DE2433809C3

DE2433809C3 - Stepper motor

Info

Publication number: DE2433809C3
Application number: DE19742433809
Authority: DE
Inventors: Heinz 7031 Weil; Zimmermann Volker 7032 Sindelfingen; Zühlke Rainer Dr 7251 Warmbronn Lutz
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Filing date: 1974-07-13
Publication date: 1978-02-23

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrittmotor mit einem Stator, der Erregerwicklungen tragende ausgeprägte Statorpole mit durch Nuten getrcnnlen Statorzähnen besitzt, und mit einem träghcilsarmen Rotor, der durch Nuten getrennte Rotorzähne aufweist.The invention relates to a stepper motor with a stator, the excitation windings bearing pronounced Stator poles with stator teeth separated by slots, and with a low-inertia rotor, the has rotor teeth separated by grooves.

Ein derartiger Schrittmotor ist aus der I R-PS 20 67 148 bekannt. Zur Erzielung eines kleinen Trägheitsmomentes ist der Rotor dieses Motors rohrförmig ausgebildet, wobei die Zähne und Nuten des Rohrus angeordnet sind.Such a stepper motor is known from I R-PS 20 67 148. To achieve a small moment of inertia the rotor of this motor is tubular, with the teeth and grooves of the tube are arranged.

Ein ähnlicher Schrittmotor ist in der DE-OS 20 22 750 beschrieben, bei dem ebenfalls der Rotor aus einem in der Mantelfläche gezahnten Hohlzylinder besieht. In dem Hohlzylinder steht ein Kern, der über magnetische Rückflüsse mit den Statorpolen verbunden ist. Durch die Ausbildung des Rotors als Hohlzylinder ist es möglich, das Trägheitsmoment des Rotors etwa um den Faktor 2 gegenüber einem vollen Rotor zu verkleinern.A similar stepper motor is described in DE-OS 20 22 750, in which the rotor is also made of an in the outer surface of the toothed hollow cylinder. In the hollow cylinder there is a core that has magnetic Return flows associated with the stator poles. By designing the rotor as a hollow cylinder, it is possible to reduce the moment of inertia of the rotor by about a factor of 2 compared to a full rotor.

Durch die DE-OS 22 23 153, insbesondere deren F i g. 2 und deren Patentanspruch I, ist ein Schrittmotor bekannt, bei dem der Rotor auf der den .Statorpolen zugekehrten Seite kegelstumpfförmig ausgebildet ist. In der Ausführungsform nach F i g. 2 ist der Rotor über mehr als uie Hälfte seiner Länge zylinderförmig, und der Rest ist ein stumpfer Konus, so daß diese Rotorform von der Zylinderform nur sehr wenig abweicht. Weshalb der den Statorpolpaaren zugekehrte Teil des Rotors kegelstumpfförmig ist, ist nicht erläutert.By DE-OS 22 23 153, in particular its F i g. 2 and claim I is a stepper motor known, in which the rotor is frustoconical on the side facing the .Statorpolen. In the embodiment according to FIG. 2 the rotor is cylindrical over more than half of its length, and the The rest is a blunt cone, so that this rotor shape deviates very little from the cylindrical shape. Why the The part of the rotor facing the stator pole pairs is frustoconical, is not explained.

Die DE-PS 20 b4 539 beschreibt einen Elektromotor, bei dem der Wicklungsträger hohl und schwach konisch ausgebildet ist. Zur schnellen Abbremsung dieses Motors wird der konische Wicklungsträger gegen einen im Innern dieses Wicklungsträgers angeordneten ebenfalls konischen Kern axial verschoben, wobei beide Flächen als Bremse wirken.DE-PS 20 b4 539 describes an electric motor in which the winding support is hollow and slightly conical is trained. For rapid braking of this motor, the conical winding support is against a in the interior of this winding support also displaced conical core axially, with both Areas act as a brake.

Die FR-PS 20 67 148, die DE-OS 20 22 750 und die DE-AS 20 64 539 beweisen, daß man vor dem Anmeldezeitpunkt bestrebt war, das Trägheitsmoment der Rotoren von Elektromotoren kleinzuhalten. Mit dem rohrförmigen Rotor war man jedoch an der Grenze der Möglichkeiten angelangt.The FR-PS 20 67 148, the DE-OS 20 22 750 and DE-AS 20 64 539 prove that you can do before At the time of registration, efforts were made to keep the moment of inertia of the rotors of electric motors small. With The tubular rotor, however, had reached the limit of possibilities.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schrittmotor mit magnetisiertem Rotor zu schaffen, dessen Trägheitsmoment allein durch eine besondere Formgebung des Rotors wesentlich kleiner ist als das Trägheitsmoment eines Rotors mit zylindrischer Form, ohne daß das Drehmoment im gleichen Maße reduziert wird. Diese spezielle Formgebung ist sowohl für cnen vollen als auch für einen hohlen Rotor möglich.The object of the invention is to create a stepping motor with a magnetized rotor, its moment of inertia The special shape of the rotor alone is significantly smaller than the moment of inertia a rotor with a cylindrical shape without reducing the torque to the same extent. This special shapes are possible for both a full and a hollow rotor.

Diese Aufgabe wird bei einem Schrittmotor der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch *^Te!öst daß bei ciMCiii Schrittmotor init einem nu!ⁱⁱnet!-This object is achieved with a stepping motor of the type mentioned according to the invention characterized öst ^T e *! CiMCiii that when stepper motor init a nu! ⁱⁱ net! -

sicrten Rotor der Rotor im gesamten aktiven Bereich die Form eines Kegels aufweist.sicrten rotor the rotor in the entire active area has the shape of a cone.

