DE19815230A1 - Schrittmotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor, insbesondere einen Schrittmotor mit einem Stator, einem auf einer Rotorwelle angeordneten Rotor und mit mehreren Magnetspulen zur Erzeugung des Statormagnetfeldes. DOLLAR A Ein Schrittmotor, der bei einfachem Aufbau eine sehr flache Bauweise ermöglicht und zudem einfach herzustellen ist, weist einen Stator mit einem im wesentlichen ebenen, eine Öffnung (4) bildenden Statorelement (3) mit mehreren Schenkeln aus weichmagnetischem Material, Magnetspulen (6a bis 6d) zur Erzeugung des Statormagnetfeldes, die außerhalb der Öffnung (4) angeordnet und deren Kerne durch die Schenkel des Statorelements gebildet sind, einen auf einer Rotorwelle (2) in der Öffnung (4) des Statorelements angeordneten Rotor (1), wobei die Rotorwelle (2) senkrecht zu der Ebene des Statorelements (3) verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schriftmotor, insbesondere einen Schrittmotor mit einem. Stator, einem auf einer Rotorwelle angeordneten Rotor und mit mehreren Magnetspulen zur Erzeugung des Statormagnetfeldes.

Schrittmotoren werden vielfach in analogen Anzeigeinstrumenten verwendet, in denen sie den Zeiger elektrisch gesteuert in eine bestimmte Stellung bewegen und dort gegebenenfalls halten. Für solche Anzeigeinstrumente kommt es oft auf eine flache und kompakte Bauweise der Schrittmotoren an.

Aus der DE 41 18 374 A1 ist ein Schrittmotor der eingangs erwähnten Art bekannt, bei dem ein kreuzförmiger Stator mit symmetrisch und parallel zu der Rotorachse angeordneten Halbspulen verwendet wird, die über ein Rückschlußkreuz miteinander verbunden sind. Der Permanentmagnetrotor ist in einer zentralen Bohrung des Polschuhkreuzes angeordnet. Dieser Motor weist zwar eine flache Bauhöhe auf, jedoch ergibt sich aus der Anordnung der Spulen parallel zur Rotorachse eine vergleichsweise große Mindestbauhöhe.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Schrittmotor mit Stator, einem auf einer Rotorwelle angeordneten Rotor und mehreren Magnetspulen vorzusehen, der bei einfachem Aufbau eine sehr flache Bauweise ermöglicht und zudem einfach herzustellen ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Schrittmotor der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Ein erfindungsgemäßer Schrittmotor weist einen Stator auf, der ein im wesentlichen ebenes Statorelement mit Schenkeln aus weichmagnetischem Material enthält, das eine Öffnung bildet, in der sich ein auf einer Rotorwelle angeordneter Rotor befindet. Die Welle ist senkrecht zu der Ebene des Statorelements angeordnet. Das Magnetfeld in dem Statorelement wird durch Magnetspulen auf den Schenkeln des Statorelements erzeugt, wobei die Schenkel den Spulenkern bilden.

Das Statorelement führt den von den Magnetspulen erzeugten magnetischen Fluß zu der Öffnung, an der sich die Polpaare entsprechend der Anordnung der Magnetspulen und der Form des Statorelements bilden. Bei der von dem Statorelement gebildeten Öffnung handelt es sich im einfachsten Fall um eine Bohrung, die den Rotor mit nur einem geringen Spalt zwischen Statorelement und Rotor aufnimmt. Die Öffnung muß im allgemeinen jedoch nicht vollständig von dem Statorelement umgeben sein, vielmehr kann der Rand prinzipiell z. B. auch noch Spalte aufweisen. Das Statorelement kann in einer dem Fachmann bekannten Weise z. B. aus einem Weicheisenblech oder einer Packung mehrerer Weicheisenbleche gebildet werden.

Die Ansteuerung des Motors erfolgt in der dem Fachmann bekannten, üblichen Art und Weise, die erfindungsgemäßen Schrittmotoren können sowohl im Voll­ schritt- wie auch im Mikroschrittbetrieb benutzt werden.

Durch die im wesentlichen ebene Form des Statorelements, das die Öffnung für den Rotor bildet, und die Anordnung der Magnetspulen außerhalb der Öffnung in der Ebene des Statorelements kann eine sehr geringe Bauhöhe erreicht werden, die nur noch durch die Dicke der Spulenwicklung und die Dicke des Statorelements bestimmt und daher auf ein geringes Mindestmaß reduziert ist.

