DE2147361B2 - Elektrischer schrittmotor - Google Patents

Description

pie Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schrittmotor mil zumindest acht am Statorumfang gleichmäßig verteilt angeordneten, mit Zähnen versehenen und mindestens eine Erregerwicklung aufweisenden Einzelpolen, mit einem innerhalb des Stators angeordneten Rotor, dessen Zähne den Zähnen der Statorpole gegenüber liegen und eine zum Stator unterschiedliche Zahnteilung aufweisen, und mit Schaltgliedem zur zyklischen Erregung der Wicklungen in einer Vierschrittfolge, derart, daß sich im Motor ein aus mehrerer getrennten Bereichen

ίο bestehendes Magnetfeld zum Anziehen der an den Statorzähnen angrenzenden Rotorzähne ausbildet.

in der USA.-Patentschrift Re 25 445 wird ein Schrittmotor beschrieben mit einem Rotor mit fünfzig Zähnen und einem Stator mit acht echten

Polen, wobei die Pole ebenso mit Zähnen ausgebildet sind, jedoch mit einer Zahnteilung von 48. Jeder der Pole besitz; eine Wicklung, wobei die Wicklungen von 4 verschiedenen Polen zur Bildung einer Phase untei einander verbunden sind und die Wicklungen der verbleibenden vier dazwischenliegenden Pole ebenso untereinander zur Bildung einer zweiten Phase verbunden sind. Durch Erregung der Phasen gemäß einer Vier-Schritt-Folge rückt der Rotor um ein Viertel einer einzigen Rotorzahn-Teilung bei jedem Schritt der Folge vor, was in diesem Fall 1,8^J entspricht. Der Statoraufbau ist somit durch 8 Pole mit 5 Zähnen pro Pol gut ausbalanciert, wobei noch mit je einer Zahnstellung im offenen Schlitz zwischen zwei Polen zu rechnen ist. Jeder Schritt des Motors besitzt im wesentlichen gleiche Größe und gleiches Drehmoment.

Für eine entsprechende Größe der Bewegung bei jedem Schritt ist es notwendig, daß die acht wirklichen Pole derart verbunden sind, daß ein Drehfeld mit vier Magnet-Polen entsteht, wobei die Erregung der Pole für einen Schritt der Vier-Schrittfolge eine elektrische Drehung des Feldes um 9O³ bewirkt. Die vier Schritte in der Folge erzeugen einen vollen Umlauf des Magnetfeldes des Stators und lassen die Pole im ersten Schritt der nächsten Fo'ge das gleiche Magnetfeld besitzen wie beim ersten Schritt der vorausgegangenen Folge. Demgemäß benötigt der Rotor fünfzig (Zähne) mal vier (Schritte pro Folge) oder zweihundert Schritte von 1,8°, um eine Umdrehung zu vollführen

Unter Anwendung dieser Prinzipien, vier echte Stator-Pole für die Bildung eines Drehfeldes mit zwei Magnet-Polen zu verwenden und für jedes Magnetpol-Paar eine Zahndifferenz von einem Zahn zu haben, ist es für die Schaffung eines Motors mit einer Differenz von drei Zähnen zwischen Stator- und Rotor-Teilung notwendig, einen Motor, dessen Drehfeld sechs Magnet-Pole aufweist, vorzusehen, womit demgemäß zwölf echte Pole benötigt würden.

Die Differenz von drei Zähnen ermöglicht es, einen Rotor mit einer anderen Anzahl von Zähnen zu verwenden, und erbringt somit auch eine andere Bewegungsgröße bei jedem Schritt. Andererseits ist es aber auch möglich, eine unterschiedliche Bewegungsgröße unter Beibehaltung der Zwei-Zahn-Differenz durch eine Veränderung der Zahnteilung am Stator zu erhalten.

Wenn beispielsweise ein Schrittmotor mit 2° pro Schritt bei einer Vierschritt-Erregungsfolge hergestellt werden soll, würde in einer speziellen Ausführungsform eine solche Bewegung einen Rotor mit fünfundvierzig Zähnen benötigen. Die Anzahl der Rotorzähne bestimmt zweckmäßigerweise die Anzahl der

Schritte pro Umdrehung, und zwar Rotorzähne mal 4 bei einer 4-Schritt-Folge. Wird ein Stator mit acht echten Polen verwendet, dann müßte dieser entweder 43 oder 47 Zähne haben, während, wenn ein Stator mit zwölf echten Polen verwendet wird, dieser 48 Zähne haben muß. Im ersteren Fall ergibt die Anzahl der Statorzähne bei Verwendung von acht Polen eine etwas ungünstige Konfiguration der Stator-Zähne (4^:1/s bzw. 4⁷/s Zähne), da keine der Zahier. ,. ich Abzug der Schlitze durch acht teilbar ist, wähl .ad im letzteren Fall der Pol, obwohl auf leichte Weise vier Zähne pro Pol anwendbar sind, in Umfangsrichtung etwas klein wird, wobei ein größerer Teil des Stators demgemäß ohne Zähne ist. So müßte in beiden Fällen unter Zugrundelegen der vorliegenden Prinzipien ein Stator geschaffen werden, der in seiner Bauweise wesentliche Unterschiede zu den zur Zeit üblich verwendeten Statoren aufweist, um die gewünschte Grad-Zahl e^; ier Bewegung bei jedem Schritt zu erhalten.

