DE2509883C2

DE2509883C2 - Elektromagnetischer Schrittmotor

Info

Publication number: DE2509883C2
Application number: DE2509883A
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Ichikawa Chiba Fukushima
Original assignee: Seiko Instruments And Electronics Ltd Tokio/tokyo; Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1974-03-07
Filing date: 1975-03-06
Publication date: 1985-11-28
Also published as: FR2433851B1; GB1459981A; CH619107B; HK65680A; DE2509883A1; US4398107A; CH619107GA3; CH646573GA3; FR2263632B1; FR2263632A1; FR2433851A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, der für Quarzarmbanduhren verwendbar ist.

Bei bekannten Schrittmotoren dieser Art (US-PS 97 915) besteht die Möglichkeit, vorteilhafte Werte für Drehmomentparameter einzustellen, welche eine stabile Arbeitsweise, das Ausgangsdrehmoment und den elektrischen Strombedarf bestimmen. In diesem Zusammenhang sind insbesondere zwei Parameter von Bedeutung, nämlich die Ruhelage des Rotors und die magnetische Anziehungskraft zwischen dem Rotor und dem Stator, wenn der Spule kein Erregerstrom zugeführt wird. Zu diesem Zweck wird bei dem bisher für Armbanduhren oder sonstige elektronische Kleingeräte verwandten Schrittmotor eine zweiteilige Ausbildung des Stators vorgesehen, um bei der Montage durch exzentrische Verschiebung der beiden Statorhälften nicht nur die Drehrichtung des Rotors festlegen zu können, sondern auch die Ruhelage und die Anziehungskraft in der Ruhelage einjustieren zu können. Mit Hilfe der bekannten Konstruktion in Fig. 1 dieser Vorveröffentlichung kann eine minimale Impulsbreite von 45 msec und ein elektrischer Erlergieverbrauch von etwa 15 Mikrowatt erzielt werden, welche Werte durch eine zusätzliche verhältnismäßig aufwendige mechanische Einrichtung entsprechend F i g. 2 auf IS msec und 6 Mikrov/att verringert werden können. Es wäre wünschenswert, eine weitergehende und für eine Massenproduktion besser geeignete Optimierung der beiden genannten Parameter zu ermöglichen, da durch die bei der Einjustierung erforderliche exzentrische Verschiebung die Rahelage nur innerhalb verhältnismäßig enger !0 Grenzen bei Einjustierung der Anziehungskraft in der Ruhelage eingestellt werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Schrittmotor dieser Art derart zu verbessern, daß einerseits die bei der Montage erforderlichen Justierarbeiten möglichst weitgehend verringert werden können und daß andererseits mit einer einfach herstellbaren und möglichst kompakten Konstruktion eine zuverlässige Arbeitsweise erzielbar ist

Diese Aufgabe wird bei einem Schrittmotor der ein- gangs genannten An erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein besonderer Vorteil einer derartigen Konstruktion ist darin zu sehen, daß der Konstrukteur einen optimalen Wert für die Ruhelage dadurch bestimmen kann, daß er eine gewünschte Lage beispielsweise durch zwei diametral gegenüberliegende Einbuchtungen bestimmt. Im Gegensatz zu dem bekannten Schrittmotor können deshalb die beiden erwähnten Parameter unabhängig voneinander vom Konstrukteur vorherbestimmt werden, ohne daß in diesem Zusammenhang besondere Juslierarbeiten bei der Montage erforderlich sind. Ein weiterer Vorteil ist ferner darin zu sehen, daß beispielsweise zwei diametral gegenüberliegende Einbuchtungen durch sehr einfache Stanzvorgänge ausgebildet werden können. Eine zuverlässige Arbeitsweise des Schrittmotors wird dadurch erreicht, daß durch Verwendung eines Materials mit hoher Sättigungsflußdichte für den Kern sichergestellt werden kann, daß die Verbindungsstege des einstückigen Stators gesättigt werden können, bevor die Sättigungsflußdichte des Kerns erreicht wird. Ferner ergibt sich dadurch der Vorteil, daß eine kleinere Bauform durch Verringerung des Querschnitts des Kerns möglich ist.

