DE2343781C3 - Elektromagnetischer Miniatur-Schrittmotor - Google Patents

Description

4. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch ge- Teile, insbesondere der beweglichen Teile, leicht erkennzeichnet, daß die beiden koplanaren Teile füllbare Toleranzen, gängige Materialien sowie eine (1, 2) des Stators aneinander durch nichtmagne- Herstellung und Montage in Serie ohne zeitaufwentische Verbindungselemente (4) festgehalten wer- 35 dige Einstellvorgänge.

den, die sie in der gleichen Ebene halten. Bei einem bekannten Miniaturmotor der eingangs

5. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch ge- genannten Art (Literaturstelle »Uhren und Schmuck«, kennzeichnet, daß der Stator (1, 2) auf den Rotor Band 6, 1969, Heft 9, S. 286 bis 288, und Heft 11, (11) eine Axialkraft ausübt, die größer als das S. 350 bis 352) besteht der mehrpolige Rotor aus Gewicht des Rotors (11) ist, und daß der Rotor 40 einer kompakten Scheibe, auf der Pole örtlich besieh um einen festen Zapfen (10) dreht, der an grenzt aufgebracht sind. Diese Anbringung örtlich dem Stator (1, 2) befestigt ist und gleichzeitig als begrenzter Pole ist relativ schwierig und aufwendig. Axiallager dient. Weiterhin weist der Stator dieses bekannten Motors

6. Schrittmotor nach einem der vorhergehenden einen Luftspalt pro Pol des Rotors auf, so daß sich Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sta- 45 ein sehr großes magnetostatisches Moment ergibt, das tor (1, 2) eine äußere Oberfläche (17) aufweist, nur mit großem Energieverbrauch bei Verwendung die seine Zentrierung sicherstellt, und daß diese des Motors als Schrittmotor überwunden werden Oberfläche (17) koaxial zum Zapfen (10) ist, die kann. Entsprechend weist dieser Motor bei Verwenals Drehlager des Rotors (11) dient. dung als Schrittmotor einen sehr schlechten Wir-

7. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch ge- 50 kungsgrad auf und findet daher hauptsächlich als kennzeichnet, daß der Rotor zwei verzahnte Synchronmotor Verwendung. Ein weiterer Nachteil Räder (20, 21) umfaßt, die in Bezug aufeinander dieses bekannten Motors besteht in seinem kompliin Axialrichtung in entgegengesetzten Richtungen zierten Aufbau, der eine sehr kleine Größe fast unmagnetisiert sind, und deren Zähne ineinander möglich macht.

verschachtelt sind. 55 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

elektromagnetischen Miniatur-Schrittmotor der ein-

gangs genannten Art zu schaffen, der bei einfachem

Aufbau die für die Verwendung in Kleinuhren, wie

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagne- Armbanduhren u. dgl. gestellten Forderungen hintischen Miniatur-Schrittmotor mit rotierender Bewe- 60 sichtlich Raumbedarf und Stromverbrauch erfüllt,
gurig für Zeitmeßgeräte mit einem Rotor in Form von Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

zurnindest einer Scheibe mit magnetisierten Teilen löst, daß der Rotor eben ist und zumindest ein Rad und mit einem Stator aus weichmagnetischem Mate- mit « Zähnen umfaßt, die in Axialrichtung in der rial, der zwei zueinander koplanare und ineinander gleichen Richtung magnetisiert sind und daß der verschachtelte Teile umfaßt, die voneinander durch 65 Luftspalt des Stators 2 η radiale von gleichen Wineinen gekrümmten Luftspalt getrennt sind. kein getrennte, dem gezahnten Teil des Rotors gegen-