Durch die Kegelform des Rotors kann dns Trägheitsmoment verringert werden, ohne daß das Drehmoment des Schrittmotors im gleichen Maße reduziert wird. Außerdem ist die Dämpfung eines kegelförmigen Rotors größer als die eines zylindrischen Rotors, so daß der kegelförmige Rotor schneller zum Stillstand kommt als ein zylindrischer. Zwar sind durch die DE OS 22 21 153 und die DK-AS 20 64 539 bereits Elektromotoren bekannt, deren Rotoren Andeutungen konischer Können aufweisen, in allen diesen Fallen weicht jedoch die Rotorform nur ganz geringfügig von der Zylinderform ab, so daß die leicht konische Ausbildung keinen merklichen Einfluß auf das Trägheitsmoment der Rotoren haben konnte. Die leicht konische Form wurde aus völlig anderen Gründen gewählt, teils um die Stabilität des Rotors zu vergrößern, teils um solche Rotoren bequem abbremsen zu können.Due to the conical shape of the rotor, the moment of inertia can be reduced without reducing the torque of the stepping motor to the same extent. In addition, the damping of a conical rotor is greater than that of a cylindrical rotor, so that the conical rotor comes to a standstill faster than a cylindrical one. Although the DE OS 22 21 153 and DK-AS 20 64 539 already have electric motors known whose rotors show hints of conical ability, in all these cases, however, gives way the rotor shape only slightly differs from the cylindrical shape, so that the slightly conical design does not could have a noticeable influence on the moment of inertia of the rotors. The slightly conical shape was Chosen for completely different reasons, partly to increase the stability of the rotor, partly to increase the stability of the rotor Braking rotors comfortably.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung entspricht bei einem Schrittmotor mit bei einem beliebigen Querschnitt gleich breiten Nuten und Zähnen für Rotor und Stator die Lange des Rotors etwa dem drei- bis vierfachen des Radius der Kegelgrundfläche.According to a further development of the invention, in a stepper motor corresponds to any one Cross-section of the same width grooves and teeth for rotor and stator, the length of the rotor about three to four times the radius of the cone base.

Der Rotor kann als Hohlkegcl ausgebildet sein, in dessen Innerem ein kv ^eiförmiger Kern steht.The rotor can be designed as a hollow cone, in the inside of which is a kv ^ ovoid nucleus.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Ei .ndung ist der Rotor ein permanentmagnetischer. zwei unterschiedliche Pole bildender Doppelkegel, dem zwei entsprechende zu einer Mittelebene symmetrische und die Erregerwicklung tragende, gleichsinnig erregte Statorpole gegenüberstehen, die über eine ringförmige, magnetisch leitende Rückführung für den magnetischen Gleichlkiß des Rotors miteinander verbunden sind und wobei die Zähne und Nuten der beiden Teilrotoren oder der beiden Statorpole gegeneinander versetzt sind.According to a further embodiment of the opening the rotor is a permanent magnet. double cone forming two different poles, the two corresponding to a center plane symmetrical and carrying the excitation winding, excited in the same direction Opposite stator poles, which have an annular, magnetically conductive return for the magnetic Gleichlkiß of the rotor are connected to each other and wherein the teeth and grooves of the two part rotors or the two stator poles are offset from one another.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, 'laß der Rotor auf einer das spitze Ende des Kegels überragenden Welle befestigt ist und dadurch die Form eines Kcgelstumpfes annimmt und daß die Länge des Kegelstumpfes gleich dem 3,2fachen des Grundflächenradius des Kegels ist, wenn der Radius der Welle ein Fünftel des Radius der Kegelgrundflache beträgt.Another development of the invention is characterized in that 'let the rotor on one of the pointed end of the cone protruding shaft is attached and thereby assumes the shape of a truncated cone and that the length of the truncated cone is equal to 3.2 times the base radius of the cone, if the radius of the shaft is one fifth of the radius of the cone base area.

Der Rotor und die Stalorpole können durch Sintern von körnigem und pulverigem Eisen in Formen hergestellt sein.The rotor and the stalor poles can be made by sintering granular and powdery iron into shapes be made.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der F i g. I bis 9 näher erläutert werden.In the following, the invention is intended to be based on FIGS. I to 9 are explained in more detail.

Fig. I ist ein schematischer Längsschnitt durch einen zylindrischen Rotor,Fig. I is a schematic longitudinal section through a cylindrical rotor,

Fig. 2 ist ein schematischer Längsschnitt durch einen kegelförmigen Rotor gemäß der Erfindung,Fig. 2 is a schematic longitudinal section through a conical rotor according to the invention,

F i g. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Schrittmotor gemäß der Erfindung mit vollem Rotor,F i g. 3 shows a longitudinal section through a stepping motor according to the invention with full rotor,

F i g. 4 ist ein Querschnitt durch den stehenden Teil des Schrittmotors nach F i g. 3,F i g. 4 is a cross-section through the standing part of the stepping motor according to FIG. 3,

F i g. 5 zeigt den Rotor für den Schrittmoior nach den F i g. 3 und 4,F i g. 5 shows the rotor for the stepping mode after F i g. 3 and 4,

F i g. 6 veranschaulicht die Zahnung von Rotor und Statorpolen des in den Fig. 3 bis 5 dargestellten Schrittmotors,F i g. 6 illustrates the toothing of the rotor and stator poles of the one shown in FIGS. 3 to 5 Stepper motor,

F i g. 7 zeigl die Impulsfolgen, die den Statorwicklungen des in den Fig. 3 bis 5 dargestellten Schrittmotors zugeführt werden.F i g. 7 shows the pulse trains that the stator windings of the stepper motor shown in Figs are fed.

F i g. 8 ist ein Längsschnitt durch einen Schrittmotor gemäß der Erfindung mit hohlem Rotor,F i g. 8 is a longitudinal section through a stepper motor according to the invention with a hollow rotor;

Fig." ist ein Längsschnitt durch einen Schriiirrioioi gemäß der Erfindung mit einem als Doppelkegel ausgebildeten Rotor.Fig. "Is a longitudinal section through a step according to the invention with a rotor designed as a double cone.

