DE2151263A1

DE2151263A1 - Permanentmagnetmotor,insbesondere Schrittschaltmotor

Info

Publication number: DE2151263A1
Application number: DE19712151263
Authority: DE
Inventors: Somon Saretzky
Original assignee: IMC Magnetics Corp
Current assignee: IMC Magnetics Corp
Priority date: 1971-03-22
Filing date: 1971-10-14
Publication date: 1972-10-12
Also published as: GB1343372A; FR2130083A1; FR2130083B1; US3689787A

Description

"Permanentmagnetmotor, insbesondere Schrittschaltmotor¹¹

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an einem Permanentmagnetmotor, der insbesondere als Schrittschaltmotor zu verwenden ist und durch Impulse in diskreten Schritten geschaltet wird. So kann dieser Motor beispielsweise als Synchronschrittschaltmotor mit 200 diskreten Schritten von jeweils 1,8° Winkelverstellung aufgebaut sein. Jedoch ist die Erfindung auch bei anderen Schrittzahlen anwendbar. Sie bringt eine Verbesserung bei Motoren von dem Typ, wie sie das US-Patent Nr. 2,428,837 und die US-PS 872,923 zum Gegenstand haben. Auf die Einzelheiten dieses Patentes und dieser Anmeldung wird bei der vorliegenden Anmeldung Bezug genommen.

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Merkmale dieser beiden älteren Anordnungen waren ein Permanent magnet mot or mit axial polarisierte« Magneten, ein besonderer Kreis für den magnetischen Fluss, ein nicht rotierender Permanentmagnet und die Idee eines axialen Luftspaltes· Verbesserungen im Betrieb von Schrittschaltmotoren wurden damit erreicht.

Magnetische Materialien, die vom Magnetfluss durchsetzt werden, neigen dazu, intern induzierte Wirbelströme auszulösen, wenn der Fluss sich ändert. Diese Wirbelströme erzeugen einen Fluss, der dem Aufbau des Hauptflusses entgegenwirkt und auch sonst Nutzenergie zerstreut. Solche Wirbelströme wachsen mit grosser werdenden Baten der Flussänderungen. Ein Weg, ihre Wirkungen herabzusetzen, zeigt die genannte Anmeldung Ser.Nr. 872,923.

Eine allgemein bekannte Methode, die Wirkung von Wirbelströmen zu reduzieren, ist die Benutzung von dünnen Lamellen aus magnetischem Material, die voneinander sowohl magnetisch als auch elektrisch isoliert sind, wenn sie zusammengepackt werden, um zur totalen Länge der erforderlichen magnetischen Konstruktion zu gelangen· Die Lamel— lierung ist ein Standardverfahren beim Motoraufbau und vergrössert den Wirkungsgrad von Motoren, die radiale Luftspalte aufweisen, und Flusspfade, die sich drehend um die Rotationsachse des rotierenden Motorteils (Rotor) bewegen und mit ihm in Wechselwirkung treten.

Bei dem Schrittschaltmotor nach dem genannten Patent und der genannten Patentanmeldung sind zwei Flussfelder und zwei Flusspfade vorhanden. Ein permanenter Gleichstromfluss entspringt dem Permanentmagneten und bewegt sich axial entlang der Länge des Magneten, radial durch den gezahnten Rotor und den Stator, axial entlang dem Gehäuse sau der. End-

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deckein, wo er wieder in den Magneten eintritt. Ein pulsierender Gleichstromfluss bewegt sich um den Stator herum, in Phase mit Eingangsimpulsen, die von einer ausseren Impulsquelle geliefert werden· Dieser Fluss bewegt sich rotierend um die Drehachse des rotierenden Motorelementes (Rotor) und tritt mit ihm in Wechselwirkung«,

Die Fähigkeit des pulsierenden Flusses, sich zu einem Maximum immer dann aufzubauen, wenn der Motor pulsgespeist wird, ist sehr wichtig, da er die Fähigkeit hat, voll auf die schnellen Impulse anzusprechen. Durch Wirbelstrome erzeugte hinderliche Flüsse verringern die Aufbaugeschwindigkeit des pulsierenden Flusses und hindern ihn, seinen maximalen Potentialwert zu erreichen.

