DE2509883A1

DE2509883A1 - Elektrischer schrittmotor

Info

Publication number: DE2509883A1
Application number: DE19752509883
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Fukushima
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1974-03-07
Filing date: 1975-03-06
Publication date: 1975-09-11
Also published as: GB1459981A; CH646573GA3; FR2263632A1; FR2263632B1; CH619107B; HK65680A; FR2433851A1; CH619107GA3; DE2509883C2; US4398107A; FR2433851B1

Description

Anmelder: Kabushiki Kaisha Daini Seikosha, Tokyo, Japan

Elektrischer Schrittmotor

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schrittmotor entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, der insbesondere in einer elektronischen Uhr verwendbar ist.

Bei bekannten Mikro-Schrittmotoren dieser Art (Fig. 1) ist der Rotor in dem Luftspalt zwischen zwei Statorteilen angeordnet, die an dem von der Spule umgebenen Magnetkern befestigt sind. Die beiden Statorteile sind mit Langlöchern versehen, in welche exzentrische Justierstifte ragen, um den Luftspalt zwischen Rotor und Stator geeignet einjustieren zu können. Dabei wird als nachteilig angesehen, daß die genaue Ausbildung der den Luftspalt begrenzenden Stirnflächen der beiden Statorteile Schwierigkeiten bei der Herstellung bereitet, und daß auch die Einjustierung der beiden Statorteile bei der Montage einen beträchtlichen Arbeitsaufwand bedingt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Schrittmotor der eingangs genannten Art unter möglichst weitge-

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hender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten derart zu verbessern, daß ein einstückiger Stator verwandt werden kann, so daß eine Einjustierung des Luftspalts zwischen den beiden Statorteilen und dem Rotor nicht erforderlich ist. Diese Aufgabe wird bei einem elektrischen Schrittmotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden.Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines bekannten elektrischen Schrittmotors für elektronische Uhren;

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Schrittmotors gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A¹ in Fig. 2; Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht des Stators in Fig. 2;

Fig. 5 eine Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine zur Erläuterung der Arbeitsweise des Schrittmotors in Fig. 5 dienende schematische Teilansicht;

Fig. 7 eine zur Erläuterung der Arbeitsweise des Schrittmotors in Fig. 5 dienende graphische Darstellung;

Fig. 8 unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Ausführungsformen der Öffnung in dem Stator eines Schrittmotors gemäß der Erfindung;

Fig. 9 ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung;

Fig. 10 eine Fig. 9 entsprechende Teilansicht;

Fig. 11 eine Rückansicht des Schrittmotors in Fig. 9;

Fig. 12 eine Schnittansicht entsprechend der Linie B-B¹ in Fig. 11;

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Fig. 13 ein viertes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung; Fig. 14 eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in Fig.

Fig. 15 eine Schnittansicht entlang der Linie D-D¹ in Fig. 13; und

Fig. 16 und 17 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Schrittmotors gemäß der Erfindung.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein U-förmiger Magnetkern 11 von einer Spule 10 umgeben. Ein einstückig ausgebildeter Stator 12 besteht vorzugsweise aus einem Lamellenpaket aus magnetisch weichem Material und ist mit dem Magnetkern 11 mit zwei Schrauben 13 verschraubt. In seinem Zentrum weist der Stator 12 eine öffnung 14 mit einem kreisförmigen Querschnittsbereich auf, in dem ein magnetischer Rotor 15 angeordnet ist. Auf den der Öffnung 14 entlang den Längskanten gegenüberliegenden Seiten weist der Stator 12 gegenüberliegende Einbuchtungen 12a und 12b auf, so daß der Querschnittsbereich des Stators dort kleiner als der Querschnittsbereich des Magnetkerns 11 ist.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, besitzt bei diesem Ausführungsbeispiel der Querschnitt der Öffnung 14 geradlinig verlaufende Umfangsabschnitte 14a, 14b, die gegenüber der Linie A-A¹ in Fig. 2 um 30-60° versetzt sind, um die siationäre Lage der Magnetpole des Rotors zu bestimmen. In dieser in Fig. 4 dargestellten Lage werden die Magnetpole des Rotors von den Umfangsabschnitten 14a, 14b an dem Stator 12 angezogen, weil dort bei fehlender Erregung der Spule Io ein kleinerer Luftspalt vorhanden ist. Bei Erregung der Spule 12 wird jedoch im Bereich der Öffnung 14 der Magnetfluß durch den Stator 12 durch die Einbuchtungen 12a, 12b bestimmt, wobei ein geschlossener Magnetkreis vorhanden ist. Da der geschlossene Magnetkreis durch den Magnetkern 11 und den Stator 12 verläuft, ergibt sich eine hohe magnetische permeabilität und damit ein geringer magnetischer Wider-

