DE2105737B2 - Mehrphasiger elektrischer Schrittmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrphasigen elektrischen Schrittmotor mit einem einzigen auf einer Welle befestigten Rotor, an dessen Umfang in gleichen Abständen eine Vielzahl von radial vorstehenden Rotorzähnen angeordnet sind, sowie mit mehreren, die Erregerwicklung tragenden Statorkernen mit sektorförttiigen Polen, die jeweils eine Anzahl von in derselben Teilung wie die Rotorzähne angeordneten Statorzähnen enthalten, wobei die Statorzähne von gegenüberliegenden Polen den Rotorzähnen in axialer Richtung beidseitig gegenüberliegen und die Statorzähne jeweils in Umfangsrichtung aufeinanderfolgender Pole bezuglieh der zugeordneten Rotorzähne räumlich verschoben sind.

Ein derartiger mehrphasiger elektrischer Schrittmotor ist aus der OE-PS 2 55 553 bekannt. Bei diesem Schrittmotor liegen sich in axialer Richtung zwei die Statorkerrie bildende Scheiben gegenüber, an denen jeweils eine Vielzahl in axialer Richtung vorspringender sektorförmiger Pole mit einer Anzahl von Statorzähnen einstückig ausgebildet sind. Ein Pol der einen Statorscheibe liegt jeweils einem Pol der zweiten Siatorscheibe zur Bildung eines Polpaares gegenüber. Zwischen den Statorpolen befindet sich ein mit radial verlaufenden Rotorzähnen versehener Rotor. Diametral einander gegenüberliegende Pole gehören .ru einer Gruppe von Statorpolen, so daß sich der magnetische Kreis für ein Polpaar über das jeweils diametral gegenüberliegende Polpaar der gleichen Gruppe von Statorpolen schließt Infolgedessen ist der Weg für den magnetischen Fluß verhältnismäßig lang und durch vier Luftspalte unterbrochea Entsprechend hohe Verluste sind die Folge Außerdem ist es bei dem bekannten Schrittmotor schwierig, den die Luftspalte bestimmenden Abstand zwischen gegenüberliegenden Statorpolen einzustellen, so daß die Luftspalte aus Toleranzgründen zwangläufig etwas größer als erforderlich gewählt werden müssen. Auch dies führt zu einer Verringerung des Wirkungsgrades des bekannten Schrittmotors.

Bei einem aus der US-PS 34 69 123 bekannten mehrphasigen Schrittmotor sind die ein/einen Phasen in axialer Richtung des Motors aneinandergereiht. Jede Phase besitzt einen Rotor, an dessen Umfang in gleichen Abständen eine Vielzahl von rad^;al vorstehenden Rotorzähnen angeordnet sind und dei auf einer mit den Rotoren der anderen Phase gemeinsamen Welle befestigt ist. Zu beiden Seiten des Rotors einer Phase sind zwei ringförmige Statorscheiben vorgesehen, die jeweils eine ringförmige Vertiefung für die Aufnahme einer ringförmigen Erregerspule zwischen sich besitzen. Zur Festlegung des Abstands zwischen den beiden ringförmigen Statorscheiben ist zwischen diesen am äußeren Ringende ein magnetischer Abstandshalter vorgesehen, während sich die Rotorzähne unter Bildung jeweils eines Luftspaltes zwischen den gegenüberliegenden inneren Ringendflächen bewegen. An den inneren R'ngendflächen beider Statorscheiben sind den Rotorzähnen gegenüberliegend sektorförmige Statorpole ausgebildet. Infolge der axialen Aneinanderreihung der einzelnen Phasen dieses bekannten Schrittmotors ergeben sich nicht nur sehr große Abmessungen, sondern auch ein großes Trägheitsmoment, das zu einem unzureichenden Anzugsdrehmoment führt.