F.S ist also nicht ohne weiteres möglich, in einen für 1.8 -Schritte geschalteten Stator mit 48 Zähnen einen Rotor mit 45 Zähnen einzusetzen. Dies würde dazu führen, daß die einzelnen Schritte mit ungleichen Winkeldrehungen und mit unterschiedlichen Drehmomenten ausgeführt werden würden.

Die Schritt-Teilung pro Umdrehung wird nämlich neben der Anzahl der Erregungswechsel und der Rotorzähne auch durch die Magnetfelder bestimmt, die vom Stator gebildet werden und auf den Rotor wirken. Soll aber ein Stator mit 8 echten Polen zu einer Magnetfeldbildung verwendet werden, die 12 Pole fordern würde, so müssen eine geeignete Magnetfeldbildung und deren entsprechende Folge am Stator gefunden werden.

Es ist Jäher Aufgabe der Erfindung, einen Schrittmotor zu schaffen, mit dem unter Beibehaltung der Statorausführung und der Vierschri'terregungsfolge nur durch Austausch des Rotors gegen einen mit einer anderen Zähnezahl eine unterschiedliche Schrittanzahl pro Umdrehung bei gleicher Größe der Bewegung für jeden Schritt erreicht werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe, ausgehend von einem elektrischen Schrittmotor der eingangs genannten Art, dadurch gelöst, daß der Unterschied in der Zahnteilung einer Zähnezahldifferenz von drei Zähner· entspricht und daß bei Erregung der Wicklungen ein unsymmetrisches Magnetfeld mit drei getrennten Bereichen entsteht, dessen erster Bereich aus zwei benachbarten erregten Polen gebildet ist und dessen zweiter und dritter Bereich jeweils nur einen Einzelpol umfassen und zumindest ein nichtanziehender Pol zwischen dem ersten und jedem der anderen Bereiche vorhanden ist.

In einer Ausführungsform nach der Erfindung befindet sich auf der Rotorwelle ein axial angeordneter Permanentmagnet, der von zwei voneinander getrennten Endkappen umgeben ist, die auf ihrer zylindrischen Umfangfläche die Rotor-Zähne aufweisen. In einer anderen Ausführungsform des Schrittmotors wird bei gleicher Bauweise des Stators im Rotor kein Permanentmagnet verwendet, sondern der Rotor besteht aus einem langgestreckten zylindrischen Außenring, welcher mit Zähnen ausgeformt ist, die sich der Länge nach am äußeren Umfang erstrecken. In beiden Ausführungfsormen der Erfindung ist die Zahnteilung des Rotors derart gewählt, daß eine gewünschte Bewegung für jeden Schritt bei einer Vierschri:ifolge erreicht wird, wobei der Stator eine Zahnteilung besitzt, durch die eine Differenz von drei Zähnen zwischen Rotor und Stator gegeben ist.

Im Zusammenhang mit der Ausführungsform der Erfindung mit einem Permanent-Magneten werden die acht Wicklungen der Pole zu vier Polen in einer Zweiphasen-Konfiguration verbunden, während die Ausführungsform der veränderlichen Reluktanz (kein Permanentmagnet im Rotor) vier Phasen besitzt, wobei je zwei Pol-Wicklungen eine Phase bilden. In beiden Ausführungsformen sind die Verbindungen der Wicklungen der Stalorpole derart, daß für jeden Schritt zumindest vier Pole, d. h. deren Wicklungen, erregt werden, wobei zwei der Pole nebeneinander und die anderen zwei magnetisierten Pole getrennt voneinander liegen.

Ein Pol ist dann zur Anziehung bestimmt, wenn seine Polarität derart ist, u..J> der dem Pol benachbarte Teil des Rotors angezogen wird, und er ist für eine Anziehung nicht bestimmt, wenn seine Wicklungen den Pol nicht magnetisieren oder wenn die induzierte magnetische Polarität die gleiche wie die des dem Pol gegenüberliegenden Rotor-Teils ist. wobei dann eine Abstoßung statt einer Anziehung erfolgt.

