DE2164866A1

DE2164866A1 - Elektrischer Schrittmotor

Info

Publication number: DE2164866A1
Application number: DE19712164866
Authority: DE
Inventors: Seiuemon Kawasaki Kanagawa; Ikebe Yo; Yamamura Sakae; Tokio; Inaba (Japan). P
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1970-12-28
Filing date: 1971-12-27
Publication date: 1972-07-06
Also published as: DE2164866B2; DE2164866C3; US3784850A; FR2121040A5; GB1368788A

Description

DipWng. Reinhoid Kramer PATENTANWALT

8000 München 60

Flossmannstraße 15
Telefon (0311) C3 C3 f. > / CS CC Ci ?1 /8 7 50

.Fujitsu Limited, Kawasaki-shi, Japan

Elektrischer Schrittmotor

Die Erfindung "betrifft einen elektrischen Schrittmotor, der ein Rotorelement mit einer Vielzahl von an dessen Umfang in gleichen Abständen angeordneten Rotorzähnen und eine Vielzahl von einander über das Rotorelement axial gegenüberliegenden peripher angeordneten U-förmigen, geschichteten ßtatorelementenpaaren besitzt.

Bei bekannten Schrittmotoren dieser Art wird das Rotorelement schrittweise entsprechend der vom Statorelement aufgenommenen Impulsfolge gedreht. Um aus dem Rotorelement eine große Ausgangsleistung herauszubekommen, ist es bei dem elektrischen Schrittmotor des bekannten Aufbaus erforderlich, die zwischen dem Statorelement und dem Rotorelement wirkende magnetische Anziehungskraft zu erhöhen, d.h. die Eingangsleistung zu er-

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höhen, was nicht nur unwirtschaftlich ist, sondern auch die im elektrischen Schrittmotor erzeugte Wärmeenergie vergrößert.

Bei einer anderen Methode, bei dem "bekannten Schrittmotor eine große Ausgangsleistung zu erzielen, wird der Durchmesser des durch die magnetische Anziehungskraft angetriebenen Eotorelementes erhöht und damit der Wirkungsbereich der magnetischen Anziehungskraft vergrößert. Bei dieser Methode werden jedoch die Nachlaufeigenschaften des elektrischen Schrittmotors verschlechtert, insbesondere wenn dieser als ein Element eines Servo-Systems verwendet wird. Außerdem vergrößern sich die Eisenverluste im Rotorelement, wenn der Durchmesser des Rotorelementes vergrößert wird, und dies hat zur Folge, daß das Ausgangsdrehmoment des elektrischen Schrittmotors nicht zum Durchmesser des Rotorelementes proportional ist.

Um diesen Nachteil zu beseitigen, kann eine Methode in Betracht gezogen werden, bei der das Rotorelement sehr dünn ausgebildet ist, während gleichzeitig der Durchmesser des Rotors vergrößert wird. Wird das Rotorelement jedoch sehr dünn gemacht, dann nimmt die mechanische Widerstandsfähigkeit der Rotorzähne ab, was bei längerer Benutzung einen Ermüdungsbruch zur .b'olge hat. Außerdem wird bei hohen Drehzahlen ein Vibrationsgeräusch erzeugt.

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Aufgabe dieser Erfindung ist es, "bei einem elektrischen Schritt-

durch

motor der einleitend genannten Art teils/\Verbesserung des Eotorelementes, teils durch Verbesserung der Statorelemente eine Vergrößerung der Ausgangsleistung zu ermöglichen, ohne daß die erwähnten Mangel in Kauf genommen werden müssen.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Eotorelement versteift ist. Durch eine■Versteifung der Eotorzähne kann der Durchmesser ohne Zunahme des Trägheitsmomentes des Rotorelementes vergrößert werden.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand von zwölf Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den Aufbau eines bekannten elektrischen Schrittmotors in einem Längsschnitt

Fig. 2 bis 7 perspektivische Ansichten von Ausführungsformen versteifter bzw. verstärkter Eotorzähne eines erfincLungsgemäßen Schrittmotors

Ifig. 8 den Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Schrittmotors

Fig. 9 eine Schnitt ansicht längs der Linie 9-9 in Fig. 8

Fiβ. 10 den Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Schrittmotors

Fig. 11 eine Sclmittansicht längs der Linie 11-11 in Fig. 10

Fig. 12A und 12B erfindungsgemäß geschichtete Kerne in perspektivischer Ansicht.