Aus der US-PS 29 94 023 ist ein durch einen mechanischen Schwinger frequenzstabilisierter Schrittmotor für eine Uhr bekannt, bei dem in einem scheibenförmigen nichtmagnetischen Rotor am Umfang in gleichem Abstand axial verlaufende zylindrische Dauermagnete angeordnet sind. Einander diametral gegenüberliegend sind zwei C-förmige Magnetkerne in der Art starr angeordnet, daß sich die Permanentmagnete des Rotors zwischen ihren offenen Schenkeln bewegen. Die Bewegung des Rotors erfolgt dadurch, daß in Steuerabhängigkeit von dem mechanischen Schwinger mittels einer auf dem einen der Magnetkerne befindlichen Erregerspule zwischen den offenen Schenkeln dieses Magnetkerns ein der Polung der Permanentmagnete entgegengesetzt gepoltes Magnetfeld erzeugt wird. In einer auf dem zweiten Magnetkern angeordneten Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich einer der Permanentmagnete zwischen den offenen Schenkeln dieses Magnetkerns hindurch bewegt. Die induzierte Spannung dient bei der bekannten Anordnung zur Aufrechterhaltung der Schwingung des mechanischen Schwingers. Die bekannten Anordnung stellt keinen mehrphasigen Schrittmotor dar und ist auch nicht als solcher zu verwenden.

Aus dem DT-Gbm 19 12 977 ist ein mit Gleichstrom gespeister Motor bekannt bei dem an einer flachen Rotorscheibe sich axial erstreckende und radial magnetisierte Dauermagneten vorgesehen sind. In einer Kreisringform ist eine Anzahl U-förmiger Magnetkerne so angeordnet, daß die Bahn der Permanentmagnete des rotierenden Rotors zwischen den Schenkeln der Magnetkerne verläuft Auf den MittelscJicnkeln der Magnetkerne sind Erregerspulen vorgesehen. Bei diesem bekannten Motor ist Voraussetzung, daß die Schenkel aller Magnetkerne auf der einen Seite des Rotors nur Nordpole und die auf der anderen Seite des Rotors nur Südpole sind. Der Luftspalt zwischen den als Teilstatoren wirkenden Magnetkernen und den Permanentmagneten des Rotors ist vom Abstand zwisehen den Seitenschenkeln eines Magnetkerns abhänfig und unterliegt damit in hohem Maß der Fertigungstoleranz.

Aus der DTPS 11 24 591 ist ein Magnetkern für einen Impulsmotor bekannt der aus zwei im wesentlichen U-förmigen Hälften besteht, deren jeweilige Seitenschenkel jedoch völlig unterschiedlich ausgebildet sind. Während jeweils ein Seitenschenkel beider Kernhälften in einen Polschuh ausläuft der dem Polschuh der anderen Kernhälfte gegenüberliegt liegen die beiden Kernhälften mit ihrem anderen Schenkel längs einer Schnittebene aneinander, die parallel zur Polrichtung liegt. Durch Verschiebung der beiden Kernhälften längs der Schnittebene gegeneinander Iä3t sich der Luftspalt zwischen den Polschuhen und einem von diesen umschlossenen Permanentmagnetrotor einstellen. Bei dieser Ausführungsform liegen sich jedoch die Polschuhe bzw. die Pole nicht in axialer Richtung, sondern in radialer Richtung des Rotors gegenüber.

Die Aufgabe der Erfindung -st es. einen mehrphasigen elektrischen Schrittmotor der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß der Schrittmotor bei Erzielung eines hohen Drehmoments einen kompakten und einfachen leicht zusammensetzbaren Aufbau erhält.