Elektronische Armbanduhren mit einem Quarz- überstehende Segmente aufweist,
oszillator weisen eine sehr hohe Genauigkeit auf. Bei Der erfindungsgemäß ausgebildete Motor weist

einen sehr geringen Raumbedarf (beispielsweise 6 X 6 χ 4 mm), einen mittleren Stromverbrauch von weniger als 4 Mikroampere bei 1,35 Volt, einen höheren Wirkungsgrad, eine große Einfachheit auf Grund des einzigen beweglichen Teils, gängige Elemente, die in der Serienherstellung verwendbar sind, eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Herstellungstoieranzen und keine Notwendigkeit einer Einstellung auf. Weiterhin weist der Motor die Form eines Moduls auf, das dem Konstrukteur für den Entwurf des Uhrwerks jede Freiheit läßt und die für die Montage sowie für die Wartung nach dem Verkauf günstig ist. Der Motor verträgt die normalen Bedingungen des Trägers der Uhr, wie z. B. Temperaturänderungen, Stöße usw., und er ist sehr leise.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine seitliche teilweise geschnittene Ansicht einer Ausführungsform des Miniatur-Schrittmotors,

F i g. 2 eine teilweise geschnittene Unteransicht der Ausführungsform nach Fi g. 1,

F i g. 3 eine Unteransicht des Stators,

F i g. 4 eine lineare Abwicklung, die das Prinzip des Miniatur-Schrittmotors zeigt,

F i g. 5 eine Darstellung der auf den Rotor wirkenden Kräfte,

Fi g. 6 eine abgeänderte Ausführungsform des Rotors.

F i g. 1 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht und F i g. 2 eine teilweise geschnittene Unteransicht des Motors. Der Stator des Motors ist aus folgenden Teilen aus weichmagnetischem Material (Eisen-Nickel-Legierung) gebildet, die den magnetischen Kreis bilden: ein erstes äußeres Teil 1 und ein zweites inneres Teil 2, das gezahnt ist und von dem ersten Teil durch einen Luftspalt 3 getrennt ist. Diese beiden Teile bilden die Oberseite zweier koplanarer Oberflächen und sind miteinander durch nichtmagnetische Befestigungselemente 4 verbunden. Zwischen den beiden Teilen 1 und 2 wird der magnetische Kreis durch eine Kappe 5 und einen Kern 6 geschlossen, die beide ferromagnetisch sind. Eine Spule 7 aus dünnem Draht umgibt den Kern. Die Spule wird durch eine isolierende Halterung 8 gehaltert, auf der die Anschlußklemmen 9 des Motors befestigt sind. In den Kern 6 ist ein Stift 10 eingetrieben, der als Drehlager für einen Rotor dient, der aus einer dünnen verzahnten Scheibe 11 besteht, die auf ein Kunststoffritzel 12 aufgedrückt ist, das seinerseits ein Drucklager 13 aufweist. Die Scheibe besteht aus einem ferromagnetischen Material mit hoher Koerzitivität wie z. B. aus einer Platin-Kobalt-Legierung oder aus Samarium-Kobalt. Die Scheibe ist homogen in Axialrichtung magnetisiert, und der Stator ist durch einen Deckel 14 ebenfalls aus ferromagnetischem Material vervollständigt, der den Rotor bedeckt und in bezug auf diesen örtliche Änderungen des magnetischen Widerstandes aufweist, die beispielsweise durch öffnungen 15 hervorgerufen werden, die unter gleichen Abständen auf einem Kreis angeordnet sind. Das Teil 1 weist weiterhin Befestigungslöcher 16 sowie einen äußeren Umriß 17 in Form eines Kreises auf.