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

Fig. 1 die Ansicht eines bekannten Schrittmotors mit zweistückigem Stator;

F i g. 2 die Ansicht eines ersten Ausführungsbeispicls der Erfindung;

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A 'in F i g. 2;

Fig.4 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2 in leicht abgewandelter Form des Stators;
Fig. 5 die Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

F i g. 6 einen Ausschnitt aus F i g. 5 in leicht abgewandelter Form des Stators;

Fig. 7 ein Schaubild über die Abhängigkeit der ma· gnetischen Spannung vom Verdrehwinkel des Rotors bei unterschiedlicher Ausbildung des Stators:

F i g. 8 verschiedene Ausführungsformen für die Ausbildung des Stators hinsichtlich der die Ruhelage des Rotors bestimmenden Maßnahmen;
F i g. 9 die Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 10 einen Ausschnitt aus Fig.9 in leicht abgewandelter Form des Stators;

Fig. 11 die Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

F i g. 12 einen Schnitt Jängs der Linie B-B'in F i g. 11;

Fig. 13 die Ansicht eines fünften AusPihrungsbeispiels der Erfindung;

F i g. 14 einen Schnitt längs der Linie C-Cin F i g. 13; F i g. 15 einen Schnitt längs der Linie D-D'in F i g. 13;

F i g. 16 die Ansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

F i g. 17 die Ansicht eines siebten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Bei der in Fig. 1 gezeigten bekannten Ausbildung eines Schrittmotors erzeugt die durch elektrische Impulse wechselnder Polarität angeregte Spule ein magnetisches Feld wechselnder Richtung, durch das ein Magnetfluß über die Luftsplatte der im Querschnitt angenähert kreisförmigen Öffnung und den Rotor über den zweiteiligen Stator bewirkt wird, der gleichfalls seine Richtung wechselt Der Stator weist somit gekrümmte Polflächen auf, zwischen denen der zylindrische Rotor so angeordnet werden muß, daß möglichst gleichartige Luftspalte entstehen. Diese müssen bekanntlich an einander gegenüberliegenden Stellen so klein sein, daß der Rotor sich bei fehlender Erregung der Spule mit seinen Magnetpolen auf diese Stellen kleinsten magnetischen Widerstands ausrichtet, wodurch die Ruhelage des Rotors bestimmt ist. Bei derartigen Motoren lassen sich bekanntlich die Polflächen bei erträglichem Aufwand nicht hinreichend genau ausbilden, um wiederkehrend gleiche und definierte Luftspalte zu erhalten. Außerdem läßt sich aber die Lage der beiden Pole, die bekanntlich geringfügig von der Kreisform abweichend gegeneinander versetzt sein müssen, um eine definerte Ruhelage des Rotors zu erhalten, nur durch Verschwenken der beiden Statorteile um zwei als Schrauben ausgebildete Achsen erreichen, wobei ein möglichst symmetrischer Luftspalt erzielt werden soll. Bekanntlich dienen hierzu zwei exzentrische Schrauben, die in Langlöchern laufend ein Einjustieren der beiden Statorteile bezüglich des Rotors ermöglichen sollen. Daß derartige Arbeiten sehr aufwendig sind und nur durch geschultes Personal durchgeführt werden können, versteht sich von selbst.

Bei dem in F i g. 2 und 3 dargestellten Beispiel umgibt die Spule 10 den U-förmigen Eisenkern 11, an dem der hier einstückig ausgebildete Stator 12 mit den beiden Schrauben 13 unverrückbar befestigt ist. Die Statormitte weist die praktisch kreiszylindrische Öffnung 14 auf, auf deren Ausbildung in Verbindung mi; F'g. 4—17 noch näher eingegangen wird. In der Öffnung 14 ist der Rotor 15 in Form eines in bekannter Weise ausgebildeten, senkrecht zu seiner Längsachse magnetisierten Kreisprismas angeordnet. Der Stator 12 hat beidseitig gleich breite Endteile. die an der durch die Rotorachse verlaufenden Querschnittsstelle über zwei durch die beiden Verjüngungen 12a, i2b in Verbindung mit der Öffnung 14 gebildete, stegförmige Verbindungsteile einstückig miteinander verbunden sind; bei gegebener Stalordicke wird somit der Statorquerschnitt hier auf zwei Teilquerschnitte äußerst geringer Größe herabgesetzt, deren magnetischer Widerstand erheblich größer isi als der der Endteile. Bei anwachsendem Magnetfluß gelangen die beiden Verbindungsteile daher sehr früh in magnetische Sättigung, so daß sie danach dem weiteren Anstieg des Magnetflusses nur noch wie nicht magnetisierbare Teile folgen können und somit praktisch wie zwei Luftspalte wirken. Sobald der Magnetfluß daher den Sältigungswert der beiden stegförmigen Verbindungsteile erreicht hat, wirkt der einstückig ausgebildete Stator nach F i g. 2 wie der zweistückig ausgebildete Stator mit zwei die beiden Statorhälften trennenden Luftspalten nach Fi g. 1.