In allen Ausführungsformen des Motors wird das Slatorfeld durch vier erregte Pole des Stators erzeugt, und es ist unsymmetrisch, weil drei Anziehungs-Bereiche entstehen, wobei ein Bereich aus zwei nebeneinanderliegenden Polen und jeder der beiden anderen Bereiche aus einem einzelnen Pol besteht. Während die Bereiche nicht gleichmäßig um den Rotor verteilt liegen, ist die Summe der durch die Anziehungs-Bereiche hervorgerufenen Kräfte im wesentlichen ausgeglichen, um eine siabile Lage zu bewirken. Jeder Schritt hat trotz der unterschiedlichen Pole die gleiche Unsymmetrie der Anziehungsbereiche, womit die Größe der Bewegung für jeden Schritt ebenso gleich ist.

Mit vorliegender Erfindung wird also erreicht, daß der gleiche Stator für einen 2°-Schritt-Motor verwendet werden kann, der auch in einem 1,8°-Schritt-Motor verwendet wird, wenn nur die Erregungsfolge der Stator-Wicklungen entsprechend verändert wird.

Dabei sind Schritte gleicher Länge und gleichen Drehmomentes durch die ausgewogene Balance des Stators sichergestellt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der neue Motor sehr wirtschaftlich herzustellen ist, da nur die Endkappen am Rotor ein neues Bauteil gegenüber den anderen Motorteibn darstellen. Ein fest installierter Motor kann also für verschiedene Schrittgrößen durch einfaches Austauschen des Rotorteils mit den Zähnen und durch Umschalten der Erregungsschaltung verwendet werden.

Das Erregungskonzept ist derart einheitlich, daß dieses auch bei vielen anderen Motoren Anwendung finden kann, bei denen unterschiedliche Schrittanzahlen pro Umdrehung gewünscht werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Ausführungsform eines Schrittmotors nach der Erfindung,

F ί g. 2 eine schematische Ansicht des Stators und des Rotors mit den Polen,

F i g. 3 ein Schaltbild der Wicklungsverbindungen d^as in P i g. 1 gezeigten Ausführungsform,

F i g. 4 eine schematische Darstellung der ma- es der Teil 16-1 α zeigt, nach unten weisen, während gnetischen Polaritäten und der sich ergebenden diejenigen Teile, die bei Erregung einen S-PoI inVektoren des Magnetfeldes, das durch die Erregung duzieren, ihre Schleifen nach oben gerichtet haben, der Wicklungen nach einer Vierschritt-Folge hervor- wie dies der Teil 16-1 b zeigt, gerufen wird, 5 Die Wicklungen liegen in vier einzelnen Phasen

F i g. 5 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, 24 a, 24 a', 24 b und 24 b', wobei in jeder Phase Teileiner weiteren Ausführungsform eines Schrittmotors, wicklungen von vier Polen liegen, so daß, wenn eine vergleichbar mit einem Typ mit veränderlicher Re- Phase erregt wird, vier Pole magnetisiert werden, luktanz, wobei vorliegende Erfindung angewendet ist, Wird die Phase 24 α erregt, so entstehen an den

Fig. 6 ein Schaltbild der Wicklungsverbindungen io Polen 15-2 und 15-7 iV-Pole und an den Polen 15-3

des in Fig. 5 gezeigten Motors, und 15-6 S-PoIe. Bei Erregung der anderen Phasen

F i g. 7 eine schematische Darstellung der ma- rufen die Wicklungen dieser Phasen durch Induktion

gnetischen Polaritäten der Stator-Pole und der sich eine magnetische Polarität in ihren dazugehörigen

ergebenden Vektoren des Magnetfeldes bei Erregung Polen hervor, wobei diese von dem Windungsgang

der in Fig. 6 gezeigten Wicklungen nach einer Vier- 15 der Wicklungen abhängt, wie schematisch in Fig. 3

schritt-Folge, gezeigt ist.

F i g. 8 ein Schaltbild einer anderen Ausführungs- Zur Steuerung der Erregung der Wicklungen ist

form der Wicklungs-Verbindungen des in F i g. 5 ge- eine Gleichstrom-Quelle vorgesehen, beispielsweise

zeigten Motors und eine Batterie 25, zu welcher die Phasen parallel ge-

Fig. 9 ähnlich zu Fig. 7 eine schematische Dar- 20 schaltet sind, und eine wahlweise Erregung der stellung der magnetischen Polaritäten der Pole und Phasen wird durch Schaltglieder erreicht, die jeweils der sich ergebenden Vektoren des Magnetfeldes, das vor jede Phase geschaltet sind, durch die Erregung der in Fi g. 8 gezeigten Wicklun- Dv Erregung der hier beschriebenen Ausführungsgen nach einer Vierschritt-Folge hervorgerufen wird. form des Motors ist eine Vierschritt-Folge, wie sie in

Der Motor nach der in F i g. 1 gezeigten Aus- 25 anderen ähnlichen Motoren verwendet wird, und sie

führungsform ist im ganzen mit dem Bezugszeichen besteht aus einer Erregung zweier Phasen zur

10 bezeichnet und weist einen Stator 11, einen Rotor gleichen Zeit in der zyklischen Folge 24 a und 24 b;

