DE1613479B2 - Einphasenschrittmotor - Google Patents
EinphasenschrittmotorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Einphasenschrittmotor für elektrische Ansteuerung durch Wechselspannungen
oder taktmäßig schaltbare Gleichspannungen mit beliebigen Schaltfolgefrequenzen und mit
einem polarisierten Rotor gleichmäßiger Polteilung und in Umfangsrichtung abwechselnder Polarität sowie
einem Stator mit einer gleichen Anzahl von den einzelnen Rotorpolen gegenüberliegenden, durch
Spulenwicklungen erregbaren Statorpolen, die sich aus je einem Haupt- und einem Hilfspol zusammensetzen,
wobei jeweils ein Hauptpol und der in Rotorumlaufrichtung vorangehende Hilfspol gleicher Polarität
über einen zunehmenden magnetischen Übergang miteinander verbunden sind.
Es sind bereits Einphasenschrittmotore bekannt (französische Patentschrift 1 220 467), deren Stator
aus einer Ringspule und einem diese umgebenden Blechmantel mit von den Stirnflächen auf die innere
Zylinderfläche des Stators umgebogenen, kammartig ineinandergreifenden Polen wechselnder Polarität besteht
und die einen Magnetrotor mit einer der Zahl der Statorpole entsprechenden Anzahl von Rotorpolen
enthalten. Die Statorpolzähne sind im wesentlichen zur Erzielung einer definierten Laufrichtung
des Rotors in Form von Dreiecken ausgebildet, von denen jedes eine parallel zur Stirnfläche verlaufende
Seite und entweder eine zur Rotorachse geneigte und eine zur Rotorachse parallele oder zwei zur Rotorachse
ungefähr in der gleichen Richtung geneigte Seiten aufweist, wobei bei der letztgenannten Ausführungsform
die freie Dreieckspitze abgeschnitten ist. Die zu den Stirnflächen parallelen Dreieckseiten sind
länger als die Breite der Rotorpole, so daß ein in Rotorumlaufrichtung vor der Dreieckspitze liegender
Teil jedes Statorpols als Hilfspol angesehen werden kann. Die einzelnen Statorpole sind so angeordnet,
daß vor oder nach jedem Rotorschritt einem Rotorpol ein als Hauptpol definierbarer Teil des Statorpols
gegenüberliegt. Auf Grund der großen eisenfreien Flächen zwischen den einzelnen Polzähnen haben
solche Schrittmotore nur ein relativ geringes Anlaufmoment und ein nur schwach ausgeprägtes Haltemoment.
Hinzu kommt, daß der Rotor nach Ausführen eines Schrittes überschwingt und in seine neue
Lage einpendelt, was für viele Anwendungszwecke unerwünscht ist und gegebenenfalls den Einsatz von
Dämpfungseinrichtungen erfordert.
