DE2136531A1 - - Google Patents

Description

"Rotor für Schrittschaltmotoren"

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere in der Form eines als Schrittschaltmotor zu verwendenden Elektromotors, der in der Lage ist, einzelne kleine Schritte auszuführen. Solch· Motoren haben eine weit verbreitet· Anwendung gefunden, ieit sie in der L&ge sind, auf Eingangsimpulse anzusprechen. Viele elektrische Geräte erzeugen einen impulsförmigen Ausgangsstrom. Die Frequenz oder die Grosse der Impulse stellen die gewünschte Information dar, und der mit ihnen gespeiste Schrittschaltmotor wird in Übereinstimmung mit dieser Information betätigt, die die Impulse enthalten. Solche Motoren müssen natürlich in der Lage sein, Schritte auszuführen, die den

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vernaltnismässig hohen Pulsfrequenzen entsprechen; um hier noch genau zu arbeiten, ist es nötig, dass sie auch in den vorbestimmten Intervallen zwischen den Impulsen stillstehen, so dass die Bewegung des Motors genau den eingespeisten Impulssignalen entspricht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schrittschalt— motoren in dieser Hinsicht zu verbessern. Dies gilt sowohl für Motoren, die einen Rotor mit permanentem Magneten verwenden als auch für Motoren, deren Rotor keinen permanenten Magneten aufweist, sondern mit einem Rotor variabler Reluktanz (variabler magnetischer Widerstand) arbeiten, oder mit kombinierten Rotoren solcher Art.

In der Anwendung auf Rotoren mit Permanentmagneten bietet die Erfindung den prinzipiellen Vorteil, die Tendenz des Rotors, demagnetisiert zu werden, zu verringern. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rotor mit einer verhältnismässig dünnen Schicht leitenden Materials bedeckt oder plattiert, das vorzugsweise Kupfer ist. Der magnetische Fluss der Statorwindungen schneidet diese Bedeckung und induziert Wirbelströme in ihr, die eine gegenelektromotorische Kraft erzeugen, die den Demagnetisierungseffekt des Permanentmagnetrotors zu vermindern trachtet.

Ein zusätzlicher und noch wichtigerer Vorteil der Erfindung iat der, dass durch sie die Dämpfungseigenschaften des Rotors verbessert werden. Daher arbeitet dieser genauer in Abhängigkeit von den Impulsen und kommt zwischen den Impulsen zum Stillstand, ohne über den Halt hinauszusohiessen oder durchzulaufen· Dieser Vorteil wird sowohl bei Rotoren mit Permanentmagneten als auch mit variabler Reluktanz erreicht.

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Bei Anwendung der Erfindung auf Rotoren ohne Permanentmagneten, also auf solche mit variabler Reluktanz, kann der Rotor im allgemeinen noch zylindrisch bleiben. Er ist hierbei aber so geformt, dass er hervorspringende Pole aufweist, die sich längs über den Rotor hin erstrecken. Der Rotor selbst kann aus weichem magnetischen Flußstahl bestehen. Mit den durch den besonderen Querschnitt des Rotors gebildeten Polen zusammen weist der Rotor ein gut elektrisch leitendes Material auf, wie Kupfer oder Aluminium, das sich in der Längsrichtung des Rotors erstreckt und in Kontakt mit den hervorspringenden Polen steht. Dieses Material bildet eine Rotorwindung, indem es an den Enden des Rotors gemeinsame Verbindungen hat, wie dies später im einzelnen beschrieben wird.

In dem den Polen beigefügten leitenden Material werden gegenelektromotorische Kräfte erzeugt, die dieselbe Wirkung haben wie vorher beschrieben, so dass der Dämpfungseffekt verbessert wird, wie dies später im einaänen dargelegt werden wird.

Ein erstes Ziel der Erfindung ist es also, insbesondere bei Schrittschaltmotoren Verbesserungen zu erzielen, indem der Rotor mit einer ausseren Hülle oder Plattierung aus leitendem Material, wie Kupfer, versehen wird, so dass der Dämpfungseffekt der Motorbewegung verbessert wird.

Weiter werden, wie schon dargelegt, Verbesserungen bei Motoren mit permanentmagnetischen Rotoren dahingehend angestrebt, die Demagnetisierung des Permanentmagneten zu vermindern.