Den gezahnten Rotor aus laaelliertem magnetischem Material aufzubauen, trägt zur Lösung des durch die Wirbel ströme entstehenden Problems bei, verbessert aber si-aiii die Leistung des Gerätes, da <äie Lamellen eine fcß-siis^ie Reduzierung des permanenten Magnetflusses zur Folge haben.

Da der beste Wirkungsgrad des Schrittschaltmotor erreicht wird, wenn die Stärke (Flussdichte) des gleichförmigen und des pulsierenden Gleichstromflusses ihr Maximum haben, ist es wichtig, eine Methode zu finden, beide Flüsse auf ihrem Maximalwert zu halten.

Im Falle des Rotors mit geringer Trägheit gemäss Anmeldung Ser.Nr. 872 923 bewegt sich der ständige Gleichstromfluss axial entlang dem Magneten über den Luftspalt, der den Magneten von der inneren Fläche des gezahnten Rotors trennt und radial durch den Rotor. Die Luft bildet für den magnetischen Fluss einen Pfad extrem hoher Reluktanz (Resistanz) und wird soweit wie möglich vermieden.

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Bei dem Schrittschaltmotor-Rotor gemäss Anmeldung Ser.Nr. 872 923 bestand die Erfindung darin, einen axialen Luftspalt zu verwenden, der die Zahl der Luftspalte, die der Fluss in einem Motor des hier behandelten Typs überqueren muss, herabsetzt. Wenn der Rotor nur aus Lamellen aufgebaut wäre, hätte der Dauerfluss eine grosse Zahl von Luftspalten (nämlich die Trennzwischenräume zwischen den Lamellen) zu durchsetzen, von denen jeder den für den Motorbetrieb erreichbaren Fluss herabsetzen würde, und dazu noch einen radialen und einen axialen Luftspalt. Der Zwischenraum zwischen den Lamellen ist ein Pfad hoher Reluktanz, eingenommen von Luft und/oder hochdielektrischem Material, wie ersichtlich ist.

Die abträgliche Wirkung, die der ständige Fluss erleidet, wenn Lamellen verwendet werden, um die Wirbelströme herabzusetzen und den pulsierenden Fluss zu verstärken, kann durch Verwendung einer Lamellierung eines Rotors aus weichem Eisen und geringer Reluktanz herabgesetzt werden. Diese stützende Verwendung wirkt sich als Flusspfad geringer Reluktanz und Flussverteiler für den ständigen Fluss aus. Wenn man in Betracht zieht, dass die *Motoraktion* und die hauptsächlichen Wirbelstromerscheinungen in den Rotorzähnen stattfinden, versteht man die Ausbildung, wie später im einzelnen beschrieben wird.

Die Erfindung schafft einen lamellierten gezahnten Rotor, der in der Lage ist, einen maximalen pulsierenden Strom zu tragen, weil die Wirbelströme auf ein Minimum gebracht werden. Gleichzeitig wird ein maximaler Daueretromfluss an den Rotorzähnen erreicht, weil die Luftspalte und Pfade hoher Reluktanz für den Dauerstromfluss auf ein Minimum gebracht werden. Diese Eigenschaften zu erreichen ist ein Hauptziel der Erfindung.

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Die Erfindung ist ein Permanentmagnetmotor, insbesondere zur Verwendung als Schrittschaltmotor. Er ist vom Typ geringen Trägheitsmomentes mit einem axial polarisierten Permanentmagneten und besitzt einen axialen Luftspalt zwischen einem Rotor und dem Permanentmagneten. Der Rotor schafft den axialen Luftspalt. Sein Körper hat geringe Reluktanz und eine lamellierte Umfangszone. Hierdurch wird die Betriebsweise mit Impulssehritten verbessert, da die schädlichen Wirkungen der Wirbelströme herabgesetzt werden.