Anhand eines rechnerischen Vergleichs sollen die Vorteile eines vollen kegelförmigen Rotors gegenüberA computational comparison is used to compare the advantages of a full conical rotor

S einerr. vollen zylindrischen Rotor nachgewiesen werden. In den Fig. 1 und 2 sind Schnitte durch solche Rotoren dargestellt. Die Magnetisierung in diesen Rotoren wird durch mit Wicklungen versehene Kerne erzeugt, die an der linken Seite der Rotoren axial zu diesen angeordnetS oner. full cylindrical rotor can be detected. 1 and 2 are sections through such rotors shown. The magnetization in these rotors is generated by cores with windings attached to the left side of the rotors arranged axially to these

ίο sind, so daß nur ein geringer Luftspalt /wischen dem Rotor und dem Kern bestehen bleibt. Um die Mantelfläche der Rotoren sind in F i g. 1 und 2 nicht dargestellte Statorpole angeordnet, die im Falle des Zylinders gemäß F i g. 1 rechteckige Form aulweisen, imίο are so that only a small air gap / wipe the Rotor and the core remains. Around the outer surface of the rotors are shown in FIG. 1 and 2 do not arranged stator poles, which in the case of the cylinder according to FIG. 1 rectangular shape, im

is FaIk des Kegels nach F i g. 2 zur Spitze hin keilförmig zusammenlaufen und an den Polflächen i'er Form des Rotors angepaßt sind. Der magnetische FIuU wird den Rotoren über die Stirnfläche zugeführt und tritt an der Mantelfläche wieder aus. Die Mantelfläche besteht nuris FaIk of the cone according to FIG. 2 wedge-shaped towards the tip converge and at the pole faces i'er form the Rotors are adapted. The magnetic FIuU is fed to the rotors via the face and occurs at the Outer surface again. The outer surface only exists

jo zur Hälfte aus Zähnen, von denen in jeder Stellung '/< den Statorzähnen direkt, '/·» den Statorzühnen zurllüllte und '/4 den Statorzähnen nicht gegenüberstehen. In jeder Stellung des Rotors tritt demnach der über die Stirnfläche eintretende magnetische Fluß nur auf einem Viertel der Mantelfläche aus.jo half of teeth, of which '/ < the stator teeth directly, '/ · »enveloped the stator teeth and '/ 4 do not face the stator teeth. In In every position of the rotor, the magnetic flux entering via the end face occurs only in one position Quarter of the outer surface.

Setzt man gleiche Flußdichte voraus, dann gilt für den zylindrischen Rotor gemäß F 1 g.If one assumes the same flux density, then applies to the cylindrical rotor according to F 1 g.

R/ = i 2 .7 R, I, . R / = i 2 .7 R, I,.

Daraus läßt sich errechnen, daßFrom this it can be calculated that

I,. = 2 R, (2| I ,. = 2 R, (2 |

zum Austritt des gesamten über die Stirnfläche eintretenden Flusses ein Rotor quadratischen Längsschnitts genügt. Eine Verlängerung des Rotors brächte keine Vorteile, da dadurch nur die Drehmasse erhöht würde, ohne daß die Kraft erhöht wird.a rotor with a square longitudinal section for the exit of the entire flow entering via the end face enough. Lengthening the rotor would not have any advantages, as it would only increase the rotating mass would without increasing the force.

Es sollen nun die Größenverhältnisse des kegelförmigen Rotors gemäß F i g. 2 untersucht werden. Auch hier kann der über die Stirnfläche eintretende magnetische Fluß wegen uer Zahnung nur an einem Viertel der Mantelfläche austreten. Aus der Formel für die Manielfläche eines Kegels und seiner Stirnfläche ergibt sichThe proportions of the conical rotor according to FIG. 2 are examined. Here too the magnetic flux entering via the end face can only occur at a quarter of the Emerge from the outer surface. From the formula for the maniel area of a cone and its end face results himself

In dieser Gleichung bedeutet Sk die Länge einer Mantellinie. Löst man diese Gleichung aul, dann erkennt man,daßIn this equation, Sk means the length of a surface line. If one solves this equation, then one realizes that

= 4 Ä, = 4 Ä,

ho Die Länge des Kegels /*· kann mit Hilfe des Salzes des Pythagoras aus /?*, und \*,=4/?a, leicht errechnet werden. Es ergibt sichho The length of the cone / * · can be determined with the help of the salt of the Pythagoras from /? *, And \ *, = 4 /? A, easily calculated will. It surrenders

/. = 3.S7/. = 3.S7

Im folgenden sollen nun für beide Rolorlormen dasIn the following, the following should now be used for both Rolorlormen

TrtighüiiSiVitMnCni bcrCk. ΓίΓιΟίTrtighüiiSiVitMnCni bcrCk. ΓίΓιΟί

C I Il MLJI UV.¹! I I Ll I IUCI Il MLJI UV. ¹ ! II Ll I IU

werden. Für das Drehmoment Abgilt ganz allgemein Λ/ = K 2.7 I r(x)²ul. ((will. For the torque, / = K 2.7 I r (x) ² ul. ((

In dieser Gleichung ist £ die Krafi pro Flächcnelcment, r der Radius und dl der Differentialquotient der Länge. Set/t man in Gleichung 6 die Werte für den zylindrischen Rotor nach Fig. 1 ein und läßt den konstanten Faktor K 2„t weg, so erhält manIn this equation, £ is the force per surface area, r is the radius, and dl is the differential quotient of the length. If one sets / t in equation 6 the values for the cylindrical rotor according to FIG. 1 and omits the constant factor K 2 · t, one obtains

M/ - Ry.fax.M / - Ry.fax.

ο
Daraus ergibt sich dannο
From this it then follows

My. -RlJ₂.My. -RlJ ₂ .

(7)(7)

(S)(S)

und wenn man für// = 2/?/(Gleichung [2]) einsetztand if one substitutes /? / (equation [2]) for // = 2

M₇ -2 Rl. (9) M ₇ -2 Rl. (9)

Setzt man in die Gleichung 6 die Werte für den Kegel ein und läßt ebenfalls wieder den konstanten Faktor K 2π weg, dann ergibt sichIf the values for the cone are inserted into equation 6 and the constant factor K 2π is again omitted, the result is

M,- RIf(I ^) äs. In dieser Beziehung wird nun dadurch M, - RIf (I ^) as. In this respect it is now

n?^dA-|'^/+ H n? ^dA - | ' ^{/ +} H

ersetzt, so daß man schließlichreplaced so that one finally

MRk ι ;2 , p2 _ λ ~ "T I 'λ + ^κκ — MRk ι; 2, p2 _ λ ~ "TI 'λ + ^κ κ -

^SK ^S K

(12)(12)

erhält. Ersetzt man in diesem Ergebnis s*durch den in Gleichung 4 ermittelten Wert, dann ergibt sichreceives. If you replace s * in this result with the in Equation 4 determined value, then results