12 und ein Gehäuse 13 auf. Wie gezeigt ist, besteht 24 a und 24 b'\ IAa und 24 0'; 24 a' und 24 p; 24 a

der Stator 11 aus einer Schichtung von gleichartigen und 24 Z? usw. für eine Drehrichtung des Rotors; ist

Lamellen 14, welche derart geformt sind, daß sie 30 die Folge umgekehrt, dann dreht sich auch der Rotor

acht gleichgeformte und in gleichen Abständen zu- in entgegengesetzter Richtung,

einander angeordnete, nach innen gerichtete Pole In Fig. 4 sind die Polaritäten der Pole für jeden

15-1 bis 15-8 (Fig. 2) bilden. Jeder der Pole besitzt Schritt der obengenannten Folge dargestellt. Fi g. 4 a

eine zu ihm gehörige Wicklung 16-1 bis 16-8 zeigt die Erregung der Phasen 24 a und 24 b, wo-

(Fig. 3). Demgemäß kann durch eine Erregung der 35 durch die Pole 15-1. 15-2, 15-4 und 15-7 N-PoIe

Wicklung eines Pols bewirkt werden, daß der Pol werden, während die anderen vier Pole S-PoIe wer-

eine gewählte magnetische Polarität annimmt. Außer- den. Die Pole 15-1 und 15-2 haben gleiche Polarität,

dem ist die innere Oberfläche jedes Pols mit Stator- und ihr zusammenwirkender Magnet-Effekt ist

Zähnen 17 ausgebildet, welche den gleichen Abstand vektoriell durch den Pfeil 26 gezeigt, während die

zueinander und in dieser speziellen Ausführungsform 40 magnetische Wirkung des Pols 15-4 durch den Pfeil

eine Zahnteilung von 48 haben. 27 und die des Pols 15,7 durch den Pfeil 28 dar-

Der Rotor 12 besitzt eine Welle 18, welche durch gestellt ist. Zur Erklärung wird darauf hingewiesen

zwei Lager 19 in dem Gehäuse 13 gelagert ist, wo- daß man sich hier bei der Beschreibung der F i g. 4

bei auf dieser Welle ein Permanentmagnet 20 fest auf die Endkappe 22 bezieht, welche durch der

angebracht ist. Der Magnet hat eine Axial- 45 Magneten 20 zu einem S-PoI polarisiert ,Λ. und daC

magnetisierung und bewirkt folglich, daß eine seiner daher ihre Zähne von den obenerwähnten End-Poler

Endkappen 21 die eine magnetische Polarität, wäh- angezogen werden. Für die Endabdeckung 21, welch«

rend die andere Endkappe 22 die andere magnetische eine ^-Polarität besitzt, würde die gleiche An

Polarität besitzt. ziehungskraft bestehen, jedoch nur für die S-PoIi

Jode der beiden Endkappen hat auf ihrem äußeren so 15-3. 15-5. 15-6 und 15-8.

Umfang Zähne 23, welche in gleichem Abstand zu Der Rotor nimmt eine Lage des geringsten ma

einander angeordnet sind und welche in dieser be- gnetischen Widerstandes ein. und im wesentliche!

sonderen Ausführungsform eine Zahnteilung von 45 hat jeweils ein Zahn des Rotors das Bestreben, siel

haben. Ein solcher Motor, wie er bis hierher be- entlang der Pfeile 26. 27 und 28 mit dem Stator aus

schrieben ist. ist Gegenstand der USA.-Patent- 55 zurichten. Da die Pfeile 26 und 28 jedoch eine

schrift Re 25 445. mit der Ausnahme, daß die Zahn- Winkel von 112,5" bilden, was ebenso für die Pfeil

teilungen der Rotorzähne verschieden sind. 26 und 27 zutrifft, ist es dementsprechend für di

Wie in F i g. 3 gezeigt ist, ist jede der Wicklungen Zähne unmöglich, sich zwischen Stator und Rote

16 geteilt, so daß jede von ihnen zwei getrennte Teil- entlang der Pfeile 27 und 28 auszurichten, da di

wicklungen 16-1 α und 16-1 b besitzt, wie dies für 60 Versetzung 7.5° ist. Ein Rotorzahn wird grundsäu

die Wicklung 16-1 in Fig. 3 gezeigt ist. Ist der Teil lieh das Bestreben haben, sich entlang des Pfeils2

16-1 α erregt, erhält der Pol 15-1 eine Magnetisierung auszurichten, jedoch kann eine wirkliche Ausrichten

als N-VoX, während, wenn der andere Teil 16-1 b er- nicht stattfinden, da zwischen den benachbarte

regt wird, der Pol 15-1 eine Magnetisierung als S-PoI Polen 15-1 und 15-2 keine Zähne vorhanden sini

erhält. In F i g. 3 ist deutlich gezeigt, daß jeder Teil, 65 Es ist außerdem zu verstehen, daß die Wicklunge

det eine magnetische /V-Polarität in dem tu ihm ge- die Pole derart magnetiseren, daß drei Bereiche en hörigen Pol induziert, durch Schleifen dieses stehen, wie dies durch die Pfeile gezeigt ist, i

