DE19643791A1 - Stellmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellmotor auf Basis eines elektronisch kommutierten Synchronmotors mit zwei zueinander koaxialen Teilen die relativ zueinander dreh­ bar sind für relativ hohe Abtriebsdrehmomente. Die Hauptpole eines in axialer Richtung geblechten Stators sind dabei Träger der Arbeitswicklungen und stehen einem gezahnten Rotor aus weichmagnetischem Material gegenüber.

Die gegenwärtig für solche Aufgaben bevorzugt verwendeten Motoren sind Synchronmotoren, deren Stator wie der Stator eines konventionellen Synchron­ motors aufgebaut ist und deren Rotor aus einem weichmagnetischem Rückschluß besteht, auf dessen Mantelfläche Permanentmagnete angebracht sind, die in Um­ fangsrichtung alternierend magnetisiert sind und deren Polpaarteilung mit der Polpaarteilung der Statorwicklung korrespondiert.

Diese Permanentmagnete sind jedoch beim Betrieb des Motors sehr hohen Zentrifugalkräften ausgesetzt, so daß es erforderlich ist, diese Permanentmagnete durch Bandagen oder Panzerungen aus nichtferromagnetischem Material auf der dem Stator zugewandten Mantelfläche des Rotors zu fixieren, wie in DE 32 24 904 und DE 39 43 237 beschrieben. Nachteilig dabei ist, daß diese Bandagen den magnetischen Widerstand zwischen Rotor und Stator erheblich vergrößern. Dieser Vergrößerung des magnetischen Widerstandes muß durch Vergrößerung der Ab­ messungen der Permanentmagnete entgegengewirkt werden, was sowohl die Kosten als auch die Abmessungen des Motors erhöht.

In der DE-OS 28 22 830 ist für einen Schrittmotor vorgeschlagen worden, ähnlich wie bei Hybridschrittmotoren zur Erzielung eines höheren Drehmomentes durch Zahnung der Hauptpole des Stators Nebenpole zu bilden. Der Rotor dieses vorge­ schlagenen Motors besteht ebenfalls aus einem weichmagnetischem Rückschluß, auf dessen Mantelfläche Permanentmagnete mit alternierender Magnetisierung und einer mit der Zahnteilung des Stators korrespondierenden Polteilung aufgeklebt sind. Diese Lösung ist jedoch nur bei Schrittmotoren anwendbar, die mit verhält­ nismäßig niedriger Drehzahl betrieben werden. Bei höheren Drehzahlen werden auch hier die auf die Permanentmagneten einwirkenden Zentrifugalkräfte so groß, daß diese durch Verkleben nicht aufgenommen werden können. Die o.g. Methoden der Bandagierung oder Panzerung sind bei dieser Lösung nicht anwendbar, weil dies einer Vergrößerung des Luftspaltes zwischen Rotor und Stator gleichkäme, die aufgrund der kleinen Polpaarteilung zu einer Verkleinerung des mit den Stator­ spulen verketteten Rotorflusses führt und damit den durch die Bildung von Neben­ polen erreichten Vorteil bezüglich des Drehmomentes aufhebt.

In der Druckschrift CA 18 Z15A der Fa. Portescap ist ein Schrittmotor be­ schrieben, dessen Magnetkreis dem in der DE-OS 28 22 830 beschriebenen Magnetkreis ähnlich ist. Der Rotor ist bei diesem Motor jedoch als Scheibe aus­ gebildet.