(13)(13)

ι,ι,
JJ

Aus dieser ergibt sich schließlichFrom this it finally follows

(15)(15)

(16)(16)

Werden in die allgemeine Formel 14 für das Trägheitsmoment eines rotationssymmelrischen Körpers die Werte für den Kegel eingesetzt und derAre in the general formula 14 for the moment of inertia of a rotationally symmetrical body the values used for the cone and the

konstanieFaktor·,ο.τ wieder weggelassen, dann erhält man für ilen Kegel die BeziehungconstanieFaktor ·, ο.τ again omitted, then received one for ilen cone the relationship

d.v. (17)d.v. (17)

Nach Lösung der Integration ergibt sichAfter solving the integration results

^RiK ¹K 11■ — - , (IS) ^Ri K ¹ K 11 ■ - - , (IS)

und wenn man in diese Gleichung für /_A den Wert aus Gleichung 5 einsetzt _{and if one substitutes} the value from equation 5 in this equation for / A

.1».1"

Vergleicht man die Beziehungen 9 und 13, unter der Annahme, daß Rz= Rk. miteinander, dann erkennt man. daß das Drehmoment des zylindrischen Rotors etwas größer ist als das des kegelförmigen Rotors.If one compares the relationships 9 and 13, under the assumption that Rz = Rk. With each other, then one recognizes. that the torque of the cylindrical rotor is slightly larger than that of the conical rotor.

Das Trägheitsmoment eines rotationssymmetrischen Körpers ergibt sich zuThe moment of inertia of a rotationally symmetrical body results in

xfdx. (14) xfdx. (14)

In dieser Gleichung ist ρ die Dichtein kg ■ m-⁴ ■ see². Läßt man in dieser Gleichung den konstanten FaktorIn this equation, ρ is the density in kg ■ m- ⁴ ■ see ² . Leaving the constant factor in this equation

y.'.Tweg und setzt die Werte für den Zylinder ein, dann erhält many. '. Tweg and inserts the values for the cylinder, then you get

55 3.87 55 3.87

Rk —' = 0. Rk - '= 0.

= 0,774«;= 0.774 ";

(19)(19)

Vergleicht man die Gleichungen 16 und 19 und berücksichtigt, daß Ry= /?a. ist, dann erkennt man. daß das Trägheitsmoment eines kegelförmigen Rotors noch nicht einmal halb so groß ist wie das Trägheitsmoment eines zylindrischen Rotors.Comparing equations 16 and 19 and considering that Ry = /? A. is, then one recognizes. that the moment of inertia of a conical rotor is not even half as large as the moment of inertia of a cylindrical rotor.

Es wurde bereits erwähnt, daß die Beschleunigung eines Schrittmotors um so größer ist, je größer das Verhältnis seines Drehmomentes zu seinem Trägheitsmoment ist. Dieses Verhältnis kann auch als Güte bezeichnet werden. Für den zylindrischen Rotor ergibt sich aus den Gleichungen 9 und IbIt has already been mentioned that the acceleration of a stepper motor is greater, the greater it is Is the ratio of its torque to its moment of inertia. This relationship can also be called goodness are designated. Equations 9 and Ib result for the cylindrical rotor

1
Rl 1
Rl

(20)(20)

Das Verhältnis von Drehmoment zu Trägheitsmoment für den Kegelrotor ergibt sich aus der Gleichungen 13 und 19 zuThe ratio of torque to moment of inertia for the cone rotor results from the Equations 13 and 19 too

'κ'κ

0,774/??0.774 / ??

= 1.72= 1.72

Aus den Gleichungen 20 und 21 erkennt man, daß der kegelförmige Rotor bei /?/= Rk um den Faktor 1.72 besser beschleunigt als der zylindrische Rotor.From equations 20 and 21 it can be seen that the conical rotor at /? / = Rk accelerates better than the cylindrical rotor by a factor of 1.72.

Bei der Berechnung wurden ein voller zylindrische! Rotor mit einem vollen kegelförmigen Rotor vergli chen. Zu den gleichen Gütefaktoren kommt man, wenr man einen hohlen zylindrischen Rotor mit einem hohler kegelförmigen Rotor vergleicht. Die Größenverhältnis se und die Drehmomente sind die gleichen für hohle unc volle Rotoren. Die Trägheitsmomente vermindern sich bei beiden Arten von Rotoren um das Trägheitsmomeni des im Inneren weggelassenen Teils des Rotors, so da C sich beispielsweise für das Trägheitsmoment de; HohlzylindersWhen calculating, a full cylindrical! Rotor with a full cone-shaped rotor compare chen. One arrives at the same quality factors if one has a hollow cylindrical rotor with a hollow one conical rotor compares. The size ratios and the torques are the same for hollow unc full rotors. The moments of inertia are reduced by the moment of inertia in both types of rotors of the part of the rotor omitted inside, so that C is, for example, the moment of inertia de; Hollow cylinder

2R₂(R₂-4)2R ₂ (R ₂ -4)

(16')(16 ')

f>5 und für das Trägheitsmoment des Hohlkegels f> 5 and for the moment of inertia of the hollow cone

/χ höh, ~0,774 R_K (RJ-rf)/ χ height, ~ 0.774 R _K (RJ-rf)

(19')(19 ')

ergibt.results.

Der Einfachheit halber wurde bisher angenommen, daß die magnetische Flußdichte des Gleichflusses am Rotormantel gleich der magnetischen Mußdichie an der Stirnfläche ist, und daß die Zähne und die Nuten gleich breit sind. Abweichungen von diesen Annahmen führen bei analoger Berechnung zu etwas anderen Rotorlängen. An der Überlegenheit des kegelförmigen Rotors gegenüber dem zylindrischen Rotor ändert sich jedoch dadurch nichts.For the sake of simplicity, it has been assumed so far that the magnetic flux density of the constant flux at the rotor shell is equal to the magnetic mustdichie at the Face is, and that the teeth and the grooves are the same width. Deviations from these assumptions result with a similar calculation to slightly different rotor lengths. The superiority of the conical rotor however, this does not change anything compared to the cylindrical rotor.