Da das Statorelement die Öffnung für den Rotor umschließt und die Kerne der Magnetspulen durch Schenkel des Statorelements gebildet werden, bestimmt seine Form im wesentlichen die Lage der Statorpole und damit den Feldverlauf in der Öffnung; da erfindungsgemäß nur ein Statorelement den magnetischen Fluß in der Nähe des Rotors führt und die Pole bildet, können die bei der Verwendung von mehreren Statoren bzw. Statorblechen im Rotorbereich möglichen Probleme durch ungenaue Justierung der Statorbleche zueinander nicht auftreten. Weiterhin treten auch bei einem einfachen, diametral magnetisierten Rotor keine axialen Kräfte auf, da die Statorelemente nahe dem Rotor in einer Ebene liegen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale in den Unteransprüchen angegeben.

Vorzugsweise wird die Öffnung in dem Statorelement völlig von diesem umschlossen, um eine möglichst gleiche Führung des magnetischen Feldes, besonders bei einer der Anzahl der Magnetspulen entsprechend symmetrischen Form des Statorelements zu erlauben. In der einfachsten Form wird die Öffnung dann von einer Bohrung in dem Statorelement gebildet, deren Durchmesser bei einem Rotor mit kreisförmigem Querschnitt nur wenig größer als der des Rotors ist.

Bildet man das Statorelement mit sternförmig angeordneten gleich dimensionierten Schenkeln und der Öffnung für den Läufer in der Mitte der Schenkel aus, so kann man eine weitgehend symmetrische Feldverteilung und damit gleiche Kräfte in den verschiedenen Positionen des Rotors erreichen. Um möglichst große Flüsse am Rotor zu erreichen, müssen die Verbindungen zwischen den Schenkeln möglichst schmal sein, um den Fluß durch sie zu begrenzen; jedoch müssen sie noch eine hinreichende Stärke haben, um eine hinreichende mechanische Stabilität des Elements zu gewährleisten. Durch diese Ausführung kann die Anzahl der Polpaare leicht erhöht werden, während bei Schrittmotoren, die mehrere übereinanderliegende Statorbleche mit Polen aufweisen, Bauhöhe, Justierung der Pole zueinander sowie axiale Kräfte auf den Rotor zu Problemen führen können.

Vorzugsweise weist der Schrittmotor eine gerade Anzahl von Magnetspulen auf. Bei einem Statorelement mit sternförmig angeordneten Schenkeln sind dann Magnetspulen, die mit gegenüberliegenden Schenkeln verbunden sind, vorzugsweise gegeneinander geschaltet, um ein Polpaar zu bilden.

Vorteilhaft werden die Spulen direkt auf die Schenkel gewickelt. Um dies zu vereinfachen, können die Schenkel Wickelraumbegrenzungen für die Wicklungen der Magnetspulen aufweisen. Durch die Sternform des Statorelements können die Spulen leicht von außen gewickelt werden, wobei dies bei Bauformen mit einer geraden Anzahl von Schenkeln gegebenenfalls bei gegenüberliegenden Spulen in einem Arbeitsschritt geschehen kann. Das Statorelement kann in diesem Fall besonders einfach im Metallpulverspritzgußverfahren aus weichmagnetischem Metallpulver hergestellt sein.

Besonders günstig für die Magnetspulen sind Drähte, die sich möglichst dicht wickeln lassen. Zum anderen kann durch einen Spulenquerschnitt, der in der Ebene des Statorelements breiter ist als senkrecht dazu, weitere Bauhöhe eingespart werden.

Für eine gute Führung des magnetischen Feldes enthält der Motor vorzugsweise ein weiteres Statorelement aus weichmagnetischem Material, das mit den weichmagnetischen Kernen der Spulen so verbunden ist, daß ein Rückschluß des magnetischen Feldes gegeben ist. Vorzugsweise ist das Statorelement selbst in einer Öffnung des weiteren Statorelements befestigt.

Vorzugsweise hat das weitere Statorelement Ringform, so daß zum einen eine symmetrische Feldverteilung besser erreicht werden kann und zum anderen jegliche Positionierungsprobleme des ersten Statorelements im weiteren Statorelement ausgeschlossen werden.

Das Statorelement wird am einfachsten in dem weiteren Statorelement befestigt, indem es in dieses im Preßsitz eingepaßt wird.

Der Rotor kann aus weichmagnetischem Material gebildet werden und nach den dem Fachmann bekannten Prinzipien als Läufer nach dem Reluktanzprinzip ausgeführt werden.

In einer sehr einfachen Konstruktion kann der Rotor aber auch als Wirbelstromläufer aus elektrisch leitendem Material ausgebildet sein.

