DE2049315A1

DE2049315A1 - Schrittmotor

Info

Publication number: DE2049315A1
Application number: DE19702049315
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Jaeger SA
Current assignee: Jaeger SA
Priority date: 1969-10-07
Filing date: 1970-10-07
Publication date: 1971-04-15
Also published as: ES381352A1; FR2061981A5

Description

PATENTANWA"CTB

DR. I. MAAS

DR. W. PFEIFFER

DR. F. VG₁THENi-EITNER

S tAÜMCHEM 23 JJNGERERSTR. 25 -TC!.. 390238

988

JAEGER

Levallois-Perret

Frankreich

Schrittmotor

Die Erfindung betrifft Schrittmotoren mit axialem Luftspalt, deren Stator und Rotor koaxial übereinander liegen, wodurch ein geringer Außendurchmesser des Motors bezüglich seiner Höhe ermöglicht wird»

Die bekannten Schrittmotoren weisen im allgemeinen einen Durchmesser auf, welcher größer ist. als ihre Höhe, wobei diese Form insbesondere bei bestimmten Anwendungen störend 1st, bei denen ein Platzgewinn erwünscht ist.

Der erfindungsgemäße Schrittmotor ermöglicht durch seine langgestreckte Zylinderform diesen Platzgewinn und kann insbesondere zum Antrieb der Zählwerke eines Zählers verwendet v/erden.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorderansicht des Motors,

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Pig.2 einen Axialschnitt des Motors, Fig.3 eine Ansicht des Motors von der Seite des Rotors,

Pig. 4 eine Ansicht des Motors von der Seite der Wicklungsausgänge,

Pig.5 eine Vorderansicht des Dauermagneten,

Fig.6 die Orientierung der Magnetisierung bzgl. der ebenen Flächen des Magneten,

Fig.7 eine Vorderansicht einer anderen Ausführungsform des Magneten,

Fig.8 die Orientierung der Magnetisierung bei dieser Ausführungsform,

Fig.9 die Form des Magneten und des inneren Polschuhs,

Fig.10 eine Schaltung mit zwei Erregerwicklungen, welche einem Umschalter zugeordnet sind,

Fig.11 das der in Fig.10 dargestellten Schaltung entsprechende Flußdiagramm,

Fig.12 eine Schaltung mit zwei Erregerwicklungen, deren eine eine Polarisationswicklung .ist,

Fig.13 das der in Fig.12 dargestellten Schaltung entsprechende Flußdiagramm,

Fig.l4 eine Schaltung mit zwei Erregerwicklungen, welche einem als Umschalter arbeitenden Transistor zugeordnet sind,

Fig.15 das der in Fig.14 dargestellten Schaltung entsprechende Flußdiagramm,

Fig.l6 einen Axialschnitt durch eine andere Ausführungsform des Motors, und

Flg.17 eine Seitenansicht dieser Ausführungsform.

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Der erfindungsgemäße Motor besteht aus einem Stator und einem Rotor, welche nachfolgend beschrieben werden.

Der Stator hat die Funktion, einen Magnetfluß zu erzeugen, dessen Richtung von dem Zustand abhängt, in welchem sich die Steuerschaltung der Erregerwicklung oder Erregerwicklungen befindet.

Dieser Stator weist eine oder mehrere Erregerwicklungen 13 aufj welche auf einen zu dem aus Magnetmaterial mit großer Permeabilität hergestellten Kern 6 konzentrischen Träger 22 aufgewickelt sind.

Der Tiräger 22, welcher beispielsweise aus einem Polymer hergestellt ist, kann auch aus einem unmagnetischen Metall durch Bearbeitung hergestellt sein, wodurch die in den Erregerwicklungen 13 induzierten Überspannungen begrenzt werden, wenn eine derselben bei der Zustandsänderung einer der Steuerschaltungen von einem belastenden Einschaltstrom durchflossen wird.

Der Träger 22 wird auf dem Kern β Ί'η axialer Richtung durch das Einrasten der' fest mit dem Träger 22 verbundenen Feder

in die am Kern 6 ausgebildete" Nut 23 gehalten. i

Die Schließung des Magnetflusses wirdr- durch das aus Magnetrcaterial mit großer Permeabilität bestehende Gehäuse 1, dessen -auf der Seite des Rotors gelegener Flansch gemäß der Form 24 (Flg.3) ausgeschnitten ist, die speziell dafür ausgelegt ist, daß der Wert des Motordrehmoments maximal ist,sowie durch den Kern 6 gewährleistet, an dessen Enden der auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors gelegene Flansch 11 und der Polschuh 10 festgelegt sind, welche aus einem Magnetmaterial mit großer Permeabilität hergestellt sind.'