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Weiterhin werden verbesserte Oämpfungseigenschaften bei Rotoren vom Typ variabler Reluktanz in Schrittschaltmotoren erstrebt, indem der Rotor so ausgebildet wird, dass er im gleichmässigen Abstand hervorspringende Pole aufweist, denen leitendes Material zugefügt ist, derart, dass Wirbelströme in dem Material erzeugt werden, die eine gegenelektromotorische Kraft induzieren, die die Dämpfungseigenschaften verbessert. Weitere hiermit in Verbindung stehende erfinderische Schritte bestehen in besonderen Konstruktionen dieses lei- ^ tenden Materials, wie vollständige Plattierung des Rotors oder Einfügung des leitenden Materials zwischen die hervorspringenden Pole oder Längserstreckung des leitenden Materials innerhalb der Pole. Weiterhin kann gemäss der Erfindung der Dämpfungseffekt noch verbessert werden, indem Endstücke am Rotor angebracht werden, die im Kontakt mit dem sich längserstreckenden leitenden Material stehen und sich radial erstreckende Verbindungen zwischen dem axial verlaufenden Material bilden.

Weitere Einzelheiten und zusätzliche Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung zu ersehen, die die Erfindung an einzelnen Ausführungsbeispielen anhand der ) Zeichnungen erläutert.

In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Form eines Motors, bei der die Erfindung anzuwenden ist;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Rotors des in Fig. 1 dargestellten Motors;

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Fig. 2a und 2b einen gemäss der Erfindung überzogenen gezahnten Rotor mit U-förmigen Einschnitten zwischen den Zähnen;

Fig. 2c und 2d einen gemäss der Erfindung überzogenen gezahnten Rotor mit V-förmigen Einschnitten zwischen den Zähnen;

Fig. 3 einen diagrammatisch dargestellten Verlauf des Flusses relativ zum Rotor;

Fig. 4a, 4b, 5a, 5b, 6a und 6b graphische Erläuterungen der verbesserten Dämpfungseigenschaften;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines Rotors mit Permanentmagneten mit einem Kupferüberzug und Kupferendringen;

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines ähnlichen Rotors mit konischen Endscheiben;

Fig. 9 einen Querschnitt des Rotors nach Fig. 8;

Fig. 10 eine perspektivische teilweise geschnittene Darstellung eines Rotors vom variablen Reluktanz-Typ;

Fig. 11 einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform eines solchen Rotors;

Fig.11a und 11b einen gezahnten Rotor mit Aluminium in den Einschnitten zwischen den Zähnen;

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Fig. lic und lld ebenfalls einen gezahnten Rotor mit Aluminium in den Einschnitten zwischen den Zähnen;

Fig. 12 eine perspektivische Darstellung eines anderen Rotors vom variablen Reluktanz-Typ und

Fig. 13 eine perspektivische Darstellung der Anfügung von Endringen an den Rotoren nach den Fig. 10, 11 und 12.

Nach der als Beispiel gezeigten Ausfuhrungsform gemäss Fig. enthält der Motor ein im allgemeinen zylindrisches Gehäuse 10. Am Ende 12 dieses Gehäuses befindet sich eine Bohrung mit einem in üblicher Weise ausgeführten Kugellager 18 mit Laufring und Kugeln. Das Kugellager ist durch einen Sprengring 21 gehalten, der in einer ringförmigen Vertiefung 22 in der Bohrung 16 sitzt. Achse 28 ist drehbar im Lager 18 und am anderen Ende imLager 18' gelagert.

Am anderen Ende des Motorgehäuses 10 befindet sich ein Deckel 31 mit einer aussen abgeschrägten Kante 32. Er wird an diesem Ende des Gehäuses 10 in einer Ausbohrung 33 gehalten. Der Deckel 31 hat eine Bohrung 16, in der ein zweites Kugellager 18* mit üblichen Laufringen und Kugeln untergebracht ist. Dieses Kugellager wird an seinem Platz durch einen Sprengring 21· gehalten, der in einer ringförmigen Vertiefung 22' in der Bohrung 16' im Deckel 31 sitzt. Ein nicht magnetisches zylindrisches Abstandsstück 47 sitzt zwischen dem Lager 18' und der Buchse 34 auf dem Rotorschaft.

Ein ähnlicher nicht magnetischer zylindrischer Abstandshalter 51 ist zwischen dem Lager 18 und der Buchse 38 eingepasst, die ebenfalls auf dem Rotorschaft 28 sitzt.

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Der Stator ist in Lamellenbauweise ausgeführt, wie bei 40 in Fig. 1 angedeutet. Er ist von zylindrischer Gestalt und hat nach innen sich erstreckende Pole, an Zahl z.B. acht, -wie in der US-PS 3,428,837 dargestellt. Die Pole haben vergrösserte bogenförmige Endflächen und umspannen die Peripherie des Rotors. Die Polflächen können auch axiale Zähne aufweisen, wie das in Schrittschaltmotoren üblich ist.