Des weiteren sind Einphasenschrittmotore bekannt (deutsche Auslegeschrift 1104 042), deren Rotor aus
einem auf der Rotorwelle sitzenden Dauermagnetkern und zwei Polscheiben besteht, von denen jede
in zylinderförmige Teile übergeht und in zwei Polflügeln endet, die in der Abwicklung etwa die Form
eines stumpfwinklig-gleichschenkligen Dreiecks aufweisen, wobei jeweils eine der der Polscheibe benachbarten
Spitzen abgekappt ist. Die Größe der Polflügel und deren Anordnung ist so gewählt, daß
vor oder nach jedem Schritt einem Statorpol der sich von der stumpfwinkligen Spitze bis zu der abgekappten
Spitze erstreckende Teil eines Polflügels, der als Hauptpol definierbar ist, und ein sehr kleiner Teil
der spitzwinkligen Spitze des benachbarten, entgegengesetzt polarisierten Polflügels, der als Hilfspol
definierbar ist, gegenüberstehen. Die Verwendung solcher Polflügel hat zur Folge, daß in diesen eine
Überlagerung des vom Dauermagneten erzeugten magnetischen Flusses und des vom Stator herrührenden,
entgegengesetzten magnetischen Flusses stattfindet, was zusammen mit der Dreiecksform der Polflügel
und deren Anordnung zueinander zu einem relativ geringen Anlaufdrehmoment und Haltemoment
und zu einem starken Überschwingen und Einpendeln des Rotors in seine jeweilige neue Lage
führt.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Einphasenschrittmotors,
der ein hohes Anlaufdrehmoment und ein großes Haltemoment besitzt und nach
ίο Ausführen eines Schaltschrittes nur gering überschwingt.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Einphasenschrittmotor der eingangs beschriebenen Art,
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Hilfspol mit dem in Umlauf richtung folgenden Hauptpol gleicher
Polarität eine gemeinsame L-förmige Polfläche bildet, deren langer, im wesentlichen als Hauptpol
dienender Schenkel ungefähr parallel zur Rotorachse und deren kurzer, im wesentlichen als Hilfspol dienender
Schenkel in Umfangsrichtung verläuft, wobei die entgegengesetzt polarisierten L-förmigen Polflächen
derart ineinandergreifen, daß jedem Rotorpol ein Hauptpol und ein entgegengesetzt polarisierter
Hilsfpol mit einer gegenüber dem Hauptpol kleinerer Polfläche axial versetzt gegenüberstehen und der
Hilfspol in der Nähe der Vorderkante des Hauptpols endet.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung der Statorpole werden die vom Stator und
Rotor erzeugten magnetischen Flüsse auf die den Rotorpolen unmittelbar gegenüberliegenden Statorteile
über nahezu die gesamte axiale Länge der Rotorpole konzentriert. Dies führt sowohl bei einer Erregung
des Stators als auch bei nicht erregtem Stator zu hohen Anziehungskräften zwischen Rotor und
Stator und bei einem Richtungswechsel des magnetischen Statorflusses zu entsprechend hohen Abstoßungskräften
zwischen Rotor und Stator. Da bei einem Richtungswechsel des Statorflusses der Rotor
über die Hilfspole entgegengesetzer Polarität zu den mit diesen eine Polfläche bildenden Hauptpolen gezogen
wird, ergibt sich neben einem großen Haltemoment auch ein hohes Anlaufdrehmoment. Darüber
hinaus tritt nur ein sehr geringes Überschwingen des Rotors nach Ausführen eines Schaltschrittes auf.
Schließlich hat ein derartiger Schrittmotor den Vorteil, daß die Statorteile mit relativ grober Toleranz
hergestellt werden können, da sich durch die Summierung der Kraftwirkungen aller Einzelpole keine
wesentliche Schwankung des Gesamtmomentes bei aufeinanderfolgenden Schaltschritten ergeben kann.
Eine weitere Konzentrierung des vom Stator erzeugten magnetischen Flusses und damit eine weitere
Erhöhung des Anlaufdrehmomentes kann dadurch erreicht werden, daß jeder Hilfspol von dem in Rotorumlaufrichtung
vorangehenden Hauptpol gleicher Polarität durch eine Ausnehmung im Stator magnetisch
getrennt wird. Im Hinblick auf ein hohes Anlaufdrehmoment und Haltemoment hat es sich des
weiteren als zweckmäßig erwiesen, die Abstände zwischen Hilfspol und benachbartem Hauptpol gleicher
Polarität und zwischen den Hauptpolen ungleicher Polarität gleich oder größer als die Breite der Hauptpole
zu wählen. Das Haltemoment selbst kann durch Bemessung der Form und der Größe der Haupt- und
Hilfspole sowie der Breite des zwischen einem Hauptpol und einem axial versetzten Hilfspol vorhandenen
Luftspaltes auf die gleiche Größe wie das
bei Erregung entstehende Anlaufdrehmoment gebracht werden, so daß sich der erfindungsgemäße
Schrittmotor besonders für solche Anwendungszwecke eignet, wo der Motor dauernd mit einem
Gegendrehmoment belastet ist, wie dies beispielsweise bei Aufzugsmotoren für Federwerke der Fall
ist. Schließlich kann der Momentenverlauf während der Schrittbewegung durch Ausbildung der Übergangskurve
des schrägen Übergangs vom Hilfspol zum Hauptpol in weiten Grenzen den gewünschten
Erfordernissen angepaßt werden. Für eine Vielzahl von Anwendungsfällen hat es sich zudem als zweckmäßig
erwiesen, wenn sich der kurvenförmige Verlauf des Überganges im Hilfspol fortsetzt und die
einander gegenüberliegenden Kanten von Haupt- und Hilfspol zueinander parallel sind; es ergibt sich
dann ein besonders günstiger Momentenverlauf bei hohem Haltemoment.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher
beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch den Schrittmotor,
F i g. 2 eine Abwicklung des inneren Zylindermantels der Polblechschalen des Schrittmotors nach
F i g. 1 und
F i g. 3 a bis 3 c die Polarisierung der Statorpole während der Schaltschritte in abgewickelter Darstellung.