Wenn ein Schrittmotor angehalten wird, dann pendelt er um den Ruhepunkt. Je größer die Dämpfung dieser Pendelbewegung ist. um so schneller kommt der Rotor zum Stillstand. Für die Dämpfung d gilt folgende ProportionalitätsbeziehungWhen a stepper motor is stopped, it oscillates around the rest point. The greater the damping of this pendulum movement. the faster the rotor comes to a standstill. The following proportionality relationship applies to damping d

d - - —. IM/ d - - -. IN THE/

(22)(22)

Auch hier bedeuten wieder Mdas Drehmoment und / das Trägheitsmoment. Setzt man in die Beziehung 22 die aus den Beziehungen 9 und 16 sowie 13 und 19 gewonnenen Werte ein. dann erkennt man. daß die Dämpfung für den kegelförmigen Rotor etwa um das Doppelte größer ist als die des zylindrischen Rotors. Mit anderen Worten, der Kegelrotor wird nicht solange um seine Ruhestellung pendeln wie der Zylinderrolor.Here, too, M again means the torque and / the moment of inertia. If the values obtained from relationships 9 and 16 as well as 13 and 19 are inserted into relationship 22. then you recognize. that the damping for the conical rotor is about twice greater than that of the cylindrical rotor. In other words, the conical rotor will not oscillate around its rest position as long as the cylinder roller.

Nachfolgend sollen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Schrittmotoren anhand der F i g. 3 bis 9 näher beschrieben werden.In the following, exemplary embodiments of stepper motors according to the invention will be based on FIGS. 3 to 9 closer to be discribed.

Fiin erfindungsgemäßer Schrittmotor ist in der Γ i g. 3 im Längsschnitt und in Fig.4 im Querschnitt dargestellt. Den Rotor dieses Motors zeigt die Fig. 5. Den Rotor 1 trägt eine Welle 2. Um den Rotor herum sind vier Pole 3 (Fig. 4) angeordnet. An den Polschuhen passen sich die Statorpole 3 der Oberfläche des Rotors an. Da die magnetischen Feldlinien nur über die Zähne in die Statorpole 3 eintreten können, die etwa die Hälfte der Stirnfläche ausmachen, ist die Stirnfläche der Statorpole 3 also doppelt so groß als es wegen der Flußdichte B notwendig wäre. Es gibt also keine magnetischen Probleme, wenn sich der Querschnitt der Statorpole 3. wie aus F i g. 3 zu erkennen ist. nach außen hin verjüngt. Die Statorpole sind in Anpassung an die Form des Rotors zumindest am Polschuh keilförmig ausgebildet, leder Statorpol 3 trägt eine Erregerwicklung 5. Die Erregerwicklungen 5 sich gegenüberliegender Pole sind im gleichen Wicklungssinn gewickelt und miteinander verbunden. Die äußeren Enden der Statorpole münden in einen magnetisch gut leitenden Ring 6 ein. der zum Rückfluß des wechselmagnetischcn Flusses dient (Fig. 4). Der Rotor 1 ist so magnetisiert, daß die magnetischen Feldlinien von der Stirnfläche zum Mantel verlaufen. Zur Magnetisierung des Rotors 1 dient eine von einem Gleichstrom durchflossene Wicklung 7, die auf ein axial zum Rotor 1 liegendes weichmagnetisches Teilstück 8 aus ferromagnetischem Material gewickelt ist. Das weichmagnetische Teilstück 8 hat etwa den gleichen Querschnitt wie der kegelförmige Rotor 1 an der Stirnfläche. Zur Rückführung des magnetischen Gleichflusses ist das weichmagnetischc Teilstück 8 über eine magnetisch leitende kreisförmige Platte 9 und einen magnetisch leitenden Ring 10 mit dem Ring 6 und damit mit den Statorpolen 3 verbunden. Der magnetische Gleichfluß fließt also vom weichmagnetischen Teilstück 8 über den Rotor 1 in die Statorpole 3, die Ringe 6 und 10 in die Platte 9 und damit wieder zurück zum wcichmagnctischen Tcilstück 8.A stepper motor according to the invention is shown in FIG. 3 shown in longitudinal section and in Fig. 4 in cross section. The rotor of this motor is shown in FIG. 5. The rotor 1 carries a shaft 2. Four poles 3 (FIG. 4) are arranged around the rotor. At the pole pieces, the stator poles 3 adapt to the surface of the rotor. Since the magnetic field lines can only enter the stator poles 3 via the teeth, which make up about half of the end face, the end face of the stator poles 3 is twice as large as would be necessary because of the flux density B. So there are no magnetic problems if the cross section of the stator poles 3 is as shown in FIG. 3 can be seen. tapered towards the outside. The stator poles are wedge-shaped to match the shape of the rotor, at least on the pole shoe, the stator pole 3 carries an excitation winding 5. The excitation windings 5 of opposing poles are wound in the same direction and connected to one another. The outer ends of the stator poles open into a magnetically highly conductive ring 6. which serves for the return flow of the alternating magnetic flux (Fig. 4). The rotor 1 is magnetized so that the magnetic field lines run from the end face to the jacket. A winding 7 through which a direct current flows and which is wound onto a soft magnetic section 8 made of ferromagnetic material and located axially to the rotor 1 is used to magnetize the rotor 1. The soft magnetic section 8 has approximately the same cross section as the conical rotor 1 on the end face. In order to return the magnetic direct flux, the magnetically soft part 8 is connected to the ring 6 and thus to the stator poles 3 via a magnetically conductive circular plate 9 and a magnetically conductive ring 10. The magnetic direct flux therefore flows from the soft magnetic part 8 via the rotor 1 into the stator poles 3, the rings 6 and 10 into the plate 9 and thus back again to the wcichmagnctischen part 8.