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Die Form des Polschuhs 10 und seine Winkelstellung bezüglich der Polform 2k' sind so festgelegt, daß das maximale Motordrehmoment erzielt wird (Fig.3). ;

Die seitlichen Ausschnitte 3 (Fig.l) im Gehäuse 1 ermöglichen die axiale Regelung der Breite des Spalts 18 und sodann das Einsetzen der Ansätze 2. .. . *

Die Achse 7, auf welcher sich der Rotor dreht, ist in den Kern β eingetrieben. Sie besteht vorteilhafterweise aus einem unmagnetischen Material.

Die Anschlüsse der Erregerkreise können, wie in Fig.^ gezeigt, durch drei Klemmen gebildet werden, an welche die Drahtenden der Wicklungen angeschlossen sind.

Die Festlegung des Motors wird durch eine Schraube bewirkt, welche durch eine Ausnehmung 5 verläuft, die in einem mit dem Gehäuse 1 fest verbundenem Lappen k ausgebildet ist.

Der Rotor ist so ausgebildet, daß das Zusammenwirken seiner Magnetpole (die mit Hilfe eines einzigen Magneten mit mehrv poliger Magnetisierung oder auch durch die Verwendung von mehreren Magneten erhalten werden) mit den Polschuhen des Stators durch eine Winkeldrehung, deren Wert gleich einem Polschritt ist, jede vom Stator erzeugte Umkehrung des Magnetflusses überträgt. ■ ~.

Dieser Rotor besteht aus einem Dauermagneten 1*1 in Ringform, für den eine anisotrope Materialsorte gewählt ist und der entlang der Längsachse des Motors orientiert ist, wobei seine Magnetisierungsachse mit dieser Achse zusammenfällt. Die mehrpolige Magnetisierung wird so verwirklicht, daß auf einer ebenen Fläche des Rotors zwei aufeinanderfolgende Pole entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen. Die Anzahl der dem Magneten aufgeprägten Pole ist gerade (Fig.5). Fig.6 zeigt

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die Orientierung der Magnetisierung bzgl. der beiden ebenen Flächen des Magneten.

Die Form des Magnetkreises der erfindungsgemäßen Motors gestattet die Verwendung von Dauermagneten aus anisotropem Material. Diese Wahl ist sehr vorteilhaft, da sie ermöglicht, in den Luftspalten 18 und 19 eine höhere Induktion zu erzielen, welche direkt das Drehmoment des Motors beeinflußt.

Der Magnet l4 ist fest mit der Zylinderbüchse 15 verbunden und weist ein Ritzel 17 auf, welches beispielsweise den ersten Teil eines Untersetzungsgetriebes darstellt. Die Einsenkung 20 in der Zylinderbüchse 15 dient als Behälter für ein stark viskoses Fluid, welches die Schwingungen mit großer Amplitude dämpft, denen der Rotor unterworfen sein

Das axiale Spiel des Rotors wird durch den Anschlagring 16 und die Beilagscheibe 2β·begrenzt.

Bei einer ersten Ausführungsform (Fig*10) weist die Motorschaltung zwei gleichzeitig gewickelte Erregerspulen mit gleicher Windungszahl und gleichem Ohmschen Widerstand auf, welche einem Umschalter zugeordnet sind, durch den die Wicklungen gespeist werden, wobei die eine ohne Spannung ist, wenn die andere an Spannung liegt und umgekehrt.

Die Anschlüsse sind so gewählt, daß ein Magnetfluß erzielt ■ wird, dessen Richtung von der gespeisten Wicklung abhängt,

Der Rotor weist auf jeder seiner Flächen vier Magnetpole auf. Wenn sich die in Fig. 10 gezeigte.. Schaltung In einem stabilen

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Zustand befindet, schließt der Umschalter 27 den Kreis .über die Klemme 28, wodurch die Wicklung 29 gespeist wird, welche sodann beispielsweise den positiven Magnetfluß 38 erzeugt. Unter diesen Bedingungen ist der Rotor so angeordnet, daß seine beiden diametral gegenüberliegenden Pole 30 und 33 (Fig.9) durch den Polschuh 10 mit komplementärer Polarität festgehalten werden.