Die Wirkungsweise des Motors ist folgende: Wenn ein Strom die Erregerspule 7 durchläuft, entsteht eine magnetische Potentialdifferenz zwischen den Teilen 1 und 2 des magnetischen Kreises, wodurch ein Magnetfeld um die Luftspalte herum hervorgerufen wird. Dieses Magnetfeld übt seinerstits Kräfte auf die Zähne des Rotors aus, deren Resultierende ein Drehmoment ist. Wenn sich der Rotor, ausgehend von einer Stellung in der das Drehmoment maximal ist, auf eine Stellung dreht, die gegenüber der Ausgangsstellung um ungefähr ein Viertel der Zahnteilung versetzt ist, wird das Drehmoment zu Null und kehrt sich dann um. Wenn der Strom zu diesem Zeitpunkt abgeschaltet wird, kann sich der Rotor um eine weitere viertel Schritt-Teilung unter der kombinierten Wirkung seiner kinetischen Energie und eines magnetostatischen Drehmomentes drehen. Dieses magnetostatische Drehmoment ist für alle rotierenden Schrittmotoren wesentlich. Es ist in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors von periodischer Art und bestimmt die stabilen Stellungen und die Fähigkeit des Rotors, bei Fehlen eines Erregungsstromes gegen Drehmomente auf Grund der Last und auf Grund von Stoßen Widerstand zu leisten. Die ebene Form des auf den Rotor gerichteten Stators und die gekrümmten Luftspalte führen zu einer Eigenschaft, die für einen Miniatur- oder Mikromotor mit geringem Leistungsverbrauch wesentlich ist: Das magnetostatische periodische Drehmoment, das der Rotor erzeugt, ist sehr gering, selbst wenn der Rotor eine hohe Magnetisierung aufweist. Es ist somit möglich, unabhängige Maßnahmen oder Mittel zu ergreifen, um das Drehmoment in seiner Amplitude und Phase einzustellen. Diese Mittel sind in diesem Fall in dem Deckel angeordnet, dessen regelmäßig angeordnete öffnungen eine periodische Änderung des magnetischen Widerstandes in den den Teilen 1 und 2 in bezug auf den Stator entgegengesetzten Teilen hervorrufen.

Die hohe Magnetisierung des Rotors führt zu einer hohen elektromagnetischen Kopplung und zu einem hohen Wirkungsgrad. Die Einstellung des magnetostatischen Drehmomentes, unabhängig von dem Vorgang der Kopplung ermöglicht die Wahl der Phase des Drehmomentes, die zu besseren Betriebsbedingungen insbesondere in bezug auf eine bevorzugte Drehrichtung führt und die Wahl der Amplitude des Drehmomentes derart ermöglicht, daß dieses an die speziellen Lastbedingungen angepaßt ist.

Eine konstante Axialkraft wirkt in gleicher Weise auf den Rotor in Richtung auf den Stator. Diese Kraft ist größer als das Gewicht des Rotors, so daß ein einfaches Drucklager zur Begrenzung der axialen Bewegung des Rotors unabhängig von seiner Lage ausreicht. Dies ist die Aufgabe des Stiftes 10. Die Axialkraft kann verringert und eingestellt werden, indem der Abstand zwischen dem Rotor und dem Deckel 14 verringert wird. Im Fall von starken Stoßen begrenzt das Drucklager 13 den axialen Weg des Rotors.

Als Beispiel werden im folgenden einige Zahlenwerte einer Ausführungsform des Motors angegeben:

Rotor:

Durchmesser 4,4 mm,

Dicke 0,2 mm,

Material der Scheibe: PtCo,

Masse der Scheibe 15 Milligramm.

Stator: verbunden bleiben. Die Toleranzen des Achsabstan-

„, , „ ... ,.„, des zwischen dem Ritzel des Motors und dem von

Bleche aus Ferronickel von 50 V», _{diesem angetri}ebenen Zahnrad (im allgemeinen ist

Dicke 0,3 mm. _{dies das} Sekundenrad) werden in einfacher Weise

5 erreicht, weil der Motor durch den Umriß 17 aus-

Wicklung: gerichtet wird, der in einer kreisförmigen Ausfräsung

Kupferlackdraht mit einem Durchmesser von 20 μπι, der Plattine aufgenommen wird, die konzentrisch zur

Anzahl der Windungen 4300, Achse ist. Das Teil 1 des Stators erfüllt somit sowohl

Widerstand 2500 Ohm, ^eme magnetische Funktion als auch die Funktion der

ίο Ausrichtung.