Ein scheibenförmiger Rotor stellt jedoch sehr hohe Anforderungen an die axiale Lagerung und an die Fertigungsgenauigkeit der Statorhälften, zwischen denen der Rotor gelagert ist. Weiterhin sind dünne Scheiben aus hochwertigem Permanent­ magnetmaterial auf der Basis seltener Erden nicht mit beliebig großem Durch­ messer herstellbar, so daß die in der Druckschrift CA 18 Z15A vorgestellte Lösung für Stellmotoren mit größerem Drehmoment und für hohe Drehzahlen nicht ge­ eignet ist.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die bekannten Nachteile zu vermeiden und einen Stellmotor auf der Basis eines elektronisch kommutierten Synchronmotors zu schaffen, der bei kleinen Abmessungen ein hohes Drehmoment liefert und dessen Konstruktionsprinzip sowohl bei hohen Drehzahlen als auch bei sehr hohen Drehmomenten anwendbar ist und der mit geringem Aufwand, insbesondere durch Reduzierung des benötigten hochwertigen Permanentmagnetmaterials, herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Motor aus einem gezahnten Rotor aus weichmagnetischem Material und aus einem Stator mit mindestens einem Paar von Hauptpolen pro Motorphase, welche die Arbeits­ wicklungen tragen, besteht und daß diese Hauptpole in permanentmagnetische Erregerpolpaare unterteilt sind, deren Polpaarteilung mit der Zahnteilung des Rotors wirksam korrespondiert und daß diese Erregerpolpaare identisch mit den Hauptpolen von Motorphase zu Motorphase um

versetzt sind.

Dabei bedeuten:

τ_pH - Hauptpolteilung
τ_z - Zahnteilung (Rotor)
τ_p - Polpaarteilung (Erregerpole)
n - Phasenzahl
m - ganze Zahl

Die Erregerpole oder Hauptpole sind einzeln angeordnete Permanentmagnete, die wechselseitig polarisiert sind und so dem gezahnten Rotor zugewandt sind. Vorteilhafterweise sind die einzelnen Permanentmagnete auf den geblechten Stator geklebt.

Bei einer Alternativausführung des Stellmotors weist der weichmagnetische Statorkörper eine zylindrische Statorbohrung auf, in die zur Bildung der Erreger­ pole ein permagnetischer Ring angeordnet ist, der im Bereich der Hauptpole mit der Polpaarteilung τ_p der Erregerpolpaare magnetisiert ist, wobei die Bereiche zwischen den Hauptpolen entweder unmagnetisiert bleiben oder mit der Polpaar­ teilung der Erregerpolpaare magnetisiert sind.

Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke wird in der nachfolgenden Beschrei­ bung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung näher dargestellt ist, näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch den Stellmotor mit einzeln angeordneten Permanentmagneten am Stator;

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch den Stellmotor mit einer Alter­ nativausführung der Permanentmagnetanordnung.

In Fig. 1 ist der Stellmotor als Zweiphasenmotor dargestellt. Die Phasenzahl n ist in diesem Falle n = 2. Im Stator 1 sind die 4 Hauptpole 2, 3, 4, 5 mit den Arbeitsspulen 6, 7, 8, 9 angeordnet, wobei die Hauptpole 2, 4 mit den Spulen 6, 8 sowie die Hauptpole 3, 5 mit den Spulen 7, 9 jeweils einer Motorphase zugehörig sind. Die Spulen 6, 8 und 7, 9 werden so bestromt, daß die Statorpolpaare 2, 4 und 3, 5 sowie der Rotor 20 diametral durchflutet werden. An den Innenflächen der Statorpole sind Permanentmagnete 10, die mit ihren Südpolen dem Rotor 20 und Permanentmagnete 11, die mit ihren Nordpolen dem Rotor 20 zugewandt sind, paarweise angeordnet. Diese Permanentmagnete 10, 11 bilden die Erregerpole des Stellmotors, ihre Polpaarteilung τ_p ist identisch mit der Zahnteilung τ_z des Rotors 20. Die Zahnteilung des Rotors 20 wird vorzugsweise so gewählt, daß sich eine symmetrische Anordnung der Hauptpole ergibt, d. h. 2n × τ_pH = 360°.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung ist die Polpaarteilung τ_p der Erregerpole um Bruchteile der Rotorzahnteilung τ_z abweichend von dieser, um Drehmomentoberwellen zu kompensieren. Die Größe der Abweichung richtet sich dabei nach der Ordnung der zu kompensierenden Drehmomentoberwellen.