Diese Aufgabe wird bei einem Schrittmotor der eingangs genannten Art nach der Krfindung dadurch gelöst, daß die die Pole aufweisenden Statorkerne U- oder L-förmige Gestalt haben und jeweils zwei Statorkerne zweier axial gegenüberliegender Pole mit ihren außerhalb der Rotorzähne befindlichen Schenkeln miteinander zur Festlegung des Abstands zwischen den die Pole bildenden inneren Schenkeln der zwei axial gegenüberliegenden Statorkerne in Verbindung stehen und somit einen Teilstator bilden. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Infolge der erfindungsgemäßen U-förmigen Gestalt der Statorkerne sowie des Aufbaus eines Teilstators aus zwei einander gegenüberliegenden U-förmigen Statorkernen, die mit ihren außerhalb der Rotorzähne befindlichen Schenkeln in Verbindung stehen, ergibt sich zum einen ein relativ kurzer verlustarmer Weg des magnetischen Flusses, der zum anderen mit einer einfachen Anpassung an die erforderlichen axialen Luftspaltbreiten verbunden ist So können die Luftspaltbreiten beispielsweise mittels eines Abstandshalters zwischen den außerhalb der Rotorzähne befindlichen Schenkeln trotz einer Herstellung der Statorkerne mit üblichen Toleranzen auf einfache Weise sehr genau eingestellt und daher auch beliebig klein gewählt werden. Auf diese Weise ergibt sich ein Motor mit einem sehr hohen Wirkungsgrad, der darüber hinaus die Vorteile besitzt daß die Erregerwicklung leicht montiert und der gesamte Motor leicht zusammengesetzt werden können.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand von elf Figuren näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen elektrischen Schrittmotors,

Fig.2 einen Teil eines Umrisses des Rotors der Fig. 1,

Fig.3a und 3b schematisch eine Anordnung der Teilstatoren eines erfindungsgemäßen Schrittmotors.

F i g. 4 schematisch ein weiteres Beispiel einer Erregerwicklungsanordnung eines erfindungsgemäßen Schrittmotors,

F i g. 5 zeigt ein Beispiel eines Statorkerns eines erfindungsgemäßen elektrischen Schrittmotors;

F i g. 6 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel einer Anordnung der Teilstatoren und die

F i g. 7 bis 11 zeigen verschiedene Beispiele einer Konstruktion aus getrennten Statorkernen für die TeP,-statoren des erfindungsgemäßen Schrittmotors.

Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß auf einer Welle 1 mittels eines Befestigungsteiles 2 ein Rotor 3 mit einer Vielzahl von Rotorzähnen 4 befestigt ist. Die Rotorzähne 4 haben in axialer Richtung eine vorgegebene Dicke und sind in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen angeordnet, wobei sie radial ausgerichtei sind.

Der Teilstator 5 ist U-förmig ausgebildet. Die Endstücke 6 und 7 seiner Pole liegen in axialer Richtung einander gegenüber und lassen in axialer Richtung einen Spalt zwischen sich frei. Die gegenseitige räumliche Lage zwischen dem Teilstator 5 und dem Rotor 3 ist so gewählt daß die Rotorzähne 4 innerhalb des Spaltes liegen. Die Endstücke 6 und 7 der Pole des Teilstators 5 sind mit einer Vielzahl von Statorzähnen versehen, die die gleiche Teilung, wie die Rotorzähne 4 haben und, wie später beschrieben wird, einander gegenüberliegen.

An den Schenkeln 10 und 11 des Teilstators 5 sind Erregerwicklungen 8 und 9 vorgesehen. Wenn diese Erregerwicklungen 8 und 9 erregt werden, wird in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung ein Magnetfluß induziert. Der Rotor 3 verschiebt sich schrittweise in eine Lage, in der die Rotorzähne 4 den Statorzähnen des erregten Teilstators gegenüberliegen und mit diesen exakt fluchten. Der Rotor 3 ist in den Gehäusen 13 und 14 drehbar befestigt wobei die Welle 1 durch Lager 15 und 16 getragen wird.

Durch einen unmagnetischen Abstandshalter 17 wird der Teilstator 5 zwischen den Schenkeln starr a'jf Abstand gehalten. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, sind die radial vorstehenden Rotorzähne 4 in Umfangsrichtung in gleichmäßiger Teilung angeordnet.