Wenn sich der Umschalter 27 in der Stellung 35 befindet, unterbricht er die Speisung der Wicklung 29 und hebt daher den Magnetfluß 38 auf (Fig.11). Außerdem erzeugt die Speisung der Wicklung 32 einen Magnetfluß 39, dessen Richtung dem vorhergehenden entgegengesetzt ist. Die Pole 30 und 33 (Fig.9) des Rotors werden sodann abgestoßen, während die Pole 31 und J>k voinPolschuh 10 in einer Richtung angezogen werden, daß die Pole 31 tsw. 3** jeweils die Pole 30 bzw. 33 ersetzen. Der Rotor wird daher in einem neuen stabilen Zustand festgelegt. Die Verschiebungsrichtung des Rotors hängt von der relativen Lage der mit dem Rotor zusammenwirkenden Polschuhe ab. Eine Umkehrung des Magnetflusses in der Erregerschaltung hat daher zur Folge, daß der Rotor um einen Schritt gedreht wird, dessen Winkelbetrag in diesem Fall, gleich einer Viertelumdrehung ist.

In einem Intervall, das gleich dem Polschritt ist, läßt sich das Motordrehmoment durch einen Ausdruck der folgenden Form ausdrücken:

C = A sin*<. + B cos (2<^ + f )

In diesem Ausdruck ist C das Motordrehmoment ,s< der Verschiebungswinkel des Rotors und A, B und *f sind Konstanten, welche von der Konstruktion des Motors abhängen.

Diese Konstanten hängen von den Abmessungen und der Sorte des

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oder der Dauermagneten des Rotors (Parameter M), von den Abmessungen der mit dem Rotor zusammenwirkenden Polschuhe (Parameter N), von der relativen Lage der mit dem Rotor zusammenwirkenden Polschuhe (Parameter P), vom Betrag der axialen Luftspalte (Parameter Q) und von dem vom Stator erzeugten Magnetfluß (Parameter R) abv

Die Konstante A ändert sich wie die Parameter M, N, P, R und in umgekehrtem Sinn wie der Parameter Q.

Die Konstante B ändert sich wie die Parameter M, N, P und in umgekehrtem Sinn wie der Parameter Q.

Die Konstante f hängt von den Parametern P und Q ab.

In einem Intervall, welches gleich dem Polschritt ist, geht das Motordrehmoment durch ein Minimum Co. Die das Motordrehmoment C beeinflussenden Parameter müssen derart geregelt werden, daß das Drehmoment Co wenigstens gleich dem Koeffizienten B ist.

Die maximale Drehzahl des Rotors hängt von der Amplitude der gedämpften Schwingungen ab, denen der Rotor unterworfen ist. Sie sind um so größer, je größer die Differenz des Kotordrehmoments und des Ljastmoments ist.

Diese.Motorart arbeitet als Synchronmotor mit zwei Drehrichtungen, wenn er durch eine Spannungsquelle gespeist wird, deren Periode nahe der Pseudoperiode der gedämpften Schwingungen des Rotors liegt.

Die Frequenzanpassung.wird gewährleistet, indem man das Verhält* nis der gesamten Trägheiten der sihh drehenden Teile, zurück-

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geführt auf die Höhe des Rotors, zum Gradienten des Motor-■drehmoments, wenn der Rotor in einem stabilen Zustand angeordnet ist, zweckmäßig, ändert.

Bei dieser ersten Ausführungsform (Fig.2, 10 und 11) ermöglicht die Verwendung eines Umschalters 27, welcher nacheinander die Erregerspulen 29 und 32 speist, eine Begrenzung der vom Motor aufgenommenen Leistung auf ihren minimalen

Falls man einen Spannungserzeuger zur Werfügung hat, bei dem die Polarität der Signale abwechselnd umgekehrt wird, beschränkt sich der Erreger des erfindungsgemäßen Motors auf eine eimzige Wicklung.

Bei einer zweiten Ausführungsform (Fig.12 und 13) weist die Schaltung 2 Erregerwicklungen auf, deren eine eine Polarisationswicklung ist. In diesem Fall werden die Eigenschaften der Wicklungen 29 und 32 derart bestimmt, daß der Betrag des von der Wicklung 29 erzeugten Magnetflusses kO bei geschlossenem Umschalter 27 gleich dem doppelten absoluten Betrag des von der Wicklung 32 erzeugten· Polarisationsflusses 42 ist, wobei die Wicklung 32 grundsätzlich ständig mit der Speisespannung gespeist wird. Unter diesen Umständen ist der resultierende Magnetfluß 4l bis auf das Vorzeichen gleich dem Polarisationsfluß 42.

Bei dieser Steuerungsart erfordert die Veränderung des Magnetflusses eine mittlere Leistung, welche vom Verhältnis zwischen der Schließungs- und Öffnungszeit des Umschalters 27 abhängt.