In der Darstellung gemäß der Fig. 2 besteht der Stator 1 aus einem weich­ magnetischem Statorkörper mit einer zylindrischen Statorbohrung. Zur Bildung der Erregerpole ist in dieser Statorbohrung ein permanentmagnetischer Ring 12 einge­ setzt und befestigt angeordnet, der im Bereich der Hauptpole 2, 3, 4, 5 mit der Pol­ paarteilung τ_p der Erregerpolpaare magnetisiert ist. Die Bereiche 15 zwischen den Hauptpolen 2, 3, 4, 5 können sowohl mit der gleichen wie auch mit einer abweichen­ den Teilung magnetisiert sein oder auch unmagnetisiert bleiben.

Vorstehend ist die Erfindung anhand ausgewählter Merkmale beschrieben und dar­ gestellt worden. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Darstellung beschränkt, sondern können sämtliche Merkmale allein oder in beliebiger Kombination, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen, verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1

Stator

2

Hauptpol

3

Hauptpol

4

Hauptpol

5

Hauptpol

6

Arbeitsspulen

7

Arbeitsspulen

8

Arbeitsspulen

9

Arbeitsspulen

10

Permanentmagnet

11

Permanentmagnet

12

permagnetischer Ring

13

Permanentmagnet

14

Permanentmagnet

15

Bereich zwischen Hauptpolen

20

Rotor
τ_p

Polpaarteilung
τ_pH

Hauptpolteilung
τ_z

Zahnteilung (Rotor)
n Phasenzahl
m Zähnezahl ganze Zahl

Claims (7)

1. Stellmotor auf Basis eines elektronisch kommutierten Synchronmotors mit zwei zueinander koaxialen Teilen, die relativ zueinander drehbar sind und von denen jedes Teil einen entsprechenden ferromagnetischen Kern besitzt, und einem im wesentlichen zylindrischen Luftspalt, der die Kerne der entsprechenden Teile voneinander trennt, mit mindestens einem Paar von Hauptpolen pro Motorphase als Träger der Arbeitswicklungen, die einen gezahnten Rotor aus weich­ magnetischem Material gegenüberstehen, gekennzeichnet durch eine Unterteilung der Hauptpole (2, 3, 4, 5) in permanentmagnetische Erreger­ polpaare (10, 11) deren Polpaarteilung mit der Zahnteilung (τ_z) des Rotors (20) korrespondiert, wobei die Erregerpolpaare (10, 11) identisch mit den Haupt­ polen von Motorphase zu Motorphase um
versetzt sind.

2. Stellmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die permanentmagnetischen Erregerpolpaare (10, 11) der Hauptpole (2, 3, 4, 5) einzelne Permanentmagnete sind, die wechselseitig polarisiert sind, wobei die Permanentmagnete (10) mit ihren Südpolen und die dazwischen liegenden Permanentmagnete (11) mit ihren Nordpolen dem gezahnten Rotor (20) zugewandt sind.

3. Stellmotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (10, 11) auf dem geblechten Stator (1) geklebt sind.

4. Stellmotor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnteilung (τ_z) des Rotors (20) der Bedingung 2n × τ_pH = 360° folgt und eine symmetrische Anordnung der Hauptpole (2, 3, 4, 5) gewährleistet.

5. Stellmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polpaarteilung (τ_p) der Erregerpole geringfügig von der Rotorzahn­ teilung (τ_z) zur Kompensation der Drehmomentoberwellen abweicht.

6. Stellmotor nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) aus einem weichmagnetischem Statorkörper mit zylindrischer Statorbohrung besteht, in die zur Bildung der Erregerpole ein permanent­ magnetischer Ring (12) angeordnet ist, der im Bereich der Hauptpole (2, 3, 4, 5) mit der Polpaarteilung (τ_p) der Erregerpolpaare magnetisiert ist, wobei die Be­ reiche (15) zwischen den Hauptpolen (2, 3, 4, 5) unmagnetisiert bleiben.

7. Stellmotor nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (15) auf dem permanentmagnetischem Ring (12) zwischen den Hauptpolen (2, 3, 4, 5) mit der Polpaarteilung (τ_p) der Erregerpolpaare magnetisiert sind.