Wicklungsteils zeichnerisch dargestellt wird, die, wie welchen der Stator die benachbarten Rotor-Zähi

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anzieht. Diese Bereiche sind in gewissem Maße im- sich der Rotor in gleicher Richtung wie das Magnetsymmetrisch, da sie eben nicht die gleichen Abstände feld, also gegen den Uhrzeigersinn, drehen, voneinander haben und da ebenso die beiden be- Zu Fig. 4 muß bemerkt werden, daß jeder der nachbarten Pole, die den Pfeil 26 bilden, ein stärkeres Pfeile einer, getrennten Bereich von magnetischer Ma-netfeld erzeugen als die Pole mit den Pfeilen 27 5 Anziehungskraft auf den Teil des Rotors anzeigt, und" 28 Entlang einer Mittellinie, welche mit dem der dazu gegenüber hegt und eine S-Polantat besitzt. Pfeil 26 ausgerichtet ist, sind die Vektor-Kräfte im Da in der normalen Bauweise des Motors die andere wesentlichen für das Dreh-Gleichgewicht aus- Endkappe 21 um eine halbe Zahnteilungzur Endbalanciert und rufen daher eine stabile Lage des kappe 22 versetzt ist und eine tf-Polantat besitet. RntnU hervor ^{10 hat sie} dementsprechend drei getrennte Anziehungs-Um den nächsten Schritt in der Folge zu be- bereiche auf die vier S-PoIe, wie dies in dieser Figur wirken, werden die Pole entsprechend der Fig. 4b gezeigt ist. .. . durch die Erregung der Phasen 24« und 24 V ma- Es is, ebenfalls einzusehen, Jaß es möglich ,st, enetisiert Die Pole 15-3 und 15-4 bilden nun den während die Endkappen versetzt und die Stator-Pole Doppel-Pol, und dieser ist mechanisch um 9(T aus 15 ausgerichtet sind, die Endkappen ausgerichtet zu seiner vorhergehenden Position vorgerückt. Das halten und die Teile des Stators, die den beiden Vektor-Magnetfeld jedoch hat sich in Wirklichkeit Endkappen gegenüber hegen, um eine halbe Zahnum 3<T gegen den Uhrzeigersinn gedreht, da sich teilung versetzt aufzuteilen, wenn dies gewünscht der Pfeil 26 um 22,5°, der Pfeil 27 um 22,5° und wird.

der Pfeil 28 um 45" gedreht hat, was eine Summe 20 Vorliegende Erfindung ist ebenso bei einem

von 90° ergibt- da jedoch das Vektorfeld drei Motor mit veränderbarer Reluktanz anwendbar, bei

Vektoren besitzt'ist die wirkliche Etfektiv-Bewegung welchem der Rotor keinen Permanentmagneten hat

des gesamten Feldes eine 3(T -Bewegung gegen den und dessen Ausrichtung nach dem geringsten ma-

nhtveieersinn gnetischen Widerstand von der Erregung der Pole Der nächste Schritt in der Folge verlangt die Er- 25 nach unterschiedlicher Magnetisierung abhängt. In

reging der Phasen 24V und 24ö'fum die in Fig.4c Fig. 5 ist der Motor allgemein mit 30 bezeichne,

«Zeigte magnetische Polarität der Pole zu erzeugen. und besitzt einen Stator 31 und einen Rotor 32 Der

Die Vektoren 26 27 und 28 sind darin ebenfalls ge- Stator ist im wesentlichen der gleiche wie der Stator

zeiet und es ist daraus ersichtlich, daß, obwohl der in der vorausgegangenen Ausführungsform und be-BezuEsDoppelpol zu den Polen 15-5 und 15-6 vor- 30 sitzt daher acht Pole, wobei jeder von diesen

»SS ist das Vektor-Magnetfeld wieder nur eine Wicklungen aufweist; zu einer leichteren Anschau-

Shch bSung um 3D? gegen den Uhrzeiger lichkeit haben die Pole und Wicklungen die gleichen

durchgeführt hat. F i g. 4 d zeigf in gleicher Weise die Bezugszeichen wie in der vorausgegangenen Aus-

magneüschen Polaritäten der Pole beim vierten führungsform. Der einzige Unterschied ist, daß in Schritt der Folge, wobei die Phasen 24 α' und 24 b 35 dieser Ausfuhrungsform jede Wicklung nur aus

bcnntt aer roige, υ nunmehr bei den enem Teil besteht, da jeder Pol auch nur erne ma-

p7e^Sn I?"/ uTd 15 8 WÄ eine Be- gnetische Polarität haben soll. Der Rotor besteht

wegungdls Vektor-M gnetfddes um 30° gegen den aus einer Welle 33, auf welcher ein Glied 34 mit