Steuerimpulse: Die Montage des Motors ist einfach. Die Spule 7

wird durch Wickeln bei Wärme hergestellt und dann

bipolare Impulse, auf die Halterung 8 geklebt. Nach dem Anlöten der

Frequenz 1 Hz, Drähte an die Klemmen 9 wird die Halterung auf die

Spannung ± 1,2 Volt, ₁₅ Kappe 5 geklebt, die mit dem Kern 6 und dem Stift

Dauer 10 Millisekunden. 10 versehen ist. Die Kappe paßt in seitliche umgebogene Teile des Teils 1. Sobald der Rotor auf den Stift

Mittlerer Stromverbrauch: 4 Mikro-Ampere. aufgesetzt wird, wird er durch magnetostatische

Anzahl der Schritte pro Umdrehung: 12. Kräfte an seinem Platz gehalten. Die Befestigung des

Maximales magnetostatisches Drehmoment: 1 μΝιη. ^a° Deckels kann während der Montage des Motors in

Maximales Antriebs-DrehmomeM: 1,3 μΝιη. f ^e.^r Uhr nach dem Einsetzen des Sekundenrades er-

, _w ... folgen. Der Deckel wird durch die gleichen Schrau-

Abmessungen des Motorgehäuses: _{ben be}f_estig_{t w}j_e das Gehäuse des Motors.

Höhe 4 mm, F i g· 3 zeigt eine Hauptansicht des Stators vor der

Fläche 6X6 mm. as Montage des Rotors. Man erkennt, wie in den F i g. 1

und 2 das äußere Teil 1 und das innere verzahnte

Dieser Motor hat Abmessungen und einen Lei- Teil 2 des Stators, die durch den Luftspalt getrennt

stungsverbrauch, die kompatibel mit einem runden sind, der zwölf radiale Segmente 3 aufweist, die unter

Uhrwerk von 20 mm sind, das von einer Batterie mit gleichen Winkelabständen angeordnet sine'. In der

50 mAh gespeist wird. Wenn die Elektronik ein 30 Mitte des Teils 2 erkennt man das Ende des Kerns 6

Mikroampere verbraucht, stellt der Gesamtverbrauch und den Stift 10, der als Drehlager für den Rotor

von 5 Mikroampere eine Lebensdauer der Zelle dient. Die Teile 1 und 2 des Rotors sind mechanisch

sicher, die ein Jahr überschreitet. Weiterhin ist der durch nichtmagnetische Teile 4 verbunden.

Preis des Motors aus folgenden Gründen niedrig: Das Prinzip der elektromechanischen Kopplung in

Gängige Materialien, mit der Ausnahme von Pt-Co, 35 dem Motor ist in F i g. 4 dargestellt, die eine lineare

das in minimaler Menge benötigt wird. Die verschie- Abwicklung des Motors nach den Fig. 1 und 2 dar-

denen Teile sind leicht herzustellen: der Stator durch stellt. Die entsprechenden Teile sind in den drei Figu-

Stanzen, durch chemische Bearbeitung und durch ren in gleicher Weise beziffert Bei dieser linearen

Biegen, der Rotor durch Stanzen, wobei die Magneti- Geometrie sind die benachbarten Zähne des Stators

sierung in einfacher Weise in einem homogenen Ma- 40 oder des Rotors durch einen Abstand ρ getrennt,

gnetfeld erfolgen kann. Dieser letztere Punkt ist her- während die Mitte eines Pols des Teils 1 von der

vorzuheben, weil ein mehrpoliger Rotor mit abwech- Mitte eines Pols des Teils 2 durch einen Abstand p/2

selnder Magnetisierung Schwierigkeiten bei der Her- getrennt ist. Dieser gleiche Abstand trennt zwei

stellung bei diesen Abmessungen und mit diesem massive Zonen des Deckels und kennzeichnet den

Material mit sehr hohem Koerzitivfeld ergibt. Im 45 Abstand, der von dem Rotor bei jedem Impuls