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In Fig. 1 ist ein bekannter elektrischer Schrittmotor dargestellt, bei dem die !Rotorwelle 20 des Rotorelementes 21 von den in Seitenplatten 29 und 30 befestigten Lagern getragen wird. Die Rotorzähne 22 des Rotorelementes 21 sind mit gleicher Umfängsteiliing so angeordnet, daß ihre Dicke in axialer Richtung verläuft und sie in radialer Richtung vorstehen.

Die Öffnungsteile der ßtatorelemente 23 und 23^f sind dem Rotorelement 21 gegenüberliegend angeordnet und an den Seitenplatte!! 29 und 30 befestigt. Die Statorelemente sind durch Schichten von Streifen aus magnetischem Material U-förmig ausgebildet. Zwischen den Magnetpolen 25 und 25' der Statorelemente 23 und 23' sind in axialer Richtung Luftspalte und eine Vielzahl von einander gegenüberliegenden Statorzähnen 24- und 24' in gleicher Heilung vorgesehen. Die Rotorzähne 22 des Rotorelementes sind zwischen den Magnetpolen 25 und 25' der St at or elemente 23 und 23' angeordnet. Auf Schenkelteilen 26 und 26' paarweise einander gegenüberliegender Statorelemente 23 und 23' sind Statorwicklungen 27 und 27' vorgesehen. Diese sind derart, entweder in Reihe oder parallel geschaltet, daß sie die gleiche elektrische Phase besitzen. Werden die Statorwicklungen 27 und 27 ' durch den Eingangsstrom erregt, dann wird der in Figo 1 durch gestrichelte Linien P dargestellte Magnetfluß erzeugt. Die im Bereich der Magnetpole 26 und 26' liegenden Rotorzähne 22 werden durch die mag-

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netische Anziehungskraft zu der Stelle weiterbefördert, bei der die Eotorzähne 22 exakt den Stdorzähnen 24 gegenüberliegen.
Ein magnetischer Abstandshalter 32 stützt die Statorelemente 23 und 23* gegenseitig ab.

Die Fig. 2 bis 7 zeigen eine konstruktive Ausführungsform, bei der dünne Rotorelemente mit großem Durchmesser gemäß der Erfindung versteift bzw. verstärkt sind. Bei der Ausführungsform nach Pig. befinden sich in den Nuten bzw. Fugen zwischen den Rotorzähnen 22 Stützelemente 53, deren Dicke kleiner als die der Rotorzähne 22 ist. Die Stützelemente 33 können mit den Rotorzähnen einen
Körper bilden oder von diesen getrennt sein.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind die Fugen zwischen den Rotorzähnen mit nichtmagnetischem Material, vorzugsweise Kunstharz 34 ausgefüllt. Die Dicke der Füllung entspricht der der
Rotorzähne.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind im dünnen Teil des in Fig. 2 dargestellten Stützelementes 33 Löcher 35 vorgesehen, die eine Verringerung des Gewichtes und des Trägheitsmomentes
bewirken.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist eine weitere Ver-

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ringerung des Gewichts und des Trägheitsmomentes im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach .Fig. 4 durch verkürzte, gekrümmte Teile 36 erreicht.

Die Flg. 6 und 7 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen zur Versteifung der Rotorzähne Qierriegel 38 bzw. 39 vorgesehen sind.

Bei den in den Eig. 2 bis 7 dargestellten konstruktiven Beispielen kann das Stützelement mit dem Rotorelement einen Körper bilden oder getrennt von diesem aus anderem Material ausgeführt sein. Bei Anwendung der beschriebenen Konstruktionen zum Versteifen der Rotorelemente können die Abmessungen der Rotorelemente vergrößert werden, ohne daß das Trägheitsmoment des Rotorelementes oder die im Rotorelement erzeugten Eisenverlusie nennenswert erhöht werden. Auf diese Weise kann der effektive Wirkungsbereich der magnetischen Anziehung vergrößert und die Ausgangsleistung des elektrischen Schrittmotors erhöht werden.