Gelagert ist die Welle 2 des Rotors in einem Nadellager Il im weichmagnetischen Tcilstück 8 und in einem Kugellager 12. das in einem Gehäuscdcckcl 13 befestigt ist. der gleichzeitig zur Abdichtung des Schrittmotors ι dient. Das Nadellager 11 hat nur eine geringe Belastung auszuhallen; es kann deshalb sehr klein sein, damit es die magnetischen Feldlinien im weichmagnetischen Teilstück 8 nicht stört. Das Drehmoment wird vom rechten freien Finde der Welle 2 abgenommen.The shaft 2 of the rotor is mounted in a needle bearing II in the soft magnetic part 8 and in one Ball bearing 12, which is fastened in a housing 13 is. which also serves to seal the stepper motor ι. The needle bearing 11 has only a low load to hang out; it can therefore be very small so that there are the magnetic field lines in the soft magnetic section 8 doesn't bother you. The torque is taken from the right free location of shaft 2.

κ. Die Zähnung der vier Statorpole 3 ist aus Fig. 4 zu erkennen und ist in Fig. 6 noch einmal aufgerollt dargestellt, jeder Statorpol hat im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Zähne 14 und drei Nuten 15. Der Absland zwischen zwei Statorpolen beträgt IV2κ. The teeth of the four stator poles 3 are shown in FIG. 4 recognize and is shown rolled up again in Fig. 6, each stator pole has in the shown Exemplary embodiment four teeth 14 and three slots 15. The distance between two stator poles is IV2

is Zahnbreiten. Der Rotor 1 hat 17 Zähne 16, die in gleichen Abständen um den Rotorumfang verteilt sind. Im Ausführungsbeispiel ist die Breite der Zähne 16 gleich der Breite der dazwischenliegenden Nuten 17 gewählt. Erregt man die Statorpole 3 wie durch die Impulsfolgen in Fig. 7 dargestellt, wobei V die den vertikal stehenden Statorpolcn zugeführte Spannung sein soll und /■/ die den horizontal stehenden Statorpolen zugeführte Spannung, so erhält man ein magnetisches Drehfcld. das jeweils um 90° zyklischis tooth widths. The rotor 1 has 17 teeth 16, which in are evenly spaced around the circumference of the rotor. In the exemplary embodiment, the width of the teeth is 16 chosen to be equal to the width of the grooves 17 in between. If the stator poles 3 are excited as by the Pulse sequences shown in Fig. 7, where V is the voltage applied to the vertical stator poles should be and / ■ / the voltage fed to the horizontally standing stator poles, one obtains a magnetic rotating field. every 90 ° cyclically

2s weitergedreht wird. Bei der in F i g. 7 dargestellten Erregung läuft der Motor im sog. Halbschritlbetrieb. Daneben ist auch der sog. Vollschrittbetricb möglich, bei dem die vertikalen und horizontalen Statorpolc immer gleichzeitig erregt sind. Die Drehrichtung des Drehfel-Is turned further for 2s. In the case of the in FIG. 7 shown When excited, the motor runs in so-called half-step mode. In addition, the so-called full step operation is also possible with which the vertical and horizontal stator poles are always excited at the same time. The direction of rotation of the rotating

yo des und damit des Rotors 1 kann durch U.r.polung einer der beiden Impulsfolgen umgekehrt werden. Durch die permanente Magnetisierung des Rotors bildet sich beispielsweise an den Zähnen des Rotors der Südpol aus. In der in F i g. 6 gezeigten Stellung der Rotorzähne yo des and thus the rotor 1 can be reversed by original polarity of one of the two pulse trains. Due to the permanent magnetization of the rotor, the south pole is formed on the teeth of the rotor, for example. In the in F i g. 6 position of the rotor teeth shown

is würde beispielsweise der zweite Stalorpol von links gerade als Nordpol erregt werden und der vierte Pol von links demzufolge als Südpol. Die dem zweiten Pol nächstehenden Zähne 16 würden wegen ungleichnamiger magnetischer Pole zu den Zähnen des Statorpols hingezogen, während die dem vierten Stalorpol am nächsten gelegenen Zähne 16 wegen gleichnamiger magnetischer Pole von den Zähnen 14 so abgestoßen werden, d^ß sie schließlich den Nuten 15 gegenüberstehen. In der nächsten Phase würde dann der dritte Statorpol von links als Nordpol und der erste Statorpol als Südpol erregt werden. Der beschriebene Schrittmotor weist wegen der einfacheren Darstellung nur vier Statorpole 3 und nur 17 Zähne 16 auf dem Rotor auf. Natürlich kann der erfindungsgemäßc Rotor auch beiFor example, it would be the second stalorpole from the left are just excited as the north pole and the fourth pole from the left therefore as the south pole. The second pole The next teeth 16 would become the teeth of the stator pole because of dissimilar magnetic poles drawn, while the teeth closest to the fourth stalorpol are 16 because of the same name magnetic poles are repelled by the teeth 14 so that they finally face the grooves 15. In the next phase, the third stator pole from the left would be the north pole and the first stator pole be excited as the South Pole. The stepper motor described has only four because of the simpler representation Stator poles 3 and only 17 teeth 16 on the rotor. Of course, the rotor according to the invention can also be used with

so Schrittmotoren mit anderen Zahlen von Statorpolen oder mit mehr Zähnen auf dem Rotor verwendet werden.so stepper motors with different numbers of stator poles or with more teeth on the rotor are used will.

Es empfiehlt sich, den Rotor 1 und die Slalorpolc 3 durch Sintern in Formen herzustellen. Beim Sintern wird feinkörniges oder feinpulvriges Eisen bis nahe an seinen Schmelzpunkt erhitzt, so daß die Teilchen an ihrer Oberfläche zu einer porösen Masse verschmelzen. Bei dem mathematischen Vergleich zwischen Zylinder- und Kegelrotor wurde errechnet, daß die Länge desIt is advisable to manufacture the rotor 1 and the slalor pole 3 by sintering in molds. When sintering fine-grained or finely powdered iron is heated to near its melting point, so that the particles adhere to their surface merge into a porous mass. In the mathematical comparison between cylinder and cone rotor was calculated that the length of the

ho kegelförmigen Rotors gleich dem 3,87fachen des Grundradius ist. Bei dem in Fig. 3 dargestelten Rotor ist die Spitze des Kegels infolge der Befestigung der Welle 2 weggefallen. Es handelt sich also bei diesem Rotor 1 eigentlich um einen Kegelstumpf. Wenn manho conical rotor is equal to 3.87 times the base radius. In the rotor shown in FIG the tip of the cone has been omitted as a result of the attachment of the shaft 2. So it is this one Rotor 1 actually around a truncated cone. If

fts die obigen Berechnungen für einen Kegelstumpf ausführt und dabei annimmt, wie es den Größenverhältnissen in Fig.3 entspricht, daß der Radius der Welle 2 am oberen Ende des kegelförmigen Rotors 1 einemfts the above calculations for a truncated cone executes and assumes, as it corresponds to the proportions in Figure 3, that the radius of the shaft 2 at the upper end of the conical rotor 1 a