UhrSersinn bedeutet Der nächste Schritt ist die einer Nabe 35 und mit einem zylindrischen Außenw TrvJhr Her in Fi ε 4 a gezeigten Polaritäten, 40 ring 36 befestigt ist, wobei der Außenring 36 aus

wHrife eienfalis wieder den deichen Wechsel des einem magnetischen Material gebildet ist. Auf dem

welche ebenfalls wieder d^ngie _ektorfeldes Außenring 36 befindet sich ebenfalls eine gleich-

Doppelpols um 90 , eine £«eming. _{äßi ZahnfeiIung 37 welche in dieser A}us-

jedoch nur um 30^σ gegen den Uhrzeigersinn _fühnf_ng_Sf_orm eine Teilung von 45 oder 51 haben '"so wird in jeder der vier Positionen der Folge der 45 kann, während der Stator eine Zahnteilung von 48

Rotorta eine stabile Position kommen, und diese besitzt wie m der vorhergegangenen Ausfuhrungs-

stabilePosiüon wechselt um 30 dektrische=Grade form. ^ ^ ^ ^ ^ ^

fur jeden Schritt. Die JU ^DeV™F ¹J ^_{rf der} wrangen I₆-I bis 16-8 gezeigt. So können die

effektive Bewegung, weiche ein Zahn ^ ^" Windungen 16-1 und 16-4 zu einer ersten Phase 37 a

wöbe, das so zu verstehen ist d^cfi^as _{verbunden werden; die} Wicklungen 16-2 und 16-7

trische Feld fur die speziell^^'^r beschriebene A verbunden und bilden die Phase 37 b:

führungsform, m ^^Jg^ThS, „m 120 die Wicklungen 16-5 und 16-8 bilden die Phase 37 c.

Te,lungsd.fferenz von dm ^^ξ^ _{zu währe}nd die verbleibenden Wicklungen 16-6 und drehen muß, um su:h "^m£^{ne vo} . _einer vier- ₅₅ 16-3 in ihrer Verbindung die Phase 37 </ ergeben,

bewegen. Somit erzeugt ^dtr ^⁰' _von ^_eicher wie die zeichnerische Ausführungsform der Wick-

i^C.^hntt-^FOL^gir die?Tr^ BelegTgen einen^Dreh- lungsrichtungen zeigt, induzieren die Wicklungen

Lange, wobei diese vier WJgP* _{der Rotor}. _t6-l, 16-7, 16-5 und 16-3 bei Erregung in ihren

schritt erzeugen, der den ReziproKwert α p^ ^^ ^^ ^ ^^ _Wicki_ungen ^j

teilung darstellt. _b„ _{fo Erregung 5}._Pole induzieren.

Die Richtung der Drehung ^^ ^ _Im ^^ ^ ^ ^^ ^ _{ebenfal]s in dner}

stimmt,obderRotor mem θα B Vierschriitfolge erregt, wobei die Phasen 37 _fl und

der Stator oesitzt In dei vor ^ief^ _{ü von} % 37 _b_ 37 _{b und} 37 c, 37 c und 37 d und 37 d und 37 a

form in Richer der ^R^^o^^e _esSⁿ _dreht ^g _sich der für ein Vorrücken des Rotors um eine Zahnteilung

und der Stator eine von _sich ^ _e werden. Bei jedem Schritt werden zugleich nur

Rotor m die entgeg^sewe wcntxm^ ^ ^ ^ ^^^^ _em^ ^ _VeTg]ejch ^ ^ ^

Magnetfeld dreht, ma ^ _{Teilung Wc}klungen in der vorhergehenden Ausfuhrungsform.

iSftte ™Γκί -nehrTsdeV Stator), dann ^iirde Es wird bemerkt, daß jede Phase über Schalter

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mit einer Batterie 38 verbindbar dargestellt ist, um werden. Die Anziehungsbereiche für den Rotor wer-

schematisch ein Verfahren der Erregung der den durch die Pfeile 41,42 und 43 gezeigt, und sie

Wicklungen in der gewünschten Folge aufzuzeigen. entsprechen identisch den einzelnen in Fig. 7 ge-

Es ist jedoch klar, daß, wie in der vorhergehenden zeigten Schritten.

