DE2600840C3 - Schrittmotor mit einem Permanentmagnet-Rotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrittmotor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art

Bei einem solchen, aus der US-PS 3132 558 bekannten Schrittmotor sind die beiden Statorpolstücke so ausgebildet, daß sich für den Rotor nur eine erste stabile Gleichgewichtsachse ergibt, die die stabile Drehstellung des Rotors festlegt, in der er jeweils anhält, wenn die Erregerwicklung nicht erregt ist Bei jedem an die Erregerwicklung des bekannten Schrittmotors gegebenen Erregerimpuls dreht sich der Rotor aus seiner stabilen Drehstellung um jeweils 180 Grad wieder bis zum Erreichen der stabilen Drehstellung. Die Amplitude bzw. Impulsbreite der Erregerimpulse muß dabei jeweils so gewählt sein, daß die dem Rotor erteilte kinetische Energie ausreicht, um ihn jeweils bis zum Erreichen der stabilen Drehstellung zu drehen.

Bei dem bekannten Schrittmotor sind die beiden Statorpolstücke jedoch soweit voneinander entfernt, das heißt bilden zwischen sich einen so großen Luftspalt, daß der Rotor bei einer Erregung der Erregerwicklung nur im Uhrzeigersinn gedreht werden kann, während er bei einer Erregung der Erregerwicklung in umgekehrter Richtung aus seiner stabilen Drehstellung heraus zwar um einen bestimmten Drehwinkel gedreht werden könnte, das dem Rotor dadurch erteilte Drehmoment jedoch nicht ausreicht, um den Rotor gegen den Uhrzeigersinn in seine stabile Drehstellung weiterzudrehen. Selbst bei einer Erregung der Erregerwicklung in umgekehrter Richtung würde daher der Rotor am Ende des jeweiligen Erregerimpulses wieder in seine zuvor eingenommene stabile Drehstellung zurückkehren. Bei dem bekannten Schrittmotor ist daher ein Antrieb des Rotors auch nur im Uhrzeigersinn vorgesehen.

Aus der US-PS 33 75 384 ist ein einphasiger Synchronmotor bekannt, dessen Statorpolstücke asymmetrisch zueinander ausgebildet sind, um Teile mit einem stärkeren Magnetfeld zu bilden, wodurch sich eine Achse statischen Gleichgewichts ergibt, an der, wenn sie mit der magnetischen Achse des permanentmagnetischen Rotors zusammenfällt, der Rotor festgehalten wird. Diese durch die asymmetrische Ausbildung der Statorpolstücke bestimmte Ruhelage, die bei nicht erregter Wicklung von dem Rotor eingenommen wird, schließt einen bestimmten Winkel zur magnetischen Feldrichtung bei erregter Wicklung ein, so daß der bekannte Synchronmotor, bei der Erregung der Wicklung sicher und in einer festgelegten Drehrichtung anläuft

Aus der DE-AS 11 35 083 ist ein Gleichstrommotor mit einem aus einem Permanentmagneten gebildeten Rotor bekannt, bei dem die Statorpolstücke sichelförmig so ausgebildet sind, daß sie längs des Umfangs des Rotors einen größer werdenden Luftspalt bilden, wodurch wiederum eine festgelegte Drehrichtung vorgegeben wird. Der Rotor kann sich in die entgegengesetzte Richtung daher selbst dann nicht drehen, wenn die Phasenlage der an die Erregerwicklung gegebenen Erregerimpulse verändert wird.