Gegensatz hierzu verhält sich der verzahnte Rotor, durchlaufen wird.

der in homogener Weise magnetisierte Pole aufweist, In F i g. 4 weist der Rotor eine derartige Stellung die mit Leerzonen abwechseln, wie ein Rotor mit auf, daß seine Zähne auf die Zähne des inneren abwechselnden Polen und ist doch einfach zu magne- Teils 2 des Stators ausgerichtet sind. In dieser Steltisieren. Die Wicklung oder Spule ist leicht herzu- 5° lung wird der maximale Fluß <i>_mox in dem Kern 6 der stellen, weil sie eine einfache Form und einen Draht Spule 7 induziert. Wenn der Rotor sich um p/4 vermit einem Durchmesser aufweist, der ausreicht, damit dreht, verringert sich der Fluß auf die Hälfte. Wenn sich beim Wickeln keine Schwierigkeiten ergeben. er sich um p/2 gegenüber der dargestellten Stellung Die Herstellungstoleranzen sind nicht kritisch. Leichte verdreht, liegen die Zähne des Rotors den Zähnen Ungleichfönmgkeiten m bezug auf die Abmessungen 55 des äußeren Teils 1 des Stators gegenüber, und der oder auf die Magnetisierung der Zähne des Rotors Fluß schließt sich unter fast vollständiger Umgehung oder des Stators haben eine minimale Wirkung, weil des Kerns. Der Fluß in dem Kern nimmt seinen minidie elektromagnetische Kupplung auf alle Zähne des malen Wert Φ,^,, ^O an. Man kann einen elektro-Stators und des Rotors bei jedem Schritt erfolgt. Um mechanischen Kopplungsfaktor α durch das Verhältdas vom Stator herrührende magnetostatische Dreh- 60 nis des Drehmomentes C_E von elektrischem Ursprung moment weitgehend zu verringern, ist es wichtig, daß und des Stromes i definieren, was gleichwertig zum die Teile 1 und 2 in der gleichen Ebene liegen. Dieser Verhältnis der induzierten Spannung V₁ zur Wmkel-Zustand wird automatisch durch das folgende Her- geschwindigkeit Ω ist:
stellungsverfahren sichergestellt:

Durch Bohren oder Stanzen der Löcher 4; Füllen 65 * = CJi = OJQ. (1)
dieser Löcher mit einem Epoxy-Harz; chemische

Herstellung des Luftspaltes 3, der die Teile 1 und 2 Wenn die Änderung des Flusses mit dem Winkel θ

trennt, wobei die Teile mechanisch durch das Harz ungefähr sinusförmig ist, so ist der Kopplungsfaktor

in gleicher Weise eine sinusförmige Funktion des Winkels Θ, dessen Amplitude gleich:

— V_imax/Ü

(2)

Ν(άΦ/ά/θ)_ιηαχ
= 0,5nN<P_max,

wobei N die Anzahl der Windungen der Spule, η die Anzahl der Zähne des Rotors ist. Die Zahnteilung ρ nach F i g. 4 ist auf die Anzahl der Zähne η und auf den mittleren Radius r des Rotors durch:

P = 2 n/n (3)

bezogen.

Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades des Motors ist man daran interessiert, einen hohen Kopplungsfaktor pro Windung zu erzielen, und zwar verbunden mit einem Rotor mit geringer Trägheit. Ohne daß auf die Einzelheiten der Berechnung eingegangen wird, kann ausgesagt werden, daß dieses Kopplungsprinzip in dieser Hinsicht sehr günstig ist. Der Ausdruck (2) zeigt, daß &_max mit der Anzahl der Zähne anwächst, weil Φ_ηαχ konstant ist, wenn die Anzahl gering ist. Im Gegensatz hierzu wird, wenn die Anzahl groß ist, der seitliche Fluß der Zähne bedeutend und verringert Φ,_ηαχ.
durch:

Der Fluß *_mux ist gegeben

1'max = kn^Mbldle

max = k\L_üMV_dle,

wobei μ₀Μ die Magnetisierung der Zähne des Rotors (freie Induktion) ist, b, d und e die in F i g. 3 dargestellten Abmessungen sind, / die Länge der Zähne senkrecht zu der Figur ist, k ein Zahlenfaktor ist, der die Verteilung der Flußlinien in der Luft und damit die geometrischen Verhältnisse berücksichtigt. Die zweite Gleichung zeigt, wie sich das Gesamtvolumen V_d der Zähne auswirkt (aktives Volumen).

