DE1613479C - Einphasenschrittmotor - Google Patents

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 1 104 042), 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 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 Umlaufrichtung 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 Polflä_: chen 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 Hilfspöl 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 6 b, 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 Hilfspol 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 einander 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.

ίο 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 I_er 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 F₂ 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 F₂ auf F₂' abnehmen und eine neue Gleichgewichtslage erreicht wird, in welcher der magnetisehe 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 & zu Nordpolen. Die zunächst noch in der Lage nach Fig. 3a oder 3b stehenden Nord-

Go pole des Rotors werden von der Wirkung der Teilflächen F., bzw. F₂' 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

<>5 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 _zo 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)

Patentansprüche:

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, dadurch gekennzeichnet, 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