Mit der DE-OS 26 11319 wurde ein Schrittmotor vorgeschlagen, dessen Statorpolstücke so ausgebildet sind, daß der magnetische Flußweg längs einer durch den Mittelpunkt des Rotors gehenden Achse einen maximalen magnetischen Widerstand hat Dieses wird z. B. durch auf dieser Achse liegende Hohlräume innerhalb der Statorpolstücke oder aber Ausnehmungen an der Innenmantelfläche der Statorpolstücke erreicht Diese Achse steht dabei senkrecht auf der Achse des stabilen Gleichgewichts, die mit der magnetischen Achse des aus einem Permanentmagneten gebildeten Rotors zusammenfällt Auch dieser Schrittmotor hat daher an jedem Statorpolstück nur einen statischen Gleichgewichtspunkt, wobei die Gleichgewichtspunkte beider Statorpolstücke die Achse des statischen Gleichgewichts definieren. Wird der Erregerwicklung ein zusätzlicher Erregerimpuls mit Her gleichen Phasenlage wie die des vorangegangenen Erregerimpulses zugeführt, so dreht sich die Drehrichtung des Rotors jeweils um.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schrittmotor der im Oberbegriff des Anspruchs genannten Art so weiterzubilden, daß in einfacher und zuverlässiger Weise eine Drehung des Rotors sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn möglich ist

Bei einem Schrittmotor der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der beiden Statorpolstücke derart, daß auch der sekundäre magnetische Flußpfad zwei statische Gleichgewichtspunkte bildet, die eine zweite Achse des Gleichgewichtes definieren, in deren Ausrichtung der Rotor eine

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zweite stabile Drehstellung annehmen kann, wird in einfacher Weise die Möglichkeit geschaffen, den Rotor aus seiner ersten stabilen Drehstellung heraus bei Erregung der Erregerwicklung in Richtung des Uhrzeigersinns zu drehen, während er aus seiner zweiten stabilen Drehstellung heraus bei einer Erregung der Erregerwicklung gege den Uhrzeigersinn zu drehen ist Diese Wirkung beruht darauf, daß bei der Erregung der Erregerwicklung bei sich in seiner ersten stabilen Drehstellung befindendem Rotor eine Abstoßung seines Nord- und Südpols durch die jeweils gleichartigen Pole der beiden Statorpolstücke in Richtung des Uhrzeigersinns stattfindet, während bei einer Erregung der Erregerwicklung bei sich in seiner zweiten stabilen Drehstellung befindendem Roter eine Abstoßung des Nord- und Südpols des Rotors durch die jeweils gleichnamigen Pole der beiden Statorpolstücke gegen den Uhrzeigersinn stattfindet

Wird dagegen bei sich in seiner ersten stabilen Drehstellung befindendem Rotor die Erregerwicklung mit einer der jeweiligen Ausrichtung des Nord- und Südpols des Rotors gegensinnig zugeordneten Erregung beaufschlagt so werden die Pole des Rotors durch jeweils entgegengesetzt gerichtete Pole der Statorpolstücke angezogen, wodurch dem Rotor jedoch durch einen solchen Erregerimpuls ein nur so großes Drehmoment erteüt werden kann, daß der Rotor sich aus seiner ersten stabilen Drehstellung heraus in seine zweite stabile Drehstellung bewegt und in dieser anhält Das gleiche gilt für eine Bewegung des Rotors aus der zweiten stabilen Drehstellung heraus durch eine Erregung der Erregerwicklung derart, daß wiederum eine Anziehung des dem jeweiligen Statorpolstück zugewandten Pols des Rotors durch einen entgegengesetzt ausgerichteten Pol an gerade diesem Statorpolstück stattfindet