Die minimale Leistung, welche von einem gemäß dieser zweiten, Ausführungsform ausgebildeten Motor aufgenommen wird, wird erreicht, wenn die Schließungszeit des Umschalters 27 gleich

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der Zeit ist, die der Rotor braucht, um sich um einen Polschritt zu verschieben. Diese Zeit hängt vom Motordrehmoment, vom Lastmoment, von den gesamten, auf die Höhe des Rotors zurückgeführten Trägheiten, von den Dämpfungen und den mechanischen Spielen ab.

Diese Schaltungsart ist wegen ihrer Einfachheit vorteilhaft. Tatsächlich ist nur ein einziger Kontakt erforderlich, um eine Richtungsumkehr des Magnetflusses zu erhalten.

Eine dritte, nicht dargestellte Ausführungsform kann verv/irklicht v/erden, indem die Erregerwicklung 32 durch einen Dauermagneten ersetzt wird, welcher die gleiche Funktion hat. Die zu^ Steuerung des Motors erforderliche elektrische Leistung ist sodann im Verhältnis zur zweiten Ausführungsform um die Hälfte verringert.

Bei einer vierten Ausfuhrungsform (Fig.I¹I und 15) weist die Schaltung zwei gleiche: Erregerwicklungen 29 und 32 auf, welche einem als Umschalter arbeitenden Transistor zugeordnet sind. Wenn in diesem Fall der Umschalter 27 geöffnet wird, sättigt der Basisstrom den Transistor 37 und der positive I^apinetfluß kj> in diesem Kreis wird von der Wicklung 32 erzeugt.

Wenn der Umschalter 27 geschlossen wird, wird der Transistor 37 gesperrt und der resultierende negative Magnetfluß kk wird von der Wicklung 29 erzeugt.

Die Änderung der Stellung des Umschalters 27 erzeugt die Umkehrung des Magnetflusses im Magnetkreis.

Diese Änderungen der Stellung erzeugen Überspannungen in den V/icklungen 29 und 32, welche jedoch das einwandfreie Arbeiten des Motors nicht beeinträchtigen.

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Bei konstantem Motordrehmoment sind die aufgenommene Leistung und die Erwärmung der Wicklungen zweifach geringer als in dem Fall der Anordnung mit konstantem Polarisationsfluß, welcher durch ständige Speisung einer Erregerwicklung erzielt wird (die oben beschriebene zweite Ausführungsform) .

Bei einer weiteren Ausführungsform (Pig.l6 und 17) wird das feste Gehäuse 1 durch Biegen erhalten, wobei die das Feld schließende Platte 11 mit dem Gehäuse durch eine geeignete Einrichtung fest verbunden ist, welche die Kontinuität des Magnetkeeises gewährleistet.

Die Ausschnitte und Biegungen können direkt an dem den Motor und seine zugehörigen Einrichtungen aufnehmenden Träger vorgenommen werden.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

Schrittmotor mit Zylinderform, gekennzeichnet durch axiale Luftspalte und einen Rotor, welcher im wesentlichen aus einem oder mehreren Dauermagneten besteht, deren Magnetisierungsachse parallel zur Längsachse des Kotors verläuft, wobei die Polschuhe des Hagnetkreises mit den in senkrecht zu dieser Achse verlaufenden Ebenen enthaltenen Polen des Rotors zusammenwirken und wobei ein besonders einfacher Aufbau aus ausgeschnittenen, tiefgezogenen, gebogenen oder gegossenen Teilen möglich ist.

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2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Länge größer ist als sein Durchmesser und einen Platzgewinn ermöglicht.

3. Kotor nach" den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Lage der Luftspalte die Verwendung von das Motordrehmoment verbessernden anisotropen Dauermagneten ermöglicht.

¹I. Motor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Möglichkeit, bei dor Montage den Betrag der axialen Luftspalte und die Winkelstellung der mit dem Rotor zusammenwirkenden Polschuhe zu verändern, eine Erhöhung des Motordrehmoments auf Kosten der maximalen Drehzahl oder umgekehrt gestattet.

5. Kotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklungen eine geringe mittl^-a Windungslänge aufweisen, xvelche einen verminderten elektrischen Widerstand und eine erhöhte·magnetische Kopplung mit sich bringt und auf de,r Form des Motors beruht.

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c Motor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet., daß er als selbstanlaufender Synchronmotor arbeitet.

7. Kotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dal?, die Anzahl von Polpaaren durch eine einfache Änderung der Form der Polschuhe und der Anzahl der Magnetpole ■'des Rotors erhöht werden kann.

6. Motor nach den AMsprüchen 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse durch Riegen hergestellt ist, wobei die das F_eld schließende Platte mit diesem Gehäuse fest verbunden ist.

9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschnitte und Biegungen an dem den Motor und seine zugehörigen Einrichtungen aufnehmenden Tr'iger vorgenommen r;ir.c .

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