In einer Grundplatte 1 und der Stirnseite eines daran befestigten Gehäuses 2 ist die Welle 3 des Magnetrotors
4 gelagert. Der Rotor besteht aus einem vorzugsweise nicht magnetisierbaren Kern 4 a und
einem darauf sitzenden hohlzylindrischen Dauermagneten aus einem Material hoher Koerzitivfeldstärke,
wie beispielsweise Barium- oder Strontiumferrit. Die Magnetpole sind auf die äußere Zylindermantelfläche
des Dauermagneten aufmagnetisiert. In dem Gehäuse 2 befindet sich des weiteren der koaxial zur
Rotorachse 3 angeordnete Stator mit der Ringspule 5 und diese schalenförmig umschließenden Polblechen
6 a und 6b, die von den Stirnflächen auf die innere Zylinderfläche des Stators umgebogene, kammartig
ineinandergreifende, die Statorpole darstellende Zähne wechselnder Polarität tragen.
Jeder dieser Zähne besitzt eine L-förmige Polfläche, deren langer Schenkel ungefähr parallel zur
Rotorachse 3 verläuft und einen Hauptpol 7 darstellt und deren kurzer in Umfangsrichtung verlaufender
Schenkel als Hilfspol 8 dient. Je ein Hauptpol 7 der einen Zahnreihe einer Polblechschale 6 a bzw. 6 b
wirkt mit einem in axialer Richtung versetzten Hilfspol 8 der anderen Polblechschale 6 b bzw. 6 a zusammen,
der bei vorliegender Ausführungsform an der Vorderkante des Hauptpols 7 endet. Jeder Hilfspol
8 ist von dem in Rohrumlaufrichtung — diese ist durch den von links nach rechts weisenden Pfeil in
den F i g. 3 b und 3 c gekennzeichnet — vorangehenden Hauptpol 7 gleicher Polarität durch eine Ausnehmung
9 im Stator magnetisch getrennt. Ein zunehmender magnetischer Übergang von einem Hilfs- Go
pol 8 auf den mit ihm verbundenen Hauptpol 7 wird durch die schräge Begrenzung erreicht, deren Verlauf
sich im Hilfspol 8 fortsetzt. Zur Erzielung eines gewünschten Drehmomentverlaufes kann dieser Übergang
auch eine andere Kurvenform besitzen. Die ein- G5 ander gegenüberliegenden Kanten von Haupt- und
Hilfspol sind zueinander parallel, so daß jeder Hauptpol 7 durch einen zur Achsrichtung schrägen, schmalen
Luftspalt 10 von dem mit ihm zusammenwirkenden Hilfspol 8 geringerer Fläche getrennt, letzterer
also in axialer Richtung gegenüber dem Hauptpol 7 versetzt ist. Die Statorpole stehen mit einem kleinen
radialen Luftspalt den Rotorpolen gegenüber, und da die Polarität der beiden Polblechschalen 6 a und 6 b
verschieden ist, wirken immer ein Hauptpol 7 und ein entgegengesetzt polarisierter Hilfspol 8 kleinerer
Fläche des Stators mit einem Rotorpol zusammen. Die Abstände zwischen Hilfspol 8 und benachbartem
Hauptpol 7 gleicher Polarität und zwischen den Hauptpolen 7 ungleicher Polarität sind bei vorliegender
Ausführungsform etwas größer als die Breite der Hauptpole 7.