In Fig.3a ist eine detaillierte Anordnung der Endstücke der Pole des Teilstators 5 dargestellt. Die Ausführungsform nach F i g. 3a ?cigt einen Dreiphasenschrittmotor, bei dem die drei Teilstatoren längs des Umfangs in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind. Von den drei Teilstatoren der betreffenden Phasen sind lediglich der Teilstator SA der /V-Phase und nur dessen Statorzähne -41 bis A4 im einzelnen dargestellt. Die anderen Teilstatoren haben ebenfalls eine Vielzahl von Statorzähnen, die in der gleichen Teilung wie die Rotorzähne angeordnet sind.

Es wird nun die Beziehung zwischen den Statorzähnen und Rotorzähnen der betreffenden Phasen an Hand der F i g. 3b erläutert

Wenn die Statorzähne des Teilstators SA der Λ-Phase exakt den Rotorzähnen gegenüberstehen, sind die

Statorzähne des Teilstators SB der ß-Phase im Vergleich zu den Rotorzähnen um '/3 der Teilung der Rotorzähne aus der Lage verschoben, in der sie den Rotorzähnen exakt gegenüberliegen. Die Statorzähne des Teilstatprs SC der C- Phase sind im Vergleich zu den Rotprzähnen um '/3 der Teilung der Rotorzähne in entgegengesetzter Richtung aus der Lage verschoben, in der sie exakt den Rotorzähnen gegenüberstehen.

Die Länge θ der Endstücke der Pole jedes Teilstators in Umfangsrichtung ist etwa 360°/n, so daß ein wirksames Ausgangsdrehmoment erzeugt wird, π bedeutet die Anzahl der am Umfang angeordneten Teilstatoren.

F i g. 4 zeigt ein weiteres Beispiel einer Anordnung der Erregerwicklung 18. die im mittleren Teil 19 des U-förmigen Statorkernes angeordnet ist In diesem Fall ist es möglich, zusätzlich zu dem in F i g. 4 dargestellten Fa.l Erregerwicklungen auf den Schenkeln 10 und 11 anzuordnen.

F i g. 5 zeigt ein Beispiel eines Teilstators mit vereinfachtem Aufbau. Die mit Statorzähnen ausgerüsteten Endstücke 20 und 21 der Pole sind als verschiedene Teile hergestellt und mit dem U-förmigen Jochteil 22 verbunden.

F i g. 6 zeigt ein weiteres Beispiel einer Anordnung der Teilstatoren. Dabei sind die Teilstatoren SAi und SA2 der Λ-Phase bezüglich der Mittelachse symmetrisch zueinander angeordnet Das gleiche gilt für die Teilstatoren SBi und SBl der B-Phase und die Teilstatoren SCi und SCZ der C-Phase Diese Anordnung der Teilstatoren ermöglicht es. die auf den Rotor einwirkenden Kräfte auszugleichea Im Falle dieses Beispiels haben die Statorzähne der Teilstatoren der beireffenden Phase die gleiche Phasenbeziehung zu den entsprechenden anderen Phasen, wie im vorher beschriebenen Fall.

Die bisher beschriebenen Beispiele betreffen den Fall dreier Phasen. Selbstverständlich ist es möglich, die Anzahl der Phasen zu erhöhen oder zu verringern. Wenn die Anzahl der Phasen als m bezeichnet wird, müssen die Statorzähne der Teilstatoren bezüglich der Rotorzähne zwischen den verschiedenen Phasen um jeweils l/m der Teilung verschoben werdea In den F i g. 7 bis 11 sind verschiedene Beispiele von Teilstatoren für den erfindungsgemäßen Schrittmotor dargestellt

F i g.7 zeigt ein Beispiel, bei dem U-förmige Statprkerne durch Ebenen 23 und 24 unterteilt siftd, die mit den entsprechenden Endflächen der Endstücke 6 und 7 der Pole fluchten.