Diese Maßnahmen sind in gleicher Weise in den in Fig.4—17 dargestellten Anordnungen getroffen und werden daher nicht weiterhin beschrieben, auch wenn die angegebenen Bezugszeichen dort wiederholt angegeben sind. Dagegen fehlen hier noch die Maßnahmen, die den Rotor vor und nach jedem Drehschritt in einer

ίο jeweils definierten Lage festhalten.

Bei der Anordnung nach F i g. 1 sind in nicht dargestellter Weise die beiden Statorteile 4Λ, 45 derart von der Kreisform abweichend gegeneinander versetzt angeordnet, daß zwei unter einem bestimmten Winkel gegenüber der Längsiinie des Stators versetzt diametral einander gegenüberliegende Bereiche mit kleinem Luftspalt zum Rotor angeordnet sind. Hierdurch stellt sich der Rotor in bekannter Weise bei fehlender Erregung der Spule selbsttätig so ein, daß sein einer Magnetpol dem einen und sein anderer Magnetpol dem anderen Bereich an der engsten Stelle des Luftspalts gegenüberstehen, wobei der Winkel so gewählt ist, daß der bei Erregung der Spule auftretende Magnetfluß den Rotor verdreht, woraufhin dieser bei fehlender Erregung der Spule sich wiederum so einstellt bzw. so eingestellt bleibt, daß seine beiden Magnetpole, nunmehr gegeneinander vertauscht, sich diesen Bereichen wiederum an der engsten Stelle des Luftspalts gegenüberstehen. Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausbildung des Stators ist die Öffnung 14 an zwei um den besagten Winkel gegenüber der Längslinie des Stators versetzten diametral einander gegenüberliegenden Seiten von der Kreisform abweichend verengt. Damit bilden sich zwischen den Innenflächen 14a, 14£> und der Außenfläche des Rotors 15 zwei Luftspalte abnehmender Größe, so daß der Rotor 15 mit seinen beiden Magnetpolen sich den Innenflächen 14a, t4b des Stators gegenüber selbsttätig ausrichtet. Hieraus ergibt sich eine vorausbestimmbare Ausrichtung des Rotors 15, die keinen äußeren Einflüssen wie Fehljustierung o. ä. unterliegt. Außerdem ergibt sich aber eine besonders einfache Herstellung des einstückig ausgebildeten Stators, da dieser nur eine durch einfaches Ausstanzen in wenigen Arbeitsschritten erzielbare Öffnung relativ geringer Präzision aufweist, die keiner Nacharbeit oder gar Nachjustierung bedarf.

Die Anordnung nach F i g. 5 und 6 zeigt den Einsatz eines solchen Stators in einer Anordnung nach F i g. 2. Die beiden Enden des Stators 12 sind hier so breit ausgebildet, daß der bei gleichbleibender Dicke sie durchsetzende Magnetfluß noch lange keine Sättigung derselben hervorruft, nachdem die beiden Verbindungsteile 20, 21 an den Stellen 12a bzw. 12b längst gesättigt sind. Der Rotor 15 ist auf die um den Winkel λ gegenüber der Längslinie des Stators geneigten Stellen 14a, 14b geringsten Luftspalte bzw. magnetischen Widerstands ausgerichtet. Bei gegenüber den Rotorpolen gleichnamiger Erregung der beiden Statorteile werden die Rotorteile von dem jeweils näheren Statorteil abgestoßen und von dem jeweils entfernteren Statorteil angezogen.

Damit wird der Rotor um 180° verschwenkt, woraufhin er sich auch nach Verschwinden der Erregung selbsttätig auf die neue Lage ausrichtet, in der er sich bis zur nächsten Erregung der Spule, diesmal in der entgegengesetzten Polarität der beiden Statorteile, mit Sicheres heit hält.