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stand. Deshalb j.st die induktivität so groß, daß die Stromstärke durch die Spule 10 nicht plötzlich, sondern fortschreitend ansteigt.

Bei einer bestimmten Stromstärke wird der Magnetfluß in dem Teil des Kreises gesättigt, in dem der Querschnitt am kleinsten ist, also im Bereich der Einbuchtungen 12a und 12b in Fig. 2 und 3.

Wenn die Sättigung in diesem Bereich erreicht wird, wird dort die magnetische Permeabilität beträchtlich verringert und ein Streufluß wird erzeugt. Da dann die magnetische Permeabilität im Bereich der Einbuchtungen 12a und 12b in dem geschlossenen Magnetkreis kleiner wird, wird der magnetische Widerstand größer als derjenige magnetische Widerstand, der beim Beginn eines Impulses des impulsgesteuerten Motors vorhanden ist. Deshalb steigt dann die Stromstärke stark an, bis sie ihr Maximum erreicht.

Mit ansteigendem Streufluß hat der Stator 12 eine große magnetische Potentialdifferenz zwischen den Umfangsabschnitten 14a und 14b der Öffnung 14. Diese magnetische Potentialdifferenz bewirkt eine Drehung des Rotors 15. Der Rotor wird in eine Richtung "gedreht, die durch den von der Spule erzeugten Magnetfluß bestimmt wird und wird in einer Lage stationär, in der die Magnetpole des Rotors von den Abschnitten 14a und 14b angezogen werden. Die Arbeitsweise des beschriebenen Schrittmotors entspricht deshalb derjenigen bekannter Schrittmotoren. Der magnetische Kreis ist jedoch durch magnetisch weiches Material geschlossen. Da die Rotorachse senkrecht zur Richtung des Magnetflusses verläuft und der Querschnitt desStators kleiner als irgendein anderer Querschnitt in dem geschlossenen magnetischen Kreis oder als der Querschnitt der Oberfläche senkrecht zur Richtung des magnetischen Wegs in dem Magnetkern ist, ist eine Einjustierung der Lage des Stators nicht erforderlich. Da der Stator einstückig ausgebildet ist, kann die zentrale öffnung 14

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des Stators mit lioher Genauigkeit und geringen Herstellungskosten ausgebildet werden, wenn ein geschichtetes Laraellenpaket Verwendung findet.

Ha folgenden soll das zweite Äusführungsbeispiel gemäß der Erfindung anhand der Fig. 5-8 näher erläutert werden. Entsprechende Teile sind bei allen Ausführungsbeispielen mit gleichen Be zugs ze ichen be ze ichnet.

Wenn durch die Spule IO in Fig. 5 ein Magnetfluß in dem Stator 12 erzeugt wird, ergeben sich entsprechende Einschnürungen im Bereich der Einbuchtungen 12a und 12b, die bei diesem Ausführungsbeispiel Verbindungsstege 2O, 21 begrenzen. Wenn der Spule IO ein Impuls in umgekehrter Richtung zugeführt wird, verläuft der Magnetfluß durch den Stator 12 in entgegengesetzter Richtung. Wegen des kleinen Querschnitts im Bereich der Verbindungsstege 20, 21 erreicht der Fluß eine Sättigungsdichte, so daß eine magnetische Potentialdifferenz zwischen der linken und rechten Seite des Bereichs d erzeugt wird.

Fig. 7 zeigt die Abhängigkeit des Rotorwinkels Θ von dem magnetischen Potential P. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist bei einem Rotorwinkel Ot und Ok + JC die magnetische Potentialdifferenz P minimal. Für das auf den Rotor 15 ausgeübte Drehmoment T gilt die folgende Beziehungr

Dabei ist K eine Proportionalitätskonstante, a der Radius des Rotors, H die magnetische Feldstärke und M die Magnetisierung des Rotors 15.

