DE2644238A1

DE2644238A1 - Schrittmotor

Info

Publication number: DE2644238A1
Application number: DE19762644238
Authority: DE
Inventors: Richard C Sinnott
Original assignee: Berkeley Chemical Corp
Current assignee: Berkeley Chemical Corp
Priority date: 1975-09-30
Filing date: 1976-09-30
Publication date: 1977-04-07
Also published as: IT1073429B; JPS5242809A; CA1050600A; GB1557071A; FR2326798A1; JPS5266906A; AU497791B2; SE7610666L; US3999090A; AU1725276A; CH600661A5

Description

PATFNTANWÄLl E

HELMUTSCHROETER KLAUS LEHMANN λ £ / / y ο ο

DIPL.-PHYS. DIPL.-INC. i U 4 t ώ O O

K.D. Cunningham, 28.9.1976

R.H. Rubin, - _ΛΤ,_β ,_Α

R.C. Sinnoit fo-crs-10

Se/Pp

Schrittmotor

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Dreh-Schrittmotor, dessen Rotor auf direkt magnetischem Wege zwischen stabilen Ruhelagen auf Grund aufeinanderfolgender elektrischer Impulse fortschaltbar ist, weswegen er im nachfolgenden Direktdrehschrittmotor im Gegensatz zu elektromagnetischen Einrichtungen genannt wird, bei denen die schrittweise Fortschaltung durch Betätigung eines mechanischen Klinkenwerks geschieht. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen sich in einer Richtung drehenden Direktdrehschrittmotor mit einer Bauweise, bei der große und dicht einander gegenüberliegende Oberflächenbereiche im aktiven magnetischen Aufbau vorhanden sind und einen einzigartig breiten Spielraum für die Verwirklichung gewünschter Eigenschaften bieten, während von der elektrischen Leistung ein wirksamer Gebrauch möglich ist und ein geometrisch einfacher Aufbau Verwendung findet,um eine billige Bauweise und Miniaturisierung des Motors zu gestatten.

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D-707 SCHWÄBISCH GMOND GEMEINSAME KONTEN D-8 MÜNCHEN 70 Telefon: (07171) 56 90 Deutsche Bank Mündien 70/37369 (BLZ 700 700 10) Telefon: (0 89) 77 89 H. SCHROETER Telegramme: Schroepat Schwäbisch Gmünd 02/00 535 (BLZ 613 700 86) K.LEHMANN Telegramme: Schroepu BodisRasse 49 Telex: 7248 868 pagd d Postscheckkonto Mündien 167941-804 Lipowskystraß« 10 Telex: 5 212 248 pawe d

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Grundsätzlich ist der Elektromotor sehr alt, gut entwickelt und existiert in gut spezialisierten Arten von Motoren für die verschiedensten Zwecke, wobei eine bedeutende grundsätzliche Verbesserung, die über die herkömmlichen Bauformen hinausführt, kaum noch möglich ist. Darüber hinaus sind die unterschiedlichen Typen der elektrischen Motoren, obwohl sie alle das gemeinsame Kennzeichen der Verwendung elektromagnetischer Prinzipien aufweisen, in der Form von z.B. Direktdrehschrittmotoren und Wechselstromsynchronmotoren spezialisierte praktische Anpassungen, bei denen unterschiedliche Aspekte und Anwendungsmöglichkeiten dieser Prinzipien besonders hervortreten. Aus diesem Grund lehrt die körperliche äußere Ausbildung eines Motortyps nicht notwendigerweise viel über die erwünschte äußere Ausbildung einer unterschiedlichen Gattung von Motoren, weil die Wirkung, der Gebrauch und die komplizierte gegenseitige Beziehung zwischen Aufbau und elektromagnetischen Kräften auf statischer oder dynamischer Basis sehr unterschiedlich sein können und gewöhnlich auch sehr unterschiedlich sind, obwohl vielleicht oberflächliche Gemeinsamkeiten bestehen.