Ausführungsforro. die Verwendung elektronischer 5 Wie in den vorhergehenden Ausführungsformen Schaltkreise möglich ist. besteht auch in dieser Ausführungsform die ma-Wie in F i g. 7 a gezeigt ist. werden die Pole 15-1, gnetische Anziehungskraft für den gezahnten Rotor 15-2,15-4 und 15-7 für den ersten Schritt der Folge in drei getrennten Bereichen, wobei diese Bereiche durch die Erregung der Phasen 37 α und 37 d ma- unsymmetrisch liegen und wobei einer der Bereiche gnetisiert. Wie vorhin bilden die vier magnetisieren io aus zwei benachbarten, erregten Magnetpolen gePole drei getrennte Bereiche einer magnetischen An- bildet ist. Außerdem wandern die beiden benachziehungskraft auf den Rotor, und diese werden durch harten, erregten Pole bei jedem Schritt, elektrisch die Pfeile 38, 39 und 40 gekennzeichnet. Der Pfeil gesehen, um 90°, während das Vektor-Magnetfeld

38 ist der resultierende Pfeil aus den beiden neben- sich um 30° pro Schritt bewegt. Der Rotor in dieser einanderliegenden Polen 15-1 und 15-2, und er stellt 15 Ausführung, der 45 Zähne besitzt, das sind weniger daher den einen Bereich dar, zu welchem der Rotor als die Zähnezahl des Stators, dreht sich demgemäß eine größere magnetische Anziehungskraft erfährt als gegen den Uhrzeigersinn, während das Vektorauf die beiden anderen Bereiche, dargestellt durch Magnetfeld sich im Uhrzeigersinn dreht.

die Pfeile 39 und 40. Außerdem betragen die Winkel Der Weg des magnetischen Flusses in der in den zwischen den Pfeilen 38 und 39 bzw. 38 und 40 je- 20 F i g. 6 und 7 gezeigten Ausführungsform verläuft weils 112,5°, während der Winkel zwischen den für Fig. 7a vom W-PoI 15-1 durch den benach-Pfeilen 39 und 40 wiederum 135° beträgt. Die harten Rotor-Außenring 36 zum S-PoI 15-2 und vom F i g. 7 b, 7 c und 7 d zeigen die Erregung der Phasen W-PoI 15-7 durch den benachbarten Rotor-Außengemäß der weiteren Folge der vier Schritte, wobei ring 36 zum S-PoI 15-4. In der in den F i g. 8 und 9 diese Erregung eine 90°-Drehung der beiden neben- 25 gezeigten Ausführungsform verläuft der Flußweg für einanderliegenden Pole entgegen dem Uhrzeigersinn F i g. 9 a vom M-PoI 15-1 zum S-PoI 15-7 und vom hervorruft, während das Vektor-Magnetfeld um 30° W-PoI 15-2 zum S-PoI 15-4 durch die zwischen den pro Schritt im Uhrzeigersinn vorrückt. Polen liegenden Teile des Rotor-Außenringes 36.

Der Rotor nimmt aus jeder Lage eine Lage des Während in den oben beschriebenen Ausführungsgeringsten magnetischen Widerstandes bei jedem 30 formen Rotor und Stator jeweils unterschiedliche Schritt ein. Da die Kräfte entlang einer diametrischen Zahnteilungen aufweisen, ist es auch einzusehen, daß Linie durch den Pfeil auf die beiden benachbarten vorliegende Erfindung ebenso bei Schrittmotoren von magnetischen Pole ausgeglichen sind, ist das Dreh- ähnlicher Bauweise verwendet werden kann, in Gleichgewicht hergestellt und eine stabile Lage ge- welchen die Zahnteilung von Stator und Rotor die geben. Ebenso hat jeder Schritt die gleiche Be- 35 gleiche ist, in welchen jedoch die Stator-Pole im wegungsgröße zur Folge. Gegensatz zu einer gleichmäßigen Aufteilung um

In der in F i g. 8 und 9 gezeigten Ausführungsform den Bruchteil einer Zahnteilung voneinander versind die Wicklungen derart geschaltet, daß die beiden rückt sind. Während ein Motor mit acht Polen genebeneinanderliegenden erregten Pole vielmehr die zeigt worden ist, kann die Erfindung ebenso auf gleiche Polarität als die entgegengesetzte Polarität 40 einen Motor mit einem Vielfachen von acht besitzen, wie dies in der vorhergehenden Aus- Polen angewendet werden, beispielsweise auf einen führungsform der Fall war. Wie in F i g. 8 gezeigt Sechzehnpol-Motor mit einer Differenz von sechs ist, sind die Wicklungen 16-1,16-2,16-5 und 16-6 Zähnen zwischen Stator- und Rotor-Teilung. In derart gewickelt, daß sie in ihren Polen bei Erregung beiden Fällen entstehen für jeweils acht Pole drei einen W-PoI erzeugen, während die anderen Wicklun- 45 Bereiche einer magnetischen Anziehungskraft auf gen in ihren Polen S-PoIe induzieren. Die Phasen den Rotor.

werden durch die gleichen Wicklungen gebildet. Damit ist ein Schrittmotor beschrieben mit einem

nämlich 16-1 und 16-4 ergeben Phase 39 α, 16-2 und Stator und einem Rotor, wobei sowohl Stator wie