Der Rotor 42 wird auf dem Schaft 28 mittels der Buchsen 34 und 38 sowie dem Bolzen 44 festgehalten, der diametral durch den Rotor 42 und eine Öffnung 50 im Schaft 28 durchgesteckt ist. Der Rotor 42 ist ein Dauermagnet und ist rings herum mit Kupfer plattiert. Wie aus Fig. 3 klarer ersehen werden kann, ummantelt die Eupferschicht 52 den Permanentmagnet-Rotor vollständig. Die Plattierung bzw. Ummantelung kann 0,025 bis 0,6 mm dick sein, evtl. auch dicker$ je nach Grosse des Rotors. Die Bemessung soll so gewählt sein, dass die Ummantelung einen geringen Widerstand für Wirbelströme bietet, und die Dicke kann so variiert werden, dass optimale Ergebnisse erzielt werden.

Die Figuren 2a und 2b zeigen einen ummantelten gezahnten Rotor, bei dem die Vertiefungen zwischen den Zähnen U-förmig geformt sind, und die Figuren 2c und 2d einen ähnlichen Rotor, bei dem die Vertiefungen ungefähr V-förmig geformt sind. Diese Form wird durch zwei Involuten erzielt. Die Vertiefungen können aber auch beliebige andere Formen haben.

Im Betrieb des Schrittschaltmotors nach der Erfindung veranlasst ein Aufbau des Statorfeldes durch einen ausseren Gleichstrom die Rotation des Permanentmagnet-Rotors 42„ Da der Permanentmagnet-Rotor von Kupfer ummantelt ist, erzeugt seine Rotation in dieser Ummantelung Wirbelströme. Bekanntlich werden Wirbelströme durch die Bewegung einer Metallmasse

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in einem magnetischen Feld erzeugt. Diese induzierten Ströme zirkulieren durch das Metall; während des Betriebs des Schrittschaltmotors wird ein Magnetfluss so wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt zwischen den Nord- und Südpolen des Permanentmagnet-Rotors 42 entwickelt. Der so erzeugte Magnetfluss strebt im allgemeinen danach, den Permanentmagneten 42 zu demagnetisieren. Da aber der Permanentmagnet-Rotor 42 mit Kupfer ummantelt ist, wirken die in diesem erzeugten Wirbelströme bremsend bzw. als Barriere, so dass die Flussdichte reduziert wird und damit die Entmagnetisierung verringert wird, die der Magnet sonst durch das aufgebaute w Magnetfeld erleiden würde.

Die Kupferummantelung bzw. Plattierung verbessert auch die Dämpfungseigenschaften des Motors, wie dies in den graphischen Darstellungen in den Figuren 4a bis 6b gezeigt ist. Es handelt sich hier um oszillographisch gewonnene Kurven. Es sind in den Figuren 4, 5 und 6 verschiedene oszillographische Maßstäbe gewählt; die mit a bezeichneten Figuren gelten für einen typischen Standardrotor ohne metallische Umkleidung, die mit b bezeichneten Figuren für einen Rotor mit einer solchen Umkleidung gemäss der Erfindung.

. Die Kurven zeigen die Bewegung der Rotorstellung, wenn er pulsgespeist bzw. zu einem Schritt angestossen wird· Aus den b-Kurven ist klar zu ersehen, dass die Dämpfungscharakteristik verbessert ist, d.h., dass die Kupferummantelung eine magnetische Kraft erzeugt, die den Rotor veranlasst, seine befohlene Stellung zu suchen, zu ihr zurückzukehren und in ihr zu verharren. Dies ist die nächste Stellung, die eingenommen werden muss, wenn eine neue Spule oder ein neuer Satz von Spulen gespeist worden ist.

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Fig. 7 zeigt einen Rotor 60 in einer abgewandelten Form. Er hat eine Kupferbedeckung bzw. Plattierung 52, wie bei der vorbeschriebenen Ausführung, aber er hat ausserdem zylindrische Endringe 64 aus Kupfer, die die Kantenteile der zylindrischen Kupferummantelung über den Durchmesser des Rotors hinweg verbinden. Diese Konstruktion trägt noch zur Bildung von Wirbelströmen in der Ummantelung und in den Endringen bei und vergrössert das gewünschte Resultat. Die Figuren 8 und 9 zeigen einen ähnlichen Rotor, der in diesem Falle kupferne Endscheiben 70 hat, die ähnlich wirken wie der Ring 64 in Fig. 7· Diese Endscheiben sind vorzugsweise nach innen konusförmig eingebeutelt, wie dargestellt. Anstatt Scheiben oder Konussen, wie sie gezeigt sind, können auch massive konische Endstücke aus Kupfer verwendet werden, die mit den peripheren Ecken der zylindrischen Kupferverkleidung in Verbindung treten.