So ist z.B., wie in US-PS 3 356 876 veranschaulicht, der Wechselstromsynchronmotor eine in ihrer allgemeinen Wirkungsweise dynamische Einrichtung, deren Arbeitsweise auch auf der Ausnutzung des Trägheitsmoments beruht, worin sowohl ihre Nützlichkeit als auch die Möglichkeit zur Herstellung vereinfachter und billiger Ausführungsformen begründet ist. Die konstruktiven Überlegungen drehen sich dabei hauptsächlich um die Frage, wie der Anlauf und der gleichmäßige und wirksame fortwährende Betrieb in strengem Gleichlauf mit der angelegten Wechselstromfrequenz möglich ist. Man schenkt dabei auch dem Anlauf in der richtigen Drehrichtung Beachtung, doch ist dies nur ein mit der brauchbaren Arbeitsweise zusammenhängender Nebenumstand, der nicht ernsthaft die grundlegenden Entwurfsgrößen beeinflußt, die dem Hauptzweck dienen. Andererseits muß, wie in US-PS 3 5²H 363 und 3 693 O3²* veranschaulicht, der herkömmliche Direktdrehschrittmotor in der Lage sein, sich nicht nur in der richtigen Richtung,sondern auch in kleinen

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Winkelschritten aus einer stabilen Lage zur nächsten auf Grund diskreter elektrischer Impulse zu bewegen, wobei der Zeitabstand solcher Impulse regelmäßig oder unregelmäßig sein kann und charakteristisch für den Motor ist, daß er zu jeder solchen Zwischenlage, deren essehr viele in einem Umlauf gibt, gesondert starten und wieder anhalten muß. Alle seine wichtigen Betriebskennzeichen stehen In Verbindung mit den Einzelheiten seiner Vervollkommnung bei der Ausführung dieses verhältnismäßig kleinen Winkelschritts bei Start- und Stopbewegung auf Grund eines elektrischen Impulses und mit der Stabilität seiner Ruhelage, in der eine gewisse Zeit lang jeder Betriebsstrom fehlenkann. Deshalb sind die Einzelheiten seines aktiven magnetischen Aufbaues alle von Bedeutung bis in die kleinsten Einzelheiten und werden im allgemeinen empirisch gefunden, wobei komplizierte Zusammenhänge bei oberflächlicher Betrachtungsweise nicht erkennbar sind.

Im allgemeinen werden Direktdrehschrittmotoren in industriellen Anwendungsbereichen gebraucht, weil bei allgemeiner Anwendung im Verbraucherbereich die Leistungsanforderungen und die Größe, selbst wenn sie verwirklichbar wären, gewöhnlich zu aufwendig wären, wenn der Direktdrehschrittmotor so gebaut sein soll, daß er die geforderten Eigenschaften auch tatsächlich aufweist. Z.B. sind bekanntlich viele Automobiluhren von kurzer Lebensdauer und unverläßlich, wobei einige noch dazu ziemlich laut sind. Doch enthält, soweit bisher bekannt, wegen der damit verbundenen Kosten keine allgemein erhältliche Autouhr einen herkömmlichen Direktdrehschrittmotor, obwohl doch dieser vergleichsweise besonders verläßlich und dauerhaft für diesen Zweck und auch sehr ruhig sein sollte. Im wesentlichen das gleiche gilt z.B. für herkömmliche Armbanduhren, im Gegensatz zu besonders teueren Armbanduhren, da sich der Aufwand zusätzlich auf Grund der notwendigen Miniaturisierung ergibt. Aus diesem Grunde ist der allgemeine Verbraucher in der Öffentlichkeit wie auch der industrielle Käufer in manchen möglicherweise günstigen Anwendungsbereichen nicht in der Lage, die grundsätzlich vorhandenen Vorzüge von Direktdrehschrittmotoren auszunutzen.