Die folgenden Zahlenwerte entsprechen dem beschriebenen Motor: b = 0,6 mm, / = 1 mm, d — 0,2 mm, e = 1 mm, η = 6, V_d = 0,72 mm³, μ₀Μ = 0,45 Vs/m², k = 1,1, Φ_ηαχ = 0,37 Mikrovolt-Sekunden, a_max = 4,7 · 10~' Vs/rad.

F i g. 4 zeigt in gleicher Weise die Anordnung des Deckels, dessen abwechselnden massiven Teile 14 und ausgenommenen Teile 15 die Erzeugung der stabilen Stellungen des Rotors bewirken. Diese stabilen Stellungen entsprechen fast denen, in denen die Zähne des Rotors auf die massiven Teile 14 zentriert sind. Es ist aus F i g. 4 zu erkennen, daß die massiven Teile gegenüber den Zähnen des Stators um einen Wert 5 versetzt sind. Eine Versetzung von S · p/4 ergibt stabile Stellungen, die mit dem Maximum des Kopplungsfaktors zusammenfallen, dies ist jedoch nicht erstrebenswert, weil der Rotor ohne Festlegung in beiden Richtungen rotieren kann. Eine Versetzung S, die zwischen p/12 und p/6 liegt, erteilt dem Motor eine bevorzugte Drehrichtung. Die geometrischen Proportionen des Deckels werden so gewählt, daß das gewünschte magnetostatische Drehmoment C_m erzielt wird.

F i g. 5 ist ein Diagramm, das in Abhängigkeit von dem Winkel θ die verschiedenen Drehmomente zeigt, die auf den Motor wirken. Das Drehmoment von magnetischem Ursprung C_n ist eine angenähert sinusförmige Funktion des Winkels Θ, dessen Periode p/2 ist. Die stabilen Stellungen des Rotors sind bei Fehlen eines Ausgangsdrehmomentes durch die Nulldurchgänge von C_n, gegeben, an denen die Ableitung negativ ist. Einer dieser Nulldurchgänge wird als Winkelursprung θ = 0 genommen. Das Drehmoment elektrischen Ursprungs, das durch einen Strom durch die Spule hervorgerufen wird, ist in gleicher Weise eine fast sinusförmige periodische Funktion des Winkels Ö, jedoch mit der Periode p, und ihre Phase ist durch die relative Stellung der Zähne des Stators in

ίο bezug auf die Öffnungen des Deckels bestimmt. In der F i g. 5 ist der Spezialfall dargestellt, für den die Nulldurchgänge von C_e den Maxima von C_M entsprechen und in dem die Amplitude von C, doppelt so groß ist wie die Amplitude von C_M. Ein erster positiver Stromimpuls ruft ein Drehmoment C_{e 1} hervor. Die Überlagerung der Drehmomente C_e und C_M ergibt die resultierende Funktion C₁, die gültig ist, solange der Strom angelegt ist. Wenn ausgehend von der stabilen Stellung θ = 0 ein Strom angelegt wird,

ao so ist das resultierende Drehmoment C₁ positiv und treibt den Rotor an. Dieses Drehmoment bleibt positiv bis zum Winkel θ = θ,, für den es zu Null wird. Es ist jedoch nicht zweckmäßig, den Strom so lange aufrechtzuerhalten, und zwar auf Grund des Energie-

as Verbrauchs. Es wird eine Impulsdauer derart gewählt, daß der Rotor sicher seine neue stabile Stellung erreicht. Dies ist in jedem Fall möglich, wenn der Strom zu dem Zeitpunkt abgeschaltet wird, zu dem θ = piA ist, weil das Drehmoment C_n, von β = p/4 bis θ = p/2 einen zusätzlichen Antrieb des Rotors sicherstellt.