Zwischen die Ebenen 23 und 24 ist ein Abstandshalter 25 eingefügt Fi g. 8 zeigt einen längs der Mittellinie 26 des Mittelteils unterteilten Teilstator. Fig.9 zeigt einen durch Ebenen 27 und 28 unterteilten Teilstator, die mit den entsprechenden inneren Flächen der Schenkel 10 und U fluchten. In den mittleren Teil ist ein Abstandshalter 29 eingefügt F i g. 10 zeigt ein Beispiel, bei dem der Teilstator zusätzlich zu dem in F i g. 9 dargestellten Fall an den Endstücken der Pole durch Ebenen 30 und 31 getrennt ist Fig. U zeigt ein Beispiel, bei dem der Teilstator nur längs der Fläche 32 unterteilt ist. die mit der Innenfläche des Schenkels 11 fluchtet.

Es wird nun die Arbeitsweise des beschriebenen Schrittmotors erläutert

Wenn bei dem Schrittmotor nach F i g. 3a die Wicklung WA des Teilstators der Λ-Phase erregt wird, dreht sich der Rotor in eine Lage, in der die Rotorzähne den Statorzähnen des Teilstators SA gegenüberliegen und mit diesen fluchten. Sodann wird die Wicklung WB der B- Phase dadurch erregt daß ihr ein elektrischer Strom zugeführt wird, während gleichzeitig die Erregung der A-Phase unterbrochen wird Der Rotor dreht sich in eine Lage, in der die Rotorzähne den Statorzähnen des Teilstators der B- Phase gegenüberliegen und mit diesen fluchten. Wenn dann die Wicklung WC der C Phase erregt wird, während gleichzeitig die Erregung der B-Phase unterbrochen wird, dreht sich der Rotor in eine Lage, in der die Rotorzähne den Statorzähnen des Teilstators der C-Phase gegenüberliegen.

Zusätzlich zu der erwähnten Erregungsmethode isi es natürlich möglich, die bekannte Zweiphasen-Einpha sen-Erregungsmethode oder irgendeine andere Metho de zum Antreiben des erfindungsgemäßeu Schrittmo tors anzuwenden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Mehφhasjger elektrischer Schrittmotor mit einem einzigen auf einer Welle befestigten Rotor. «η dessen Umfang in gleichen Abständen eine Vielzahl von radial vorstehenden Rotorzähnen angeordnet sind, sowie mit mehreren, die Erregerwicklung tragenden Statorkernen mit sektorförmigen Polen, die jeweils eine Anzahl von in derselben Teilung wie die Rotorzähne angeordneten Stator-Zähnen enthalten, wobei die Statorzähne von gegenüberliegenden Polen den Rotorzähnen in axialer Richtung beidseitig gegenüberliegen und die Stator-Kähne jeweils in Umfangsrichtung aufeinanderfolgender Pole bezüglich der zugeordneten Rotorzäh-•e räumlich verschoben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die die Pole (6. 7; 20, 21) aufweisenden Statorkerne (10,11) ü- oder L-förmige Gestalt haben und jeweils zwei Statorkerne zweier axial gegenüberliegender Pole mit ihren außerhalb der Rotorzähne (4) befindlichen Schenkeln miteinander zur Festlegung des Abstands zwischen den die Pole bildenden inneren Schenkeln der zwei axial gegenüberliegenden Statorkerne in Verbindung stehen und somit einen Teilstator (5: SA, SB. SQ bilden.

2. Mehrphasiger elektrischer Schrittmotor nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die äußeren Schenkel j.weier einander gegenüberliegender U- oder L-förmiger Statorkerne (10, 11) und/oder die Pole (6, 7) ein Abstandshalter (25; 29; 17) eingesetzt ist.

3. Mehrphasiger elektrischer Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der zu einem Teilstator (5; SA. SB. SC gehörigen U- oder L-förmigen Statorkerne (10, 11) mindestens eine Erregerwicklung (8, 9; WA.WB. WQ trägt, die derartig miteinander verbunden sind, daß sie die gleiche elektrische Phase ergeben.

4. Mehrphasiger elektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel jedes U-förmigen Statorkerns (10, If) gleich lang sind.

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