Wie aus F i g. 7 ersichtlich ist, erreicht die magnetische Spannung P(Potenlialdifferenz zwischen den beiden Statorteilen unter Bezug auf das Potential des einen

Statorteils) bei jedem Verdrehen des Rotors um einen Winkel Θ ihr Minimum an den Stellen, an denen der Drehwinkel Θ bzw. der um 180° demgegenüber versetzte Drehwinkel κ 4- π gleich dem genannten Neigungswinkel λ der Verbindungslinie der beiden Stellen geringsten Luftspalts bzw. magnetischen Widerstands gegenüber der Längslinie des Stators ist. Die Bedeutung der dargestellten Spannungsverläufe R und U wird bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele nach F i g. 8 näher erläutert.

Das auf den Rotor 15 ausgeübte Drehmoment Γ ergibt sich in bekannter Weise aus der Beziehung

T = Jt ■ a · H ■ M ■ sin Θ,

worin a der Radius des Rotors 15, H die magnetische Feldstärke des Luftspalts und M die Magnetisierung des Rotors 15 sind und k die Proportionalitätskonstante darstellt.

Die in F i g. 8 dargestellten Ausbildungen der Öffnung 14 im Stator 12 dienen sämtlich dazu, die Ruhelage des Rotors 15 zu bestimmen. Dabei sind rotationssymmetrische und rotations-unsymmetrische Öffnungsformen dargestellt, zwischen denen auch Zwischenformen denkbar sind. Hierdurch werden an einander gegenüberliegenden Stellen beziehungsweise an nur einer einzigen Stelle Luftspaltverengungen bewirkt, auf die der Rotor sich selbsttätig auszurichten vermag. Derartige öffnungen lassen sich bekanntlich durch schrittweises Ausstanzen herstellen, wobei zunächst eine öffnung geringeren Durchmessers ausgestanzt wird, um Platz für weitere Bearbeitungen zu schaffen, danach wird, wie dies für die Beispiele h bis m ersichtlich ist, ein unter dem gewünschten Neigungswinkel verlaufendes Stanzwerkzeug eingesetzt, das beidseitig Einschnitte ausstanzt, deren Enden die erforderliche Form und Breite aufweisen, und schließlich werden die zwei die kreiszylindrische Ausbildung begrenzenden restlichen Halbringe abgeschert. Die Verteilung der ohrförmigen Ausschnitte der Beispiele muß keinesfalls symmetrisch zur Mitte der Öffnung i4 erfolgen, denn die Verteilung auf eine einzige Seite gemäß den rotations-unsymmetrischen Beispielen / und m ergibt eine nur unwesentliche Abweichung der Abhängigkeit der magnetischen Spannung P vom Drehwinkel Θ gegenüber den rotationssymmetrischen Beispielen h, j, k und 1, was in F i g. 8 für das rotations-unsymmetrische Beispiel /durch die Kurve £/und für das rotationssymmetrische Beispiel Λ durch die Kurve R dargestellt ist.

Die die Ruhestellung des Rotors 15 bewirkende Verengung des Luftspalts kann auf zweierlei Weise erreicht werden. Die Anordnung nach F i g. 9 zeigt wie das Beispiel j in F i g. 8 eine Ausbuchtung 14c in der öffnung 14, auf die sich mit Sicherheit keiner der beiden Magnetpole des Rotors 15 ausrichtet; diese nehmen daher eine Stellung ein, in der die Ausbuchtung 14c zwischen den beiden Magnetpolen liegt. Die Anordnung nach F i g. 10 zeigt wie das Beispiel e in F i g. 8 eine Verengung 14t/in der Öffnung 14, auf die sich mit Sicherheit jeder der beiden Magnetpole des Rotors 15 auszurichten versucht; diese nehmen daher eine Stellung ein, in der der am Ende einer Drehung am nächsten befindliche Magnetpol gegenüber der Verengung 14c/ liegt Bei beiden Anordnungen besteht der Stator 12 aus einem einzigen Slück.

Die in F i g. 11 und 12 dargestellten Anordnung zeigt den Zusammenbau der Spule 10 mit dem Eisenkern 11 und dem Stator 12 mittels der Schrauben 13 sowie den Einbau des Rotors 15 in die Öffnung 14 zweier Platten 16,17 aus magnetisierbarem Material, die den Stator 12 bilden und in konzentrischen Bohrungen die Lager 18, 19 für die Welle 15a des Rotors 15 aufnehmen. Durch den kompakten Aufbau ist ein solches Bauteil gegen mechanische Stoßbeanspruchung weitgehend geschützt, so daß keine weiteren Maßnahmen zur Stoßsicherung getroffen werden müssen. Bei dieser Anordnung besteht der Stator 12 somit aus zwei miteinander

ίο parallelen Stücken.