Im dynamischen Zustand kann man die kinetische Energie des Rotors ausnutzen, damit dieser einen Bereich überschreitet, in dem C_m negativ ist, wodurch die Dauer des angelegten Impulses C₁, j weiter verringert werden kann. Andererseits kann diese kinetische Energie dazu führen, daß der Rotor seine neue Gleichgewichtsstellung überschreitet. Um zu vermeiden, daß er sich um einen Schritt weiter vorwärts bewegt oder lange Zeit um diese neue Stellung herumschwingt, können folgende Mittel verwendet werden: Dämpfung durch magnetische Verluste oder durch Foucault-Ströme in dem Stator; Anlegen eines kurzen Bremsimpulses, während der Rotor eine Stellung aufweist, die zwischen θ = θ_ρ und θ = p/2 liegt; Einführung eines Mechanismus, der den Rücklauf des Rotors verhindert (Klinkenrad).

Wenn der folgende Impuls eine zum vorhergehenden Impuls entgegengesetzte Polarität aufweist, so hat das elektrisch erzeugte Drehmoment eine Änderung mit dem Winkel, die durch die Kurve C_{4 2} dargestellt ist. Die Überlagerung dieses Drehmomentes und des magnetostatischen Drehmomentes C_M ergibt eine (nicht dargestellte) Kurve, die genau den gleichen Verlauf wie C₁ hat, die jedoch um einen Winkel versetzt ist, der p/2 entspricht. Der Rotor wird den gleichen Bedingungen unterworfen und bewegt sich erneut um einen Schritt vorwärts, der p/2 entspricht.

Um die Richtungseigenschaften des Motors sicherzustellen, kann man die Wirkung eines zweiten Impulses mit gleicher Polarität wie der ersten untersuchen. Man erzielt erneut ein resultierendes Drehmoment, das durch die Kurve C₁ dargestellt ist, diesmal befindet sich der Rotor jedoch in der Ausgangsstellung, die dem Winkel θ = p/2 entspricht. Dem Rotor wird ein rückläufiges Drehmoment erteilt, dieses Drehmoment verringert sich jedoch sehr schnell, sobald der Rotor rückwärts läuft und wird

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ίο

für einen Winkel 0_e zu Null, der wiederum sehr nahe an der Ausgangsstellung liegt. Selbst wenn der Strom sehr lange angelegt wird, dreht sich der Rotor nicht um einen wesentlichen Winkel rückwärts und kehrt in die gleiche stabile Stellung nach dem Verschwinden des Stromes zurück.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die relative Stellung und die Amplituden der magnetostatischen oder elektrischen Drehmomente dem Motor die folgenden Eigenschaften erteilen:

1. Richtige Betriebsweise mit Hilfe von Impulsen mit abwechselnder Polarität (bipolare Impulse).

2. Einseitig gerichtete Bewegung (rückläufige Bewegung ausgeschlossen). i_S

3. Wenn der Motor eine falsche Ausgangsposition aufweist, bleibt er während des ersten Impulses unbeweglich und bewegt sich ausgehend von dem zweiten Impuls in richtiger Weise vorwärts.