In den Fig. 8 und 9 ist ein weiteres Beispiel eines erfindungegemäßen elektrischen Schrittmotors dargestellt. Bei diesem sind die geschichteten, U-förmigen Statorelemente verbessert, und es ist vorzugsweise ein Rotorelement gemäß den J)Mg., 2 und 4- bis 7 verwendet. Wie in den J?ig. 8 und 9 dargestellt, sind längs des Umfangs fünf StatoreLementenpaare 43 und 43' und vier Sbator-

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wicklungen 44a, 4-5a, 44'a und 45*a pro Statorelementenpaar 43 und 43^! vorgesehen. Die Statorelemente sind in Reihe oder parallel geschaltet und bilden jeweils eine elektrische Phase. In Fig. 8 ist durch eine gestrichelte Linie 0 der Verlauf des in den Statorelementen 43 und 4-3' der "betreffenden elektrischen Phase erzeugten Flusses dargestellt. Diese Ausführungsform "besitzt den Vorteil, daß die magnetische Anziehungskraft für das Rotorelement 41 sowohl an den äußeren Magnetpolen 46 und 46' als auch an den inneren Magnetpolen 47 und 47' des Statorelementenpaares 43 und 43' wirkt. Wie in Fig. 9 dargestellt, sind nämlich an "beiden Magnetpolen 46 und 47 des geschichteten, U-förmigen Statorelementes 43 mehrere Statorzähne 49a und 50a vorgesehen. Desgleichen sind selbstverständlich an den beiden Magnetpolen 46* und 47' des geschichteten, U-förmigen Statorelementes 43' mehrere Statorzähne 49'a und 50'a vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform wird ferner der Luftspalt zwischen den Statorelementen 43 und 43' durch das Gehäuse 53 bestimmt.

Die liotorzähne 42 des Rotorelementes 41 sind bei dieser Ausführungsform vorzugsweise, wie bereits beschrieben, verstärkt und radial nach außen verlängert. Sie sind einer magnetischen Anziehungskraft durch die Magnetpole 46, 46' und 47, 47' der Statorelemente 43 und 43' ausgesetzt. Daraus folgt, daß das Drehmoment, welches das

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üotorelement 41 antreibt, vergrößert und an der Rotorwelle 20 eine größere Ausgangsleistung erzielt werden kann, als bei den bekannten elektrischen Schrittmotoren. Wie aus der Beschreibung klar hervorgeht,- kann bei dieser Ausführungsform eines elektrischen Schrittmotors die Ausgangsleistung vergrößert werden, ohne daß die Abmessungen oder die elektrische Eingangsleistung vergrößert werden müssen.

In den Pig. 10 bis 12 ist eine weitere Ausführungsform gemäß dieser Erfindung dargestellt, wobei zur Erläuterung wiederum ein fünfphasiger elektrischer Schrittmotor dient. Gemäß Fig. 10 bilden fünf mittels eines Bindemittels 62 an den Seitenplatten 29 und 50 befestigte U-förmige, geschichtete Statorelementenpaare 54- und 54-' die Statorbaugruppen für fünf Phasen, die in Pig. 11 mit den Polen SA, SB, SG, SD und SE bezeichnet sind. An tpäem Polstückteil 58 und 58' der Fünfphasen-Statorbaugruppen sind Kerne 60 und 60* mittels Bindemitteln und Formstücken so befestigt, daß sie über die Rotorzähne 42' einander gegenüberliegen. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der Hinzunahme der Kerne 60 und 60·, die am Umfang die Anzahl der Zähne und radial die Länge der Zähne vergrößern, wodurch die zwischen den Statorzähnen und äen Eotorzähnen wirkende magnetische Anziehungskraft vergrößert wird.

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Da die Kerne 60 und 60' ebenfalls aus geschichtetem, magnetischem Bandmaterial gebildet sind, vergrößern sie nicht die ELsenverluste des geschichteben Statorelementes. In Mg. 10 ist das Formstück mit der Zahl 64 bezeichnet. In Fig. 11 besitzen die Statorelemente und die an die jeweiligen Polstückbeile befesbigten Kerne die Bezugszeichen 54a, 54b, 54c, 54d, 54e bzw. 60a, 60b, 60c, 6Od und 6Oe.