Wird also die Erregerwicklung das Schrittmotors bei einem Antrieb des Rotors in Richtung des Uhrzeigersinns nacheinander durch jeweils entgegengesetzt gerichtete Erregerimpulse erregt, so dreht sich der Rotor bei J idem Schritt um jeweils 180 Grad immer wieder in seine erste stabile Drehstellung. Wird dagegen einer der jeweils sich abwechselnden entgegengesetzten Impulse unterdrückt so daß zwei jeweils gleichartige Impulse aufeinanderfolgen, so wird der Rotor aus seiner ersten stabilen Drehstellung heraus lediglich um 90 Grad in seine zweite stabile Diehstellung gedreht und bleibt in dieser stehen. Bei einer weiteren normalen Erregung der Erregerwicklung durch aufeinanderfolgende und entgegengesetzt gerichtete Impulse wird dann der Rotor aus dieser zweiten stabilen Drehstellung heraus gegen den Uhrzeigersinn bei jedem Schritt um jeweils ICO Grad wiederum in die zweite stabile Drehstellung gedreht Wird erneut ein Wechsel der Drehrichtung gewünscht, so muß lediglich erneut wiederum einer der Erregerimpulse unterdrückt werden, so daß zwei gleichartige Erregerimpulse aufeinanderfolgen, wodurch der Rotor aus seiner zweiten stabilen Drehstellung heraus nur in seine erste stabile Drehstellung um 90 Grad gedreht wird, wonach er dann bei einer weiteren normalen Erregung der Erregerwicklung wieder in Richtung des Uhrzeigersinns gedreht wird.

Die beiden Statorpolstücke sind dabei so ausgebildet, daß die ersten und zweiten Achsen des Gleichgewichts jeweils einen ersten und zweiten Winkel mit der durch den Luftspalt zwischen beiden Statorpolstücken hindurchgehenden Symme* ieachse einschließen, wobei die Summe beider Winkel etwa gleich 90 Grad ist Dadurch ist der Rotor in sehr einfacher Weise nur durch Ausblenden jeweils eines der Erregerimpulse von der ersten in die zweite stabile Drehstellung und umgekehrt zu drehen, um dann bei einer weiteren Erregung jeweils den Drehsinn des Rotors zu ändern. Andererseits kann der Rotor aber selbstverständlich auch ohne Erregung der Erregerwicklung z. B. von Hand aus der einen stabilen Drehstellung in die jeweils andere gedreht werden, um durch eine nachfolgende Erregung der Erregerwicklung in die jeweils andere Drehrichtung angetrieben zu werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert Es zeigt

F i g. 1 und 2 schematische Ansichten des Auslfühmngsbeispiels, wobei in F i g. 1 die Drehung des Rotors im Uhrzeigersinn und in F i g. 2 die Drehung des Rotors in die entgegengesetzte Richtung dargestellt ist

Das dargestellte Ausführungsbeispiel des Schrittmotors umfaßt einen Permanentmagneten als Rotor 40, der drehbar innerhalb eines von einem Stator 44 gebildeten Luftspaltes 42 angeordnet ist Der Üvator 44 besteht aus Statorpolstücken 46 und 48, die nut Hilfe eines magnetisch leitenden, langgestreckten Bauteils 49 magnetisch miteinander in Verbindung stehen. Eine Erregerwicklung 50, die um das Bauteil 49 gewickelt ist wird in der im folgenden im einzelnen beschriebenen Weise erregt Die Statorpolstücke 46 und 48 sind derart angeordnet daß sich zwei verschiedene Flußwege ergeben, die von den Statorpolstücken durch den Rotor 40 verlaufen und von denen der eine Flußweg eine höhere magnetische Induktion als der andere hat Im einzelnen weist das Statorpolstück 46 einen ersten und einen zweiten Teil 46a und 46b auf, die asymmetrisch zueinander sind und einen primären und einen sekundären magnetischen Flußpfad mit unterschiedlicher Länge liefern. Der primäre magnetische Flußpfad des ersten Teils 46a hat einen geringeren magnetischen Widerstand und trifft auf die Achse X-X' eines ersten statischen Gleichgewichts am ersten statischen Gleichgewichtspunkt 52 für die Drehung des Rotors im Uhrzeigersinn. Der sekundäre magnetische Flußpfad hat einen höheren magnetischen Widerstand und trifft auf die Achse Y- Y' eines zweiten statischen Gleichgewichts am zweiten statischen Gleichgewichtspunkt 54 für eine Drehung des Rotors in die entgegengesetzte Richtung. In ähnlicher Weise weist das Statorpolstück 48 einen ersten und einen zweiten Teil 48a und 48i auf, die zueinander asymmetrisch sind und die einen primären und einen sekundären magnetischen Flußpfad jeweils bilden. Der primäre magnetische Flußpfad des ersten Teils 48a hat einen geringeren magnetischen Widerstand und trifft auf die Achse X-X' des ersten statischen Gleichgewichts am ersten statischen Gleichgewichtspunkt 52'. Der sekundäre magnetische Flußpfad des zweiten Teils 48Λ hat einen höheren magnetischen Widerstand und trifft auf die Achse Y-Y', des zweiten statischen Gleichgewichts am zweiten statischen Gleichgewichtspunkt 54'. Die beiden Achsen X-X'und Y-Y'hüben zur zentralen Achse Z-Z'jeweils Winkel α und ß, die zusammen einen Winkel von 90 Grad bilden. Die in dieser Weise aufgebauten Statorpolstücke 46 und 48 sind derart angeordnet daß die ersten Teile der beiden Statorpolstücke diametral einander gegenüberliegen. Selbstverständlich ist der Rotor 40 auf den Achsen des ersten und zweiten statischen Gleichgewichts für eine Drehung des Rotors im Uhrzeigersinn und in die dazu entgegengesetzte