F i g. 6 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des Rotors, die aus zwei gezahnten Scheiben 20 und und 21 besteht. Jede dieser Scheiben weist die gleiche Anzahl von Zähnen auf wie der Rotor nach F i g. 2, und die Scheiben sind in Axialrichtung homogen magnetisiert. Diese Scheiben weisen Zähne mit der gleichen Dicke wie in F i g. 1 sowie einen dünneren mittleren Teil auf. Zwei dieser Scheiben sind durch Umkehrung der einen gegenüber der anderen derart befestigt, daß ihre Zähne ineinander verschachtelt sind und daß die Richtungen 22 und 23 der Magnetisierung gegenseitig entgegengesetzt sind. Auf diese Weise wird ein zusammengesetzter Rotor mit abwechselnden Polen erzielt. Der Kopplungsfaktor wird verdoppelt, und der Wirkungsgrad wird gegenüber dem Motor mit dem einfachen Rotor nach den F i g. 1 und 2 verbessert. Diese Verbesserung wird offensichtlich durch zusätzliche Herstellungsvorgänge bezahlt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 Verwendung eines Quarzoszillators werden elektro Patentansprüche: nische Einrichtungen verwendet, die die höh» Schwingfrequenz des Quarzes teilen, um Impulse mi

1. Elektromagnetischer Miniatur-Schrittmotor niedriger Frequenz zu erzeugen, die die Anzeigevor mit rotierender Bewegung für Zeitmeßgeräte mit 5 richtung speisen. Abgesehen von einigen Prototypen einem Rotor in Form von zumindest einer Scheibe die eine elektronische Anzeige aufweisen, Verwender mit magnetisierten Teilen und mit einem Stator die meisten zur Zeit hergestellten quarzgesteuertei »us weichmagnetischem Material, der zwei zuein- Uhren eine Zeigeranzeige., wobei die Zeiger durcl ander koplanare und ineinander verschachtelte einen sehr kleinen Miniaturmotor angetrieben werden Teile umfaßt, die voneinander durch einen ge- ίο Die kleinen Abmessungen des Uhrwerks erforden krümmten Luftspalt getrennt sind, dadurch einerseits einen sehr geringen Raumbedarf des Mo gekennzeichnet, daß der Rotor (11) eben tors und andererseits einen mittleren Stromverbrauch ist und zumindest ein Rad mit η Zähnen umfaßt, der sehr niedrig ist und der den Betrieb an einei die in Axialrichtung in der gleichen Richtung Miniaturbatterie ermöglicht, die zumindest eine Le magnetisiert sind, und daß der Luftspalt des Sta- 15 bensdauer von einem Jahr aufweisen muß. Bei dieser tors (1, 2) 2 η radiale, von gleichen Winkeln ge- Forderungen besteht die Gefahr, daß sich ein Motoi trennte, dem gezahnten Teil des Rotors (11) ge- ergibt, dessen mechanisches Drehmoment so gerinf genüberstehende Segmente aufweist. ist, daß seine Wirkungsweise nur wenig sicher ist unc

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch ge- daß er nicht in der Lage" ist, einen Datumsmechaniskennzeichnet, daß er Einrichtungen (14, IS) zur 20 mus anzutreiben. Um diese Gefahr zu vermeiden Festlegung von 2 η stabilen Winkelstellungen auf- muß der Miniaturmotor somit einen hohen Wirkungsweise grad aufweisen, um ein mechanisches Drehmoment

3. Schrittmotor nach Anspruch 2, dadurch ge- zu liefern, das mit dem von größeren Motoren verkennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der gleichbar ist und dies bei einem möglichst geringer 2 η stabilen Winkelstellungen aus einer zusatz- as Enersieverbrauch. Der Motor muß unter den norliehen Platte (14) aus weichmagnetischem Mate- malen Bedingungen des Benutzers oder Trägers rial bestehen, die mit dem Stator (1, 2) verbunden funktionieren und damit gegen Stöße, Temperaturist und parallel zu dessen Ebene verläuft, und daß unterschiede, magnetische Felder usw. Widerstandsdiese Platte (14) für den Rotor periodische An- fähig sein, ohne daß die Gefahr einer fehlerhafter derungen des magnetischen Widerstandes ergibt, 30 Betriebsweise besteht. Der niedrige Preis erforderl die die 2 η stabilen Stellungen definieren. ein einfaches Prinzip, eine verringerte Anzahl dei