In einer beispielsweise gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird das angestrebte Ziel und andere Vorteile erreicht durch eine besondere Rotorkonstruktion und richtig gezogene Zueinanderordnung des Stators, des Rotors und des Motorgehäuses. Der Motor enthält einen permanenten Magnetzylinder, der axial magnetisiert ist. Es ist nur ein Polschuh vorgesehen und dieser bildet den Rotor· Er hat einen Aussenbezirk von ungefähr derselben axialen Länge wie die axiale Dimension der Polflächen des Stators und besitzt rings herum Zähne. Der Magnetzylinder sitzt auf einer Endkappe des Gehäuses und rotiert nicht. Das permanente Magnetfeld läuft durch einen Statorpol, durch den Rotor, durch den Magneten und durch einen Teil des Motorgehäuses. Der Körper des Rotors ist nicht unterteilt und bildet einen Pfad geringer Reluktanz, während der Randteil von lamellierter Konstruktion ist. Es ist weiter Gegenstand der Erfindung, das oben genannte Ziel mittels dieser besonderen Rotorkonstruktion zu erreichen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung und weitere Vorteile werden aus der anhand der beiliegenden Zeichnungen gegebenen Beschreibung ersichtlich.

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In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Schrittschal tmotors, bei den die Erfindung verwirklicht ist,

Fig. 2 einen Querschnitt einer bevorzugten Aus—

führungshorn des Motors nach der Erfindung, genommen entlang der Linie 2-2 nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt genommen entlang der Linie 3-3 nach Fig. 2 und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Rotors»

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 besitzt der Motor ein im allgemeinen zylindrisches magnetisch durchlässiges Gehäuse 10. Das rechte Ende des Gehäuses besitzt einen herausragenden Stumpf 12 und einen nach innen sich erstreckenden Stumpf 13. Weiter hat dieses Ende eine Bohrung 16, in der ein Lager 18 untergebracht ist, das den üblichen Kugelkäfig und die üblichen Kugeln aufweist. Dieses Kugellager wird durch den Sprengring 21 in einer Ringnut 22 in der Bohrung 16 gehalten. In dem Lager 18 dreht sich der Schaft 28 mit einem Ende und mit dem anderen Ende im Lager 18*.

An diesem anderen Ende hat das Gehäuse 10 einen Enddeckel 31 mit einer aussen abgeschrägten Kante 32. Er sitzt in einer Gegenbohrung 33 an diesem Ende des Gehäuses 10. Am Enddeckel 31 sitzt ein nach innen sich erstreckender Stumpf 38, in dem das Kugellager 18 in üblicher Ausführung mit Kugeln und Kugelkäfig untergebracht ist. Dieses Kugellager wird durch einen Sprengring 21 in einer ringförmigem Aus-

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fräsung 21» in der Bohrung l6» des Deckels 31 gehalten. Mit 40 ist ein zylindrischer nicht magnetischer Abstandshalter bezeichnet, der zwischen das Lager 16« und den Rotor passt.

Für den Stator ist die Lamellenbauweise gewählt, wie allgemein durch 42 angedeutet. Er hat eine zylindrische Form, die in das Gehäuse 10 passt und besitzt nach innen sich erstreckende Pole, zum Beispiel acht an der Zahl, wie bei der Ausführung nach dem US-Patent 3 428 837* Die Pole besitzen vergrösserte Endflächen, die mit genauem Paß anliegend an den Umfang des Rotors angepasst sind. Die Polflächen sind in axialer Richtung gezahnt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt jede Polfläche fünf Zähne mit vier Zwischenräumen zwischen diesen Zähnen, genau wie im Patent 3 428 837t und auch die Wicklungen können gleich denen in diesem Patent sein, dessen Angaben, wie schon gesagt, mit heranzuziehen sind, um eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung zu illustrieren, Entsprechende Wicklungen sind hier bei 43 und 44 angedeutet.

Der Rotor ist mit 54 bezeichnet. Er sitzt auf dem Schaft 28. Durch seine Bohrung 55 wird der Aussenbezirk 56 geschaffen, der sich nach innen verjüngt. Der permanentmagnet is ehe Zylinder 6l hat eine Bohrung 62, durch die die Achse 28 hindurchgeht. Wie ersichtlich, ragt das Ende des Magneten 61 in den Polschuh 54 hinein, der den Rotor bildet, während das andere Ende des Magneten 6l von einer Gegenbohrung 63 im Stumpf 13 getragen wird. Der Magnet kann entweder durch eine Endkappe oder durch das Gehäuse unterstützt werden. Er ist axial polarisiert. Der permanentmagnet! sehe Kreis ist gleich dem nach Patent 3 428 837. Ein axialer Luftspalt befindet sich zwischen dem Ende des Magneten 61 und dem Rotor 54.

