zu ersehen ist, bewegte sich der Läuferzahn 83, nachdem die zweite Phase erregt wurde, um einen Bogenwinkel von genau einer halben Zahnbreite, bis er mit dem mittleren Zahn von Pol 2 in einer Linie lag. Die Zähne und Zwischenräume des Läufers haben gleiehe Breite. Wenn man den Betrag betrachtet, um den der Läufer beim Erregen einer Phase gedreht wird, ist daraus ersichtlich, daß 200 solcher Erregungen oder Pulse notwendig sind, damit der Läufer eine volle Umdrehung ausführt, mit anderen Worten: Der Läufer besitzt 200 diskrete Schritte. Wie man leicht sehen kann, ist die Zahneinteilung beim Läufer und bei den Polflächen nicht die gleiche, wodurch die Winkelbewegung für jeden Schritt des Läufers bestimmt wird. Indem man dieses Differential abändert oder mit anderen.

Worten durch Wahl der Anzahl von auf den Polschuh, hen befindlichen Zähnen relativ zur Anzahl der Läuferzähne kann die Schritthöhe geändert werden, wodurch sich natürlich die Anzahl der für eine volle Umdrehung notwendigen Schritte ändert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schrittmotor, bei dem in einem zylinderförmigen Gehäuseteil aus magnetisch leitendem Material ein Stator untergebracht ist, der am zylinderförmigen Gehäuseteil magnetisch leitend befestigt ist und Wicklungen tragende Pole mit aiial gezähnten Polflächen aufweist, innerhalb des Stators ein auf einer Welle sitzender Rotor aus einem zylindrischen, in axialer Richtung magnetisierten Dauermagneten mit beidseitigen Polschuhen angeordnet ist, die axiale Zähnung der Statorpolflächen von der axialen Rotorpolschuhflächenzähnung geringfügig abweicht, die einander zugeordneten gezähnten Flächen des Stators und Rotors die gleiche axiale Erstreckung aufweisen und der Magnetfluß des Dauermagneten sich durch beide Rotorpolschuhe, Stator und Gehäuseteil erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Dauermagnet (61) in bezug auf den Stator (53) axial versetzt angeordnet ist, der eine Rotorpolschuh (63) nicht mit Zähnen versehen ist und axial außerhalb des Stators (53) unmittelbar gegenüber einem mit dem zylindrischen Gehäuseteil (10) in magnetisch leitender Verbindung stehenden Gehäuseteil (13) angeordnet ist.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem nicht gezahnten Polschuh (63) gegenüberliegende Gehäuseteil ein vom Lagerschild (12) abstehender Fortsatz (13) ist, der den Polschuh (63) umschließt.