Fünftel des Grundradius entspricht, dann ergibt sich linden Rotor I eine Länge, die dem 3,2fachen des Grundradius entspricht. Diese Verkürzung des Rotors ist nicht unerwünscht, sie hat natürlich eine geringfügige Verminderung des Gütefaktors *>Corresponds to a fifth of the base radius, then the result is linden Rotor I has a length which corresponds to 3.2 times the base radius. This shortening of the rotor is not undesirable, of course it has a slight reduction in the quality factor *>

Drehmoment
TrägheitsmomentTorque
Moment of inertia

/ur Folge. Hei dem in Fi g. 3 dargestellten Rotor I ergibt ic sich aber immer noch ein Gütefaktor von/ ur episode. Hei in Fi g. 3 shown rotor I results in ic but still a figure of merit of

1,651.65

[Die Fig. 8 zeigt ein Alisführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schrittmotors, bei dem der Rotor[FIG. 8 shows an example of an exemplary embodiment of a stepper motor according to the invention, in which the rotor

18 als llohlkegel ausgebildet ist. In Fig. 8 sind die Teile, die den Teilen in den F i g. 3 bis 5 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen wie in diesen Figuren gekenn- ιυ zeichnet. Unterschiedlich gegenüber dem oben beschriebenen Schrittmotor ist lediglich, daß das weichmagnetische Teilstück 8' in einen kegelförmigen Kern 18 is designed as a hollow cone. In Fig. 8, the parts corresponding to the parts in Figs. 3 correspond to 5, characterized ιυ marked with the same reference numerals as in these figures. The only difference compared to the stepper motor described above is that the soft magnetic section 8 'is inserted into a conical core

19 im Innern des· hohikegeligen Rotors 18 ausläuft. Die rechtsseitige Lagerung des Rotors 18 erfolgt in einem Kugellager 12. Linksseitig ist der hohlkegelige Rotor 18 jedoch in einem Nadellager 20 gelagert, das um das weichmagnetische Teilstück 8' gelegt ist. Wichtigkeit ist. daß das Nadellager 20 möglichst klein ausgebildet ist, damit das Trägheitsmoment des Rotors 18 nicht unnötig vergrößert wird. Wie bereits oben erwähnt, erreicht man dadurch, daß der Roter hohl ist, eine Verbesserung des Gütefaktors19 runs out in the interior of the hollow-conical rotor 18. the The rotor 18 is supported on the right-hand side in a ball bearing 12. The hollow-conical rotor 18 is on the left-hand side but stored in a needle bearing 20 which is placed around the soft magnetic section 8 '. Importance is. that the needle bearing 20 is made as small as possible so that the moment of inertia of the rotor 18 is not unnecessary is enlarged. As mentioned above, the fact that the red is hollow is an improvement the quality factor

Drehmoment _1S Torque _1S

TrägheitsmomentMoment of inertia

etwa um den Faktor 2. Dazu kommt du^rch die kegelförmige Ausbildung noch einmal eine Verbesserung um den Faktor 1,65, so daß ein Schrittmotor mit hohlem kegeligen Rotor, wie er in F i g. 8 dargestellt ist. einen etwa um den Faktor 3,3 besseren Gütefaktor aufweist, als ein Schrittmotor mit vollem zylindrischen Rotor. Das auf das weichmagnetische Teilstück 8' aufgeschobene Nadellager 20 könnte auch weiter rechts 4s im Bereich des kegelförmigen Kerns 19 angebracht werden, was den Vorteil hätte, daß der kegelförmige Rotor nicht über die Polschuhe hinaus verlangen werden müßte. Außerdem wäre auch eine einseitige Lagerung des hohikegeligen Rotors 18 denkbar, indem man diesen auf zwei Kugellagern lagert, wobei ein zusätzliches Kugellager in einigem Abstand von dem Kugellager 12 anzuordnen ist. Im Querschnitt entspricht der Stator des Schrittmotors nach I'i g. 8 völlig der Darstellung nach F i g. 4.about a factor of 2. In addition you will ^r ch the conical configuration once again an improvement by a factor of 1.65, so that a stepper motor with a hollow conical rotor, as in F i g he. 8 is shown. has a quality factor that is around a factor of 3.3 better than a stepper motor with a full cylindrical rotor. The needle bearing 20 pushed onto the soft magnetic section 8 'could also be attached further to the right 4s in the area of the conical core 19, which would have the advantage that the conical rotor would not have to be required beyond the pole shoes. In addition, one-sided mounting of the hollow-conical rotor 18 would also be conceivable by mounting it on two ball bearings, an additional ball bearing being arranged at some distance from the ball bearing 12. In cross-section, the stator of the stepper motor according to I'i corresponds to g. 8 completely as shown in FIG. 4th