16-7 Phase 39 ft, 16-5 und 16-8 Phase 39 c und die auch Rotor mit Zähnen ausgeformt sind. Der Stator

Wicklungen 16-6 und 16-3 die Phase 39 d. Jede der 50 bildet acht wirkliche Pole, welche untereinander in Phasen ist über einen Schalter mit einer G'eichstrom- einer Art und Weise verbunden sind, so daß drei un-

quelle 40 verbindbar. Die Wicklungs-Phasen werden symmetrisch getrennte Bereiche einer magnetischen

in der gleichen Vierschrittfolge wie in der voraus- Anziehung zwischen Stator und Rotor entstehen,

gegangenen Ausführungsform erregt, nämlich 39 a Ein Rotor nimmt bei jeder Erregung eine Lage des

und 39 b. 39 b und 39 c, 39 c und 39 d und 39 d und 55 minimalen magnetischen Widerstandes ein und, wie

39 a und 39 a und 39 b usw. das unsymmetrische Feld bei jedem Erregungs- F i g. 9 zeigt, wie für den ersten Schritt die Phasen Wechsel der Wicklungen sich um 30° dreht, bewegt

39 α und 39 b erregt werden und die Pole 15-1 und sich der Rotor um ein Viertel von einer Zahnteilung 15-2 W-PoIe, während die Pole 15-4 und 15-7 S-PoIc bei jedem Wechsel, womit bei einer Vierschrittfolge werden. Beim nächsten Schritt, wenn die Phasen 39 b 60 die gewünschte Bewegung des Rotors um eine Zahn- und 39 c erregt werden, werden die Pole 15-7 und teilung erfolgt. Obwohl das Magnetfeld un-15-8 S-FoIe, während die Pole 15-2 und 15-5 zu symmetrisch ist, besitzt es dennoch ein Dreh-W-Polen magnetisiert werden, wie dies F i g. 9 b zeigt Gleichgewicht, und es ist für jeden der Schritte Die Fig. 9c und 9d zeigen die Magnetisierung der dieser Folge identisch, so daß der Rotor sich in verbleibenden zwei Schritte in der Folge, daß die 6g Schritten bewegt, welche jeweiii eine gleiche BePhasen 39c und 39 d, sodann 39 d und 39 a erregt wegung darstellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Schrittmotor mit zumindest acht am St'' ^umfang gleichmäßig verteilt angeordneten, mit Zähnen versehenen und mindestens eine Erregerwicklung aufweisenden Einzelpolen, mit einem innerhalb des Stators angeordneten Rotor, dessen Zähne den Zähnen der Statorpole gegenüber liegen und eine zum Stator unterschiedliche Zahnteilung aufweisen, und mit Schaltgliedem zur zyklischen Erregung der Wicklungen in einer Vierschrittfolge, derart, daß sich im Motor ein aus mehreren getrennten Bereichen bestehendes Magnetfeld zum Anziehen der an den Statorzähnen angrenzenden Rotorzähne ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied in der Zahnteilung einer Zähnezahldifferenz von drei Zähnen entspricht und daß bei Erregung der Wicklungen (16) ein unsymmetrisches Magnetfeld mit drei getrennten Bereichen entsteht, dessen erster Bereich aus zwei benachbarten erregten Polen gebildet ist und dessen zweiter und dritter Bereich jeweils nur einen Einzelpol umfassen und zumindest ein nichtanziehender Pol zwischen dem ersten und jedem der anderen Bereiche vorhanden ist.

2. Elektrischer Schrittmotor uach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Wechsel der zyklischen Erregung der erste Bereich jedesmal in eine um 90° elektrisch versetzte Lage gelangt.

3. Elektrischer Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei getrennten Bereiche ein Vektor-Magnetfeld (26, 27 28; 38, 39, 40; 41, 42, 43) bilden, das sich beim Wechsel der zyklischen Erregung jedesmal um 30 elektrische Grade aus seiner vorausgegangenen Lage dreht.

4. Elektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem im Rotor axial angeordneten, axial magnetisierten Permanentmagneten, der mit zwei auf ihrem zylindrischen Umfang Zähne aufweisenden Endkappen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich aus zwei Polen (15-1,15-2) gleicher Polarität (N) gebildet ist.

5. Elektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem aus einem zylindrischen, auf seinem Außenring mit Zähnen versehenen Teil aus magnetischem Material bestehenden Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß nur vier Pole (15-1,15-2,15-4,15-7) magnetisiert sind, von denen jeweils zwei Pole (15-1,15-7) die gleiche Polarität (N) besitzen.

6. Elektrischer Schrittmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (41) aus zwei Polen (15-1,15-2) gleicher Polarität (N) gebildet ist.

7. Elektrischer Schrittmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich (38) aus zwei Polen (15-1, 15-2) entgegengesetzter Polarität (N bzw. S) gebildet ist.