Richtung stabil.

Nachfolgend wird die besondere Arbeitsweise des Schrittmotors anhand der F i g. 1 und 2 erläutert, in denen eine Achse W-W maximaler magnetischer Anziehungs- oder Abstoßungskraft durch die Statorpolstücke infolge einer Erregung der Erregerwicklung eingezeichnet ist Diese Achse ist durch die beiden Punkte 53 und 53' festgelegt. Mit anderen Worten, bei einer Erregung der Erregerwicklung ist die magnetische Induktion an den Punkten 53 und 53' der Statorpolstükke 46 und 48 maximal.

In F i g. 1 ist der Rotor 40 in einer Drehitellung gezeigt, bei der sich sein Nordpol so nahe wie möglich am stabilen Gleichgewichtspunkt 52 und sein Südpol so nahe wie möglich am stabilen Gleichgewichtspunkt 52' befinden. Diese Drehstellung wird dadurch erreicht, daß beim Zuführen eines Erregerimpulses an die Erregerspule 50 bei einer Drehstellung, bei der sich der Nordpol des Rotors 40 stabil an dem Punkt 52' und der Südpol des Rotors 40 stabil an dem Punkt 52 befinden, wobei das Statorpolstück 48 einen Nordpol darstellt und seine maximale magnetische Induktion am Punkt 53' hat, während das Statorpolstück 46 einen Südpol annimmt und seine maximale magnetische Induktion am Punkt 53 hat so daß der Nordpol des Rotors 40 vom magnetischen Feld am Punkt 53 angezogen und der Südpol des Rotors 40 vom magnetischen Feld am Punkt 53 abgestoßen wird, sowie der Nordpol des Rotors 40 vom magnetischen Feld am Punkt 53 abgestoßen und der Südpol des Rotors 40 vom magnetischen Feld am Punkt 53' angezogen wird, wodurch sich der Rotor 40 in Richtung des Uhrzeigersinns um einen Winkel von 180 Grad in die in F i g. 1 gezeigte Stellung dreht und in dieser Stellung stabil bleibt In dieser Drehstellung befindet sich der Nordpol des Rotors 40 stabil am Punkt 52 und der Südpol des Rotors 40 stabil am Punkt 52'. Der Erregerimpuls hat dabei eine solche Impulsbreite oder Amplitude, daß die magnetischen Abstoßungs- und Anziehungskräfte an den Punkten 53,53' ausreichen, um den Nordpol des Rotors 40 bis in den stabilen Gleichgewichtspunkt 52 zu drehen.