In Fig. 8 a bis s sind unterschiedliche Äusführungsbeispie-Ie von Ausführungsformen des Querschnitts der Öffnung 14 in dem Stator 12 dargestellt, die symmetrisch zu der in Fig. 6 gestrichelt dargestellten waagrechten Achse ausgebildet sind. Die Beispiele a, b, h, j_t k, 1, m, ρ und s sind rotationssymmetrisch zu der Achse des Rotors, während die anderen Ausführungsbeispi ele nicht rotationssymmetrisch sind.

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Welche Ausführungsform vorzuziehen, ist, soll in Verbindung mit dem rotationssymmetrischen Ausführungsbeispiel h und dem niehtrotationssyinmetrischen Ausführungsbeispiel i erläutert werden. Bie dem symmetrischen Ausführungsbeispiel h in Fig. 8 entsprechende Kurve ist in Fig. 7 R, und die dem unsymmetrischen Äusföhrungsbeispiel i entsprechende Kurve mit U bezeichnet. Zur Erzielung derselben wirksamen Potentialdifferenz für jeden Stator kann deshalb ein Stator mit einer asymmetrischen Ausbildung leichter hergestellt werden als ein Stator mit einer symmetrischen Ausbildung im Hinblick auf die Abmessung der Aussparung. Deshalb besteht die Möglichkeit einer bevorzugten Ausbildung unter Berücksichtigung von Problemen bei der Herstellung bzw. hinsichtlich der Wirkungsweise.

Bei impulsgesteuerten Schrittmotoren mit besonders hoher Impulsfrequenz ist es ferner wünschenswert, den Stator möglichst klein auszubilden, in welchem Fall eine asymmetrische Ausführungsform mit einer großen Aussparung vorzuziehen ist, um die Arbeitsgenauigkeit erhöhen zu können. Deshalb können mit Hilfe der beschriebenen Ausführungen sowohl Vorteile hinsichtlich der Herstellung als auch der Wirkungsweise des Schrittmotors in einfacher Weise erzielt werden. Insbesondere ist es möglich, durch mechanische Stöße bedingte Lageabweichungen des Stators in Form von Vibrationen weitgehend zu vermeiden, so daß eine gleichförmigere Arbeitsweise erzielt werden kann.

Bei dem in den Fig. 9-12 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 14 durch eine kleine Ausnehmung 14c (Fig. 9} erweitert und durch einen Vorsprung 14d (Fig. 10) verengt. Durch die Ausnehmung 14c und den Vorsprung 14d wird der magnetische Widerstand vergrößert und die Induktivität der Spule IO verringert, sowie die stationäre Lage des Rotors 15 bestimmt. Aus Fig. 11 und 12 ist ersichtlich, daß der Stator 12 durch eine obere Platte 16 und durch eine untere Platte 17 gebildet wird, welche durch die Schrauben 13 zu einer einstückigen

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Einheit verbunden sind. Die Rotorwelle 15a des Rotors 15 ist durch Führungsstifte 18, 19 gelagert, die an der Platte 16 bzw. der Platte 17 befestigt sind.

Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Öffnung 14 jeweils durch eine Platte begrenzt wird, ist die Herstellung des Stators und der Zusammenbau mit dem Magnetkern wesentlich vereinfacht. Da der Luftspalt zwischen dem Rotor 15 und der öffnung 14 genau und zuverlässig bestimmt ist, sind Änderungen des Luftspalts durch mechanische Stöße nicht zu befürchten. Die stationäre Lage des Rotors 15 wird durch die kleine Ausnehmung 14c und den kleinen Vorsprung 14d in der Öffnung 14 bestimmt. Auf diese Weise wird eine praktisch schlupffreie Konstruktion ermöglicht.