Der Funktionsablauf der Schaltschritte ist in F i g. 3 a bis 3 c schematisch als Abwicklung dargestellt.
Nach F i g. 3 a erfolgt zunächst die Erregung der Ringspule 5 des Stators durch den Erregerstrom
Ier derart, daß in allen Polzähnen des oberen
Polbleches 6 a Nordpole und in allen Polzähnen des unteren Polbleches 6 b Südpole entstehen. Dann stellt
sich der Rotor 4 so ein, daß seine Nordpole (schraffiert hervorgehoben) mit größtmöglicher Fläche F,
den Stator-Südpolen gegenüberstehen und ein optimaler Kraftlinienschluß über die Stirnflächen und die
äußere Zylindermantelfläche unter Umschlingung der Erregerwicklung erreicht wird, wobei die abstoßende
Wirkung der kleineren Teilfläche F1 des entgegengesetzt
magnetisierten Hilfspols 8, wo sich gleichnamige Pole gegenüberstehen, nur eine geringfügige Verschiebung
der Rotorpole in Richtung auf die Ausnehmungen 9 erzwingen kann, ohne eine wesentliche
Verminderung der wirksamen Fläche F2 des Haupt poles
zu bewirken.
Fig. 3b zeigt die Lage des Rotors mit seinen Polen
im Stillstand bei Wegfall der Erregung. Dadurch verstärkt sich der Kraftlinienschluß des Rotors auf dem
kurzen Wege über die Polzähne (Haupt- und Hilfspol) und den schrägen Luftspalt 10 ohne Umschlingung
der Erregerwicklung wesentlich und bewirkt eine geringe Verschiebung des Rotors nach rechts, so
daß die Teilflächen F1 auf F1' anwachsen, die Teilflächen
F„ auf F./ abnehmen und eine neue Gleichgewichtslage erreicht wird, in welcher der magnetische
Widerstand ein Minimum und der Fluß ein Maximum wird. Aus dieser Lage ist eine weitere
Verdrehung des Rotors erst nach Überwindung des Haltemoments möglich. Das Haltemoment ist bei der
vorliegenden Gestaltung, Anordnung und Bemessung der Pole ungefähr gleich groß wie das Anlaufdrehmoment
und bewirkt eine sichere Erhaltung der erreichten Stillstandslage ohne dauernden Aufwand
einer Erregerleistung
F i g. 3 c zeigt den nächsten Schaltschritt bei Umkehrung des Stromflusses in der Erregerwicklung der
Ringspule 5. Alle Polzähne des oberen Polbleches 6 a werden nun zu Südpolen und alle Polzähne des unteren
Polbleches 6 b zu Nordpolen. Die zunächst noch in der Lage nach F i g. 3 a oder 3 b stehenden Nordpole
des Rotors werden von der Wirkung der Teilflächen F., bzw. F./ abgestoßen, während die Teilflächen
F1 bzw. F1' eine Anziehungskraft ausüben, die
mit fortschreitender Drehbewegung in der gezeichneten Pfeilrichtung zunimmt, bis mit der in Fig. 3c
dargestellten Lage der Rotorpole mit den Teilflächen F1" und F.," eine genaue Umkehrung des Ausgangszustandes
erreicht wird und damit ein weiterer Schaltschritt abgeschlossen ist.
Durch erneute Umkehr des Stromflusses in der Spulenwicklung 5 wird nach Ausführung eines weiteren
Schaltschrittes bei gleichartigem Funktionsablauf der Ausgangszustand nach F i g. 3 a wieder erreicht.