Wenn der Erregerimpuls erneut an die Erregerwicklung 50 bei einer Drehstellung gegeben wird, bei der sich der Nordpol des Rotors 40 so nahe wie möglich am stabilen Gleichgewichtspunkt 52 befindet, während sich der Südpol des Rotors 40 so nahe wie möglich an dem stabilen Gleichgewichtspunkt 52' befindet wie dieses in

ίο Fig. 1 gezeigt ist, so wird das Statorpolstück 46 zu einem Südpol und das Statorpolstück 48 zu einem Nordpol. Dann ist die magnetische Induktion des Südpols am Punkt 53 größer als die magnetische Induktion am Punkt 52, während die magnetische Induktion am Punkt 53' größer als die am Punkt 52' ist, daß der Nordpol des Rotors 40 durch das magnetische Feld am Punkt 53 angezogen wird, während der Südpol des Rotors 40 durch das magnetische Feld am Punkt 53' angezogen wird. Infolge dieser auf den Rotor 40 ausgeübten Anziehungskräfte dreht sich der Rotor 40 aus seiner stabilen ersten Drehstellung 52,52' gegen den Uhrzeigersinn. Da auch in diesem Fall die Impulsbreite oder Amplitude des Erregerimpulses nur den zuvor angegebenen bestimmten Wert hat, kann der Nordpol des Rotors 40 nur den zweiten stabilen Gleichgewichtspunkt 54 erreichen, während der Südpol des Rotors 40 nur den zweiten stabilen Gleichgewichtspunkt 54' durch die kinetische Energie des Rt tors 40 erreicht. Dieses liegt daran, daß der Nordpol des Rotors 40 dem Anziehungspunkt 53 relativ dicht benachbart ist und nur bis zum Erreichen dieses Anziehungspunktes beschleunigt und danach wieder abgebremst wird, sofern der Erregerimpuls noch andauert. Bei geeigneter Wahl der Impulsbreite oder Amplitude der Erregerimpulse ist daher sicherzustellen, daß der Nordpol den Anziehungspunkt 53 überläuft und aufgrund der kinetischen Energie des Rotors bis in die zweite stabile Drehstellung 54 gelangt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. 26 OO

   Patentanspruch:

   Schrittmotor mit einem Permanentmagnet-Rotor mit einem Paar von Nord- und Südpolen sowie einem Stator, der eine Erregerwicklung und zwei Statorpolstücke aufweist, die im Abstand voneinander zur Bildung eines Luftspalts angeordnet sind und runde Umfangsteile haben, die vom Umfang des Rotors gleich beabstandet sind, wobei jedes der Statorpolstücke einen primären magnetischen Flußpfad mit niedrigem magnetischem Widerstand und einen sekundären magnetischen Flußpfad mit einem höheren magnetischen Widerstand hat, der primäre magnetische Flußpfad zwei diametral gegenüberliegendfe erste statische Gleichgewichtspunkte für das vom Rotor erzeugte Magnetfeld bildet, so daß der Rotor bei fehlender Erregung der Erregerwicklung in einer Drehstellung anhält bei der sein Nord- und Südpol auf einer durch die beiden ersten Gleichgewichtspunkie hindurchgehenden ersten Achse ausgerichtet ist, und bei Erregung der Erregerwicklung im Uhrzeigersinn jeweils um 180 Grad drehbar ist, und die erste Achse mit einer gemeinsamen, durch den Luftspalt hindurchgehenden Symmetrieachse der Statorpolstücke einen ersten Winkel einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre magnetische Flußpfad zwei diametral gegenüberliegende zweite statische Gleichgewichtspunkte (54,54') für das vom Rotor (40) erzeugte Magnetfeld bildet, so daß der Rotor bei fehlender Erregung der Erregerwicklung (50) in einer Drehstellung anhält, bei der seine Nord- und Südpole auf einer durch die beiden zweiten Gleicngewichtspunkte hindurchgehenden zweiten Achse (Y, Y') ausgerichtet sind, und bei Erregung der Erregerwicklung gegen den Uhrzeigersinn jeweils um 180 Grad drehbar ist, und daß die zweite Achse (Y, Y') mit der Symmetrieachse (Z, Z') einen zweiten Winkel (JS) einschließt, der etwa gleich 90 Grad minus des ersten Winkels («) ist