Vorzugsweise wird der Rotor als Permanentmagnet-Rotor mit radialer Magnetisierung ausgeführt. Dabei muß die Anzahl der Statorpole bzw. der Magnetspulen immer größer als die Anzahl der Pole des Rotors sein. Besonders bevorzugt ist die Ausführung als diametral magnetisierter Rotor, die eine einfache und preiswerte Herstellung sowie eine geringe Anzahl von Statorpolpaaren erlaubt.

Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht eines Schrittmotor gemäß der Erfindung und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Schrittmotor in Fig. 1 entlang der gestrichelten Linie in Fig. 1.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, einem Zweiphasen-Schrittmotor für Bipolarbetrieb, sind die Magnetspulen 6a bis 6d auf die Schenkel des kreuzförmigen Statorelements 3 aus weichmagnetischem Material zwischen Wickelraumbegrenzungen 7a bis 7d gewickelt. Der diametral magnetisierte Rotor 1 sitzt auf der Rotorwelle 2 in der Öffnung 4 des Statorelements 3, die im nicht gezeigten Gehäuse gelagert ist. Das Statorelement 3 ist in ein weiteres, ringförmiges Statorelement 5 aus weichmagnetischem Material eingepreßt, das für den Rückschluß im magnetischen Kreis sorgt. Die gegenüberliegenden Magnetspulen sind jeweils gegeneinander geschaltet, so daß die zu der Öffnung zeigenden Pole gegenüberliegender Magnetspulen entgegengesetzt polarisiert sind. Diese Ausführungsform weist eine äußerst geringe Bauhöhe auf, die nur durch die Dicke der Wicklung der Spule und die Dicke des Statorelements 3 bestimmt ist. Das Statorelement mit den Wickelraumbegrenzungen kann einfach mit Metallpulverspritzgußverfahren aus weichmagnetischem Metallpulver herstellt werden. Die Spulen können leicht vor dem Einpressen in das weitere Statorelement 5 auf das Statorelement 3 gewickelt werden, wobei gegenüberliegende Spulen in einem Arbeitsgang gewickelt werden können. Der Schrittmotor hat einen Vollschrittwinkel von 90°, der Motor kann aber auch im Mikroschritt-Betrieb verwendet werden.

Diese Ausführungsform zeichnet sich neben der geringen Bauhöhe dadurch aus, daß zur Herstellung nur sehr wenige Bauteile verwendet werden müssen. Dadurch sind für die Herstellung nur wenige Arbeitsschritte notwendig, gleichzeitig treten kaum montagebedingte Toleranzen auf.

Claims (11)

1. Schrittmotor mit einem Stator, einem auf einer Rotorwelle (2) angeordneten Rotor (1) und mit mehreren Magnetspulen (6a bis 6d) zur Erzeugung des Statormagnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator ein im wesentlichen ebenes, eine Öffnung (4) bildendes Statorelement (3) mit mehreren Schenkeln aus weichmagnetischem Material enthält, daß die Magnetspulen (6a bis 6d) außerhalb der Öffnung (4) angeordnet und ihre Kerne durch die Schenkel des Statorelements gebildet sind, daß der Rotor (1) in der Öffnung (4) des Statorelements angeordnet ist, und daß die Rotorwelle (2) senkrecht zu der Ebene des Statorelements (3) verläuft.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) aus weichmagnetischem Material gebildet ist.

3. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) aus elektrisch leitendem Material als Wirbelstromläufer ausgebildet ist.

4. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) als Permanentmagnet-Rotor mit radialer Magnetisierung ausgebildet ist.

5. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) als diametral magnetisierter Permanentmagnet-Rotor ausgeführt ist.

6. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel sternförmig angeordnet sind, und die Öffnung (4) für den Rotor (1) sich in der Mitte der Anordnung der Schenkel befindet.

7. Schrittmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er ein weiteres Statorelement (5) aus weichmagnetischem Material enthält, das mit den weichmagnetischen Kernen der Magnetspulen (6a bis 6d) so verbunden ist, daß ein Rückschluß des magnetischen Feldes gegeben ist.

8. Schrittmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel Wickelraumbegrenzungen (7a bis 7d) für die Wicklungen der Magnetspulen (6a bis 6d) aufweisen.

9. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Statorelement (5) Ringform hat.

10. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorelement (3) in das weitere Statorelement (5) im Preßsitz eingepaßt ist.

11. Schrittmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorelement (3) im Metallpulverspritzgußverfahren aus weichmagnetischem Metallpulver gefertigt ist.