Die Figur 10 zeigt einen Rotor 72 vom veränderlichen Reluktanz-Typ, der im Prinzip einen zylindrischen Querschnitt hat. Dieser Rotor kann aus weichem magnetischem Flußstahl hergestellt sein. Die Querschnittsdarstellung des Rotors zeigt, dass er hervorspringende Pole Tk hat, die untereinander gleichen Abstand besitzen. Der Rotor einschliesslich der hervorspringenden Pole hat eine Bedeckung 76 aus elektrisch leitendem Material, wie Kupfer, genau wie in den vorher gezeigten Beispielen. Die Wirkung der Konstruktion nach Fig. ist dieselbe wie bei den vorher gezeigten Ausführungsbeispielen in dem Sinne, dass Wirbelströme in der Ummantelung induziert werden, so dass die Dämpfungseigenschaften verbessert werden. Auch Endscheiben 64 können bei diesem Rotor verwendet werden.

Die Fig. 11 zeigt eine abgewandelte Form mit einem Rotor 72* gleich dem nach Fig. 10, jedoch mit dem Unterschied, dass er

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keine Kupferverkleidung hat, sondern dass die Zwischenräume zwischen den hervorspringenden Polen 74' von im allgemeinen dreieckiger Form mit einem festen leitenden Material ausgefüllt sind, z.B. Aluminium, wie bei 77 angedeutet. Diese Aluminiumstreifen oder -stäbe sind an den Enden des Rotors durch Ringe aus gleichem Material verbunden, wie dies auch in Fig. 7 gezeigt war. Auch mit einer solchen Konstruktion wird das angestrebte erfinderische Ziel erreicht.

Die Fig. 11a und lib zeigen einen Rotor 72a, der dem Rotor 42' nach den Figuren 2a und 2b gleich ist, mit Aluminiummaterial 77 in den Vertiefungen zwischen den Zähnen. Die Fig. lic und lld zeigen einen Rotor 72b gleich dem Rotor 42" nach Fig. 2c und 2d mit Aluminiummaterial in den Vertiefungen zwischen den Zähnen. Diese Motoren zeigen dieselben Charakteristiken wie die des Motors nach Fig. 11.

Fig. 12 zeigt eine andere Form eines Rotors nach der Erfindung. Dieser Rotor 72" hat acht Pole 74". In der Längsrichtung jedes Poles ist ein Stab von gut leitendem Material wie Kupfer mit Bezugszeichen 78 eingezogen. Diese Stäbe sind an ihren Enden durch Kupferringe oder eine Platte 64 verbunden, um der Wirkung nach eine Rotorwindung zu erzeugen, in der elektromotorische Kräfte induziert werden, ähnlich wie in den vorher gezeigten Ausführungsbeispielen·

Fig. 13 zeigt einen Rotor gleich dem nach den Fig. 10, 11 und 12 und veranschaulicht die Kombination mit Endringen 64 aus Kupfer, die an den Enden die leitende Ummantelung der vorspringenden Pole verbinden.

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Claims (12)

1. - ii -

   PATENTANSPRÜCHE;

   Elektromotor mit einem Stator und Feldwindungen sowie einem gegenüber dem Stator rotierenden Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass dem Rotor in seiner axialen Längserstreckung ein Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit und verhältnismässig geringer magnetischer Permeabilität beigefügt ist, derart, dass in diesem Metall Wirbelströme induziert werden.
2. 2. Motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kupfer als beigefügtes Metall.
3. 3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall auf den Rotor aufplattiert ist.
4. 4. Motor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Plattierung 0,02 bis 0,6 mm beträgt.
5. 5. Motor nach Anspruch 3$ gekennzeichnet durch einen Permanentmagneten als Rotor.
6. 6. Motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Rotor vom variablen Reluktanz-Typ.
7. 7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor in seiner axialen Längserstreckung hervorspringende Pole aufweist, und dass das Metall in Kontakt mit diesen Polen ist.
8. 8. Motor nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass das Metall auf den Rotor aufplattiert ist.

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9. 9. Motor nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass das Metall in die Räume zwischen den hervorspringenden Polen eingebracht ist.
10. 1Oo Motor nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass das Metall in Form von Stäben in Längsrichtung in die hervorspringenden Pole eingezogen ist.
11. 11. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in Längserstreckung auf dem Rotor aufgebrachte Metall und Metallstücke hoher elektrischer Leitfähigkeit an den Enden des Rotors miteinander in Kontakt stehen.
12. 12. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor gezahnt ist.

    13* Motor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall in den Räumen zwischen den Zähnen des Rotors untergebracht ist.

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