Die in Fig. 13 bis 15 dargestellte Anordnung hat einen Stator 12, der aus einzelnen Lamellen aus magnetisch leitendem Material zusammengeschichtet ist. F i g. 13 läßt dabei erkennen, daß bei dieser Ausführung die Statorform 1 gemäß Fig.8 gewählt ist. deren Kinschnitte 24 so groß sind, daß für das Ausrichten des Rotors 15 ein nur geringer Umfangsabschnitt herangezogen ist. F i g. 14 läßt im Schnitt C-C'erkennen, daß der in F i g. 13 dargestellte Stator 12 oberhalb und unterhalb durch je eine der beiden Lamellen 22, 23 begrenzt ist, die die Stege 20, 21 bilden. Die dazwischenliegenden Lamellen reichen nur soweit zueinander, daß sie beidseitig je einen Spalt von der Breite d freilassen. F i g. 15 läßt im Schnitt D-D' erkennen, daß nur die mittlere Lamelle die ohrförmigen Ausschnitte 24 aufweist, wodurch je ein Punkt geringen Magnetflusses eingefügt ist, durch den die Flußverteilung beeinflußt wird. Damit läßt sich die Ruhelage des Rotors 15 erreichen, ohne die magnetische Spannung zu erhöhen, da diese durch die Ausschnitte 24 vergrößert wird. Die Verbindungsstege 20, 21 der beiden einstückigen Lamellen 22, 23 sind unter Beibehaltung ausreichender Festigkeit so dünn wie möglich ausgebildet damit der magnetische Widerstand so hoch wie möglich wird.

Bei der in Fig. 16 dargestellten Anordnung besteht der Kern 11 aus dem gleichen Material wie der Stator 12. Bei der in Fig. 17 dargestellten Anordnung besteht der Kern 11 dagegen aus einem Material möglichst hoher Permeabilität während der Stator 12 aus einem Material weniger hoher Permeabilität besteht. Der durch die Spule 10 hervorgerufene Magnetfluß kann daher, ohne die Sättigung des Kerns 11 zu erreichen, die Verbindungsstege des Stators 12 bis zu deren Sättigung erregen. Andererseits kann der Kern 11 nach Fig. 17 einen gegenüber dem Querschnitt S1 des Kerns nach Fig. 16 geringeren Querschnitt S2 aufweisen, so daß sich bei der Anordnung nach F i g. 17 eine kleinere Bauform als bei der nach F i g. 16 ergibt

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektromagnetischer Schrittmotor, der in einer Quarzarmbanduhr verwendbar ist und durch Impulse abwechselnder Polarität zwischen stabilen stationären Lagen schrittweise antreibbar ist, bestehend aus einem von einer Spule umgebenen Magnetkern, mit dem zur Bildung eines geschlossenen magnetischen Flußwegs ein zweipoliger Stator verbunden ist, dessen zwei im wesentlichen halbkreisförmige Statorpolflächen über einen Luftspalt an einen mindestens ein Magnetpolpaar aufweisenden Rotor angrenzen und mindestens eine von der Kreisform abweichende, die Drehrichtung des Rotors und die Anziehungskraft zwischen Stator und Rotor in der stationären Lage bestimmende Ausbildung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpolflachen durch eine kreisförmige Statoröffnung (14) zwischen diametrai gegenüberliegenden eingeschnürten Verbindungsstegen (12a, t2b) eines einstückigen Stators (12) gebildet sind, daß mindestens eine Einbuchtung oder Ausbuchtung (F i g. 8a bis 8o) mit vorbestimmter Größe an der Statoröffnung ausgebildet ist, deren Abmessung in Umfangsrichtung klein im Vergleich zu dem Umfang der kreisförmigen Statoröffnung (14) ist, und daß die magnetische Sättigungsflußdichte des Materials des Magnetkerns größer als diejenige des Materials des Stators ist.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) mit einem einzigen Magnetpolpaar versehen ist.

3. Schrittmotor nach Ansp-uch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei diametral gegenüberliegende Einbuchtungen (F i g. 8h) ausgebildet sind.

4. Schrittmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstege des Stators durch zwei äußere Lamellen gebildet sind, und daß die Einbuchtungen oder Ausbuchtungen durch eine mittlere Lamelle gebildet sind.