Jeder an einem Polstückteil des Statoreiemenbs befesbigte Kern 60 und 60' ist, wie dies in den Fig. 12A und 12B dargesbellt ist, geschichtet. Gemäß Fig. 12A nind alle Schienben des Ln kreisförmiger fiollenform gewickelben magnetischen Bandmaterials mittels eines Bindemittels, wie Kunstharz mibeinander verbunden und gegenseitig isoliert. DLe Sbatorxähno vier den mittels einer Fräsmaschine gebildeb, die Kerne 60 und 60' werden einfach gebrennt und das Bearbeiben sowie das Teilen der SUinrzähne wird nach dem Befesbigen der Bandrolle am Stator durchgeführt;. Wie aus Fig. 12B ersichtlich, kann die gleiche KonsbrukbionjV/ie ale inFig. 12A dargestellt Lnt, erhalben werden, worin das dünne Band aus magnet LiJ cn em Material, fächerartig geschichtet wird. Durch Befestigen der Korne an den magnet, Lachen Pols bücken dos Stator» kann die effektive Fläche der Hagnebpolstücke dos Stator» beträchtlich vergrößert _? außerdem die Zahl, und die rad La Le LUiIf₁O der Zähne erhöht und das an der Hoborwelle erzeugte Ausgangsdrehmoment beträchtlich vergrößert werden«

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Claims

ΓΪ) Elektrischer Schrittmotor, nor ein Rotorelement mit einer Vielzahl von an dessen Umfang in ^Leichen Abständen angeordneten Rotorzähnen und eine Vielzahl von einander über Ία:* liotoro Lament axial gegenüber Liegenden peripher angeordneten U-rorfliiyen, geschichteten UtaboreLementenpaare besitzt, d a d u r c h gekennzeichnet , daß das Ro tor element; versteift ist (Fit;. 2 bis 7).

2. üiLektrischer Schrittmotor nach Anspruch 1 ,da d u r c h ρ· e k e η η ζ e i c h η e t , daß jedes U-förniijje, ger.-ihichtebe iibatoreleiiienteupaar (4-ΰ, 43') ein äußeres mat n«j tischt)« Polpaai¹ (4ti, ^IiG^t) und ein imieron mar.'notisclies Kipoar (^7, ¹^'/') besiti ι;, wobei jeder eimieLiu; magrietiiiclit; PoL e^ine Vi> L/.aiil /on £;enau den Ro bor .',ohne η [',e^eniiber Liegenden tJtaborL'/ähnon (¹I. r_if 4⁽)'a und ί?()α, 5ö'aj besitzt U¹'Lg. & ^ulul ^)-

"ö. ti'LektrLscher SolirLtbrnoboi· nach AiuspL-uoti Ί , Λ .-.ι -J u ν c h g e k e η η ζ ο L ο h not, daß dio ot'U.()i-.'.-üiUc α r n-Cörni f-uti, geschichti:t;en ^Jtabot-ol οηίοηύο au den nv\ ίι.ι, net. 1.5. -h-.iti i'uL Φ;.; U-förmigen, go£5ciiL--.Ubeberi UtatoreLt-iiiont.?; i-.M'o ■' i._?-,t Lfiubt Ii ii

■- 2 -

BAD ORIGINAL

aus geschichtetem, magnetischem Bandmaterial angebracht sind.

4. Elektrischer Schrittmotor, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß di.e in vorgegebenen Abständen am Umfang angeordneten U-förmigen, geschichteten ßtatorelementenpaare eine Vielzahl von ßtatorzähnen besitzen, die die gleiche I'eilung wie die ßotorzähne haben.

5. Elektrischer Schrittmotor, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen, geschichteten Statorelemente eine "Vielzahl von am Umfang angeordneten ■Statorzähnen, die die gleiche Teile wie die Eotorzähne haben, besitzen und diese auf den Kernstücken aus geschichtetem, magnetischem Bandmaterial angebracht sind, die wiederum an den Magnetpolen der U-förmigen, geschichteten Statorelemente befestigt sind. (Fig. 11 und 12)

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