Zur Umkehrung der Stromrichtung in der Erreger- wicklung kann eine Wechselspannung mit einer der
Schrittfolge entsprechenden Frequenz zur Verfügung stehen oder eine Gleichspannungsquelle benutzt werden,
welche in einer bekannten Weise im Takt der Schrittfolge umschaltbar ist.
Die Anzahl der Magnetpole ist in weiten Grenzen wählbar und kann dem Verwendungszweck angepaßt
werden. Als besonders günstig erweisen sich Ausführungen mit 3 bis 10 Polpaaren von Rotor und
Stator, weil mit solchen Polpaarzahlen ein besonders kompakter Aufbau möglich ist. Zur optimalen Ausnutzung
des Bauvolumens und Erzielung hoher Drehmomente sollte die Ausnehmung 9 ebenso breit oder
etwas breiter als die Breite des Hauptpoles 7 sein, damit beim Weiterschalten der rückdrehende Einfluß
des in Drehrichtung zurückliegenden Statorpoles gering bleibt.
Außer in der vorstehend beschriebenen Ausführung können die erfindungswesentlichen Merkmale
auch bei anderen Motorbauformen verwendet werden, so beispielsweise bei Motoren mit einem Außenrotor
und einem feststehenden Stator oder mit einem scheibenförmigen Aufbau. Solche Abwandlungen im
Aufbau ermöglichen eine Anpassung an besondere Einbau- oder Betriebsbedingungen.
Claims (4)
1. Einphasenschrittmotor für elektrische Ansteuerung durch Wechselspannungen oder taktmäßig
schaltbare Gleichspannungen mit beliebigen Schaltfolgefrequenzen und mit einem polarisierten
Rotor gleichmäßiger Polteilung und in Umfangsrichtung abwechselnder Polarität sowie
einem Stator mit einer gleichen Anzahl von den einzelnen Rotorpolen gegenüberliegenden, durch
Spulenwicklungen erregbaren Statorpolen, die sich aus je einem Haupt- und einem Hilfspol zusammensetzen,
wobei jeweils ein Hauptpol und der in Rotorumlaufrichtung vorangehende Hilfspol gleicher Polarität über einen zunehmenden
magnetischen Übergang miteinander verbunden sind, dadurchgekennzeichnet, daß jeder
Hilfspol (8) mit dem in Umlaufrichtung folgenden Hauptpol (7) gleicher Polarität eine gemeinsame
L-förmige Polfläche bildet, deren langer, im wesentlichen als Hauptpol (7) dienender Schenkel
ungefähr parallel zur Rotorachse (3) und deren kurzer, im wesentlichen als Hilfspol (8)
dienender Schenkel in Umfangsrichtung verläuft, wobei die entgegengesetzt polarisierten L-förmigen
Polflächen derart ineinandergreifen, daß jedem Rotorpol ein Hauptpol (7) und ein entgegengesetzt
polarisierter Hilfspol (8) mit gegenüber dem Hauptpol (7) kleinerer Polfläche axial versetzt
gegenüberstehen und der Hilfspol (8) in der Nähe der Vorderkante des Hauptpols (7) endet.
2. Einphasenschrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hilfspol (8)
von dem in Rotorumlaufrichtung vorangehenden Hauptpol (7) gleicher Polarität durch eine Ausnehmung
(9) im Stator magnetisch getrennt ist.
3. Einphasenschrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände
zwischen Hilfspol (8) und benachbartem Hauptpol (7) gleicher Polarität und zwischen den
Hauptpolen (7) ungleicher Polarität gleich oder größer als die Breite der Hauptpole (7) sind.
4. Einphasenschrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich
der kurvenförmige Verlauf des Überganges im Hilfspol (8) fortsetzt und die einander gegenüberliegenden
Kanten von Haupt- und Hilfspol (7, 8) zueinander parallel sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Legal Events
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