Das in den Fig. 13-15 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel zeigt die Ausbildung des Stators 12 aus einem Lamellenpaket, wobei die obere Lamelle 22 bzw. die untere Lamelle 23 den Verbindungssteg 20, 21 bildet, der die Öffnung 14 begrenzt. Das Lamellenpaket ist mechanisch und magnetisch mit dem Magnetkern 11 durch die Schrauben 13 verbunden. Der aus einem Permanentmagnet bestehende Rotor 15 ist konzentrisch in der Öffnung 14 mit einer nicht dargestellten Einrichtung gelagert. Der Spalt d ist zwischen zwei Statorteilen des Stators 12 vorgesehen.

In einer mittleren Lamelle des Lamellenpakets sind zwei in Fig. 13 und 15 dargestellte diametral gegenüberliegende Ausnehmungen 24 vorgesehen. Bei einer derartigen Ausführungsform sind deshalb ebenfalls die Vorteile der in Verbindung mit den anderen beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnten Art erzielbar. Die stationäre Lage des Rotors 15 wird deshalb begünstigt, ohne das magnetische Potential zu erhöhen, das durch die Ausnehmung erhöht wird, so daß die Änderung des magnetischen Potentials klein ist, wenn an die Herstellungsgenauigkeit der Ausnehmung 24 kleinere Anforderungen gestellt werden.

Die Verbindungsstege 20, 21 der einstückigen Lamellen werden möglichst dünn ausgebildet, jedoch unter Beibehaltung einer ausreichenden mechanischen Festigkeit, so daß ein hoher magneti-

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scher Widerstand erzielt werden kann.

Bei dem in Fig. 16 und 17 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel besteht der Magnetkern 11 aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität, die größer als diejenige des einstückigen Stators 12 ist. Durch Verringerung der Breite des Magnetkerns 11 kann der den Rotor 15 umgebende Stator in vorteilhafter Weise magnetisch gesättigt werden. Aus einem Vergleich des Querschnitts S₂ des Magnetkerns in Fig. 17 mit dem Querschnitt S, in Fig. 16 ist ersichtlich, daß auf diese Weise eine noch kompaktere Konstruktion des Schrittmotors gemäß der Erfindung erzielt werden kann, was insbesondere für kleine Uhren von besonderer Bedeutung ist.

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Claims

-9- 4.3.1975

D-3681

Patentansprüche

O Elektrischer Schrittmotor, insbesondere für eine elektrische Uhr, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (12) als einstückige Einheit ausgebildet und mit einer zentralen Öffnung (14) mit einem kreisförmigen Querschnittsbereich versehen ist, in dem der Rotor (15) angeordnet ist.
2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (12) aus einem Lamellenpaket (Fig. 13-15) besteht.
3. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zentralen Bereich des Stators gegenüberliegende Einbuchtungen (12a, 12b) vorgesehen sind, und daß an dieser Stelle die Querschnittsfläche des Stators kleiner als irgendeine andere Querschnittsfläche des geschlossenen magnetischen Kreises ist.
4. Schrittmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (14) einen Querschnitt mit mindestens einem geradlinigen Umfangsabschnitt (14a, 14b) aufweist.
5. Schrittmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (14) einen zu der Rotorachse rotationssymmetrischen Querschnitt aufweist (Fig. 8). ■
6. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennze ichnet , daß die Öffnung (14) zu der Rotationsachse des Rotors nicht rotationssymmetrische Abweichungen von einem kreisförmigen Querschnitt aufweist (Fig. 8).

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7. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Öffnung (14) mindestens einen Rücksprung (14c) oder einen Vorsprung (14d) aufweist, umdie stationäre Lage des Rotors zu bestimmen.
8. Schrittmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Öffnung angeordnete Rotor mindestens zwei Magnetpole aufweist, daß der Stator aus einem magnetischen Material mit hoher Permeabilität besteht, und daß der Magnetkern aus einem Material mit derart hoher magnetischer Permeabilität besteht, daß die gesättigte Magnetflußdichte in diesem größer als in dem Rotor ist.
9. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor aus einem Permanentmagnet besteht, daß der Stator aus einer Anzahl geschichteter Statorelemente besteht, die aus zwei Stücken zusammengesetzt sind, daß mindestens eine Ausnehmung (24) in der Öffnung mindestens eines Statorelements ausgebildet ist, und daß mindestens ein Statorelement mit Hilfe eines Verbindungsstegs (20, 21) einstückig ausgebildet ist.

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