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Der Rotor 54 mit seinem Aussenteil hat im wesentlichen die gleiche axiale Ausdehnung wie die Polflächen des Stators. Der Magnet 6l ist axial verschoben gegenüber den Statorpolen. Der Stumpf 13 ist ein Teil des magnetischen Motorgehäuses. Es ist nur ein Polschuh vorhanden. Der Körper des Rotors 5^ besteht aus festem Material mit geringer Reluktanz, so dass er einen Pfad geringer Reluktanz bildet. Der periphere Ringteil 64 ist aus Lamellen geeigneten Materials aufgebaut. Diese Lamellen sind Ringe, die auf dem Körper befestigt sind.

Der Polschuh-Rotor 54 hat an seinem Umfang Zähne ähnlich

auf
denen/den Endflächen der Statorpole, si&e Fig. 3 und 4. Er hat aussen fünfzig Zähne in gleichem Abstand. Die Anordnung der Statorpole und die Zahl der Zähne kann denen in dem US-Patent 3 428 837 entsprechen.

Das durch die Windungen erzeugte Feld ist das für solche Motoren typische und hat natürlich einen radialen Abschnitt, der durch die Pole geht. Dieses Feld ist pulsgesteuert und stiert in Abhängigkeit von der Pulsfrequenz.

Die Betätigung des Motors geht schon aus der einleitenden Beschreibung hervor. Die nachteiligen Wirkungen der Wirbelströme auf den pulsierenden Fluss sind durch die gezeigte Konstruktion vermieden, ohne dass der Dauerfluss geschwächt wird.

Für den Fachmann versteht sich die Natur der Erfindung von selbst und ebenso die Art, in der alle die im vorangegangenen angegebenen Ziele der Erfindung erzielt werden. Ss ist offensichtlich, dass der schädliche Einfluss der Wirbelströme ganz wesentlich reduziert worden ist. Die Fähigkeit des Motors, schnell und akkurat pulsgesteuert zu werden, ist verbessert worden«

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1,1 Aus Rotor und Stator bestehende Anordnung mit einem in Lamellen unterteiltem Kern, Polen und Wicklungen darauf, einem einen Rotor tragenden Schaft und einem zylindrischen Permanentmagneten, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (54t) einen Abschnitt (64) besitzt, der an sich anschmiegenden Flächen der Statorpolschuhe vorbeirotiert und auch dem Permanentmagneten (62) gegenüberliegt, und der zumindest teilweise in Lamellenkonstruktion ausgeführt ist in solcher Weise, dass die schädlichen Einflüsse der Wirbelströme im Rotor auf das Feld der Wicklungen gehindert sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfangsabschnitt des Rotors (64) aus Lamellen aufgebaut ist, während der Rotorkern aus einem Material niedriger Reluktanz besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkörper (54) zylindrische Form hat und dass auf ihm ringförmige Lamellen (64) befestigt sind,
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (62) axial magnetisiert und so angeordnet ist, dass er einen Dauermagnetfluss durch sich selbst, den Rotor und einen Teil des Gehäuses verursacht.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (54) einen Aussenbezirk (55) besitzt, der konzentrisch zwischen den Statorpolen und dem Permanent—

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magneten sitzt, derart, dass ein axialer Luftspalt zwischen einem Ende des Magneten und dem Rotor besteht.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (62) axial gegenüber den Statorpolen verschoben ist und dass das Gehäuse (lO) einen den Permanentmagneten tragenden Teil (13, 63) besitzt.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhflächen gezahnt sind und ebenso der Rotor an seinem an den Polflächen vorbeirotierenden Aussenteil gezahnt ist.
8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet freitragend vom Gehäuse gehalten wird.

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