In F i g. 9 ist ein weiteres Alisführungsbeispiel eines Schrittmotors gemäß der Erfindung dargestellt, dessen Rotor 21 die Form eines Doppelkegels hat. Der Rotor 21 ist so als Permanentmagnet magnetisiert, daß sein Südpol durch die Mantelfläche des einen Kegels und sein Nordpol durch die Mantelfläche des anderen Kegels gebildet wird. Der Rotor 2! wird durch eine Welle 22 getragen, die in herkömmlicher Weise in zwei Kugellagern 23 und 24 drehbar gelagert ist. Die Kugellager 23 und 24 werden durch zwei schalenl'örmige Gehäuseteil 25, 26 gehalten. Entsprechend den zwei symmetrischen Teilen des Rotors 21 sind hier zwei spiegelbildliche Gruppen von Statorpolen 27 und 28 vorgesehen. Die Erregerwicklungen 30 und 31 sind gleichsinnig und können gemeinsam erregt werden, so daß zu einer Zeit an den Zähnen der Statorpole 27 und 28 beispielsweise Südpole entstehen. Der wechselmagnetische Fluß geht quer durch den Rotor in die Statorpole, die den magnetischen Nordpol darstellen, und über einen magnetischen Rückschluß 6 (F i g. 4) auf dem Umfang wieder zurück. Der Rotor 21 habe am Umfang im linken Teil seinen Nordpol und im rechten Teil seinen Südpol. Der gleichmagneiische Fluß, der im Rotor 21 axial verläuft, schließt sich über die Rückführung 29. Unter diesen Annahmen werden sich Stator- und Rotorzähne links oben anziehen und rechts oben abstoßen. Beide Kräfte addieren sich, wenn die Stellung Statorzähne-Rotorzähne zwischen linker und rechter Hälfte um 180° versetzt ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig.9 sind die Zähne des linken Teils des Rotors 21 gegenüber den Zähnen des rechten Teils des Rotors 21 versetzt. Es ist aber auch möglich, die Zähne der Statorpole 27 und 28 gegeneinander zu versetzen.In Fig. 9 is another example of an implementation Stepping motor shown according to the invention, the rotor 21 has the shape of a double cone. The rotor 21 is magnetized as a permanent magnet that its south pole through the surface of a cone and its north pole is formed by the surface of the other cone. The rotor 2! is through a Shaft 22 carried, which is rotatably supported in two ball bearings 23 and 24 in a conventional manner. the Ball bearings 23 and 24 are held by two shell-shaped housing parts 25, 26. According to the two symmetrical parts of the rotor 21 are two mirror-image groups of stator poles 27 and 28 intended. The excitation windings 30 and 31 are in the same direction and can be excited together, see above that at a time on the teeth of the stator poles 27 and 28 South Poles, for example, are being built. The alternating magnetic flux goes across the rotor into the Stator poles, which represent the magnetic north pole, and a magnetic yoke 6 (Fig. 4) back to the extent. The rotor 21 has its north pole on the circumference in the left part and in the right part Part of its south pole. The river of the same Magnesia, which runs in the Rotor 21 extends axially, closes via return 29. These assumptions are made Tighten the stator and rotor teeth at the top left and push them off at the top right. Both forces add up when the Position stator teeth-rotor teeth between the left and right halves is offset by 180 °. In the exemplary embodiment of Fig.9 are the teeth of the left part of the rotor 21 opposite the teeth of the right part of the Rotor 21 offset. But it is also possible to offset the teeth of the stator poles 27 and 28 from one another.

In einer anderen Ausführungsform des Doppelkegel motors können die Statorpole 27 und 28, die magnetisch leitende Rückführung 29 und die Erregerwicklungen 30 und 31 aus einem Teil bestehen. Für die Montage muß dann allerdings der Motor in axialer Richtung teilbarIn another embodiment of the double cone motor, the stator poles 27 and 28, the magnetic conductive return 29 and the excitation windings 30 and 31 consist of one part. For assembly must then, however, the motor can be divided in the axial direction

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Stepper motor with a stator, the exciter windings bearing pronounced stator poles with has stator teeth separated by grooves, and with a low-inertia rotor, which is grooved having separate rotor teeth, characterized in that that in a stepper motor with a magnetized rotor, the rotor (1; 18; 21) in entire active area has the shape of a cone.

2. Stepping motor according to claim I with grooves and teeth of the same width for the rotor and stator for any cross section, characterized in that the length (Ik) of the rotor corresponds to approximately 3 to 4 times the radius (RK) of the conical base area.

3. Stepper motor according to claim 1 or 2, wherein the rotor as a hollow body with an inside arranged core is formed, characterized in that the rotor (18) as a hollow cone with a conical core (19) is formed.

4. Stepping motor according to claim 1 or 2, characterized in that a to the base of the conical rotor (1) adjoining soft magnetic part (8) carries a winding (7) and is in connection with the stator (3) via magnetic circuits (plate 9, ring 10).

5. Stepping motor according to claim 3, characterized in that a winding (7) carrying one soft magnetic section (8 ') merges into the core (19) arranged in the interior of the rotor (18) and is connected to the stator (3) via magnetic feedbacks (plate 9, ring 10).

b. Stepping motor according to one of Claims 1, 2 or 4, characterized in that the rotor (21) is a permanent magnetic, two different poles forming double cone, the two corresponding symmetrical to a central plane and carrying the excitation windings (30, 31) in the same direction excited stator poles (27, 28) are opposite, which via an annular magnetically conductive return (29) for the magnetic direct flux of the rotor (21) are interconnected and that the Teeth and grooves of the two part rotors or the two stator poles are offset from one another.

7. Stepping motor according to one of claims I. 2 or 4, characterized in that the rotor (1) on the side of the base of the cone in the soft magnetic section (8) and on the side the tip of the cone is mounted in a housing cover (13).

8. Stepping motor according to claim 5, characterized in that the formed as a hollow cone Rotor (18) with its open side on the circumference of the soft magnetic section (8 ') and on the The ropes of the tip of the cone are mounted in a housing cover (13).

9. Stepping motor according to one of claims I to 8, characterized in that the rotor (1; 18; 21) in Needle (II; 20) and / or ball bearings (12) is mounted.

10. Stepping motor according to one of claims I to 5, characterized in that the rotor (1; 18) is mounted on one side on the side of the cone tip / s.

11. Stepper motor according to one of claims I to

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21) on one of the pointed end of the cone protruding beyond the shaft (2) is attached and thereby the shape of a truncated cone and that the length of the truncated cone is equal to i, 2 times the The base radius of the cone is when the radius of the shaft (2) is one fifth of the radius of the base surface of the cone amounts to.

12. Stepping motor according to one of claims 1 to 11, characterized in that the rotor (1; 18; 21) and the stator poles (3; 27, 28) made by sintering granular and powdery iron in molds are.