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Zuerst und zunächst ist es deshalb zur Verbesserung dieser Situation eine Aufgabe, in einer einzigen Einrichtung die notwendige Kombination von Elementen zu vereinigen, die einen verhältnismäßig billigen Direktdrehschrittmotor ergeben, bei dem nicht nur hervorragende Eigenschaften verwirklicht sind, sondern auch die Möglichkeit und Flexibilität gegeben ist, ihn handlich zu entwerfen und die Forderungen hinsichtlich Spannung und elektrischem Leistungsverbrauch sowie abgestufter Größen für die allgemeine Anwendung im gewöhnlichen Verbraucherbereich zu erfüllen. Dazu gehört die Verbesserung und rasche Steuerung eines geeigneten Startmoments, Bewegungsmoments und Haltemoments für einen in kurzen Zeitabschnitten ablaufenden Start- und Stopbetrieb. Ferner gehören dazu ein hoher Wirkungsgrad, eine einfache geometrische Bauform, eine kleinstmögliche Anzahl wesentlicher Teile, eine niedrige Rotorträgheit, verläßliche Bewegung in nur einer Richtung, der Gebrauch billigen Materials und eine Konstruktion, die es erleichtert, bei den Magneten und im Aufbau Toleranzen zuzulassen, um die billige Herstellung durch herkömmliche Massenherstellungsmethoden zu ermöglichen. Dies sind sich widersprechende Forderungen, wobei gewöhnlich die Lösung eines Problems ein anderes hervorruft.

Die Erfindung stellt einen größeren Schritt in Richtung auf die vorteilhafte Lösung dieser Aufgabe dar und besteht in der neuen Kombination von baulichen und elektromagnetischen Eigenschaften, die, soweit bekannt, niemals bisher in einem Direktdrehschrittmotor vereinigt wurden.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die im Anspruch angegebenen Maßnahmen.

Auf Grund der erfindungsgemäßen Ausbildung hat der Motor eine Zusammensetzung aus aufeinandergeschichteten Bauteilen bzw. eine dicht aneinandergelagerte Anordnung von magnetisch zusammenwirkenden Oberflächen, die auf einer Drehachse zentriert sind, um eine größtmögliche wirksame gegenseitige Annäherung und einen geringstmöglichen magnetischen Widerstand im Flußweg der Wicklung zu erzielen. Diese Bauform erlaubt den Ge-

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brauch eines dünnen Ringes aus permanent magnetisierbarem Material, in dem die Permanentmagnete erzeugt werdenkönnen, wodurch die Einschaltung der Magnete in Reihe in den Flußweg der Wicklung erleichtert und gleichzeitig der zusätzliche magnetische Widerstand einer solchen Einschaltung auf ein Mindestmaß gebracht wird, wodurch sich dem Motor Anwendungsbereiche eröffnen, bei der es auf einen geringen Leistungsverbrauch ankommt und trotzdem gute Drehmomentwerte erhalten werden sollen.

Auf Grund dieser Anordnung und wegen des Gebrauchs von Permanentmagneten abwechselnder Polarität, wobei die Flügel des Rotors magnetisch eine überbrückung zwischen benachbarten Magnetpoloberflächen entgegengesetzter Polarität bei den aufeinanderfolgend eingenommenen Ruhelagen des Rotors herstellen, ist die Einrichtung besonders geeignet, speziellen Bedürfnissen angepaßt zu werden und bestimmte Drehmoment- und Richtungscharakteristiken durch geeignete Auswahl der aufeinander bezogenen Formen der Rotorflügel und der Magnetpoloberflächen zu verwirklichen. Außerdem erlaubt diese Anordnung eine verhältnismäßig billige Herstellung und Montage, einfachen geometrischen Aufbau und die Miniaturisierung des Motors. Der Motor ist deshalb vielen wichtigen Anwendungsgebieten im allgemeinen Verbraucherbereich anpaßbar.

In der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene Darstellung der hauptsächlichen Bestandteile des dargestellten Ausführungsbeispieles des Direktdrehschrittmotors;

Fig. 2 einen Schnitt durch den zusammengebauten Direktdrehschrittmotor der Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf den zusammengebauten Schrittmotor der Fig. 1, wobei insbesondere die relative Größe, die Umfangsabstände und die Form der Rotorflügel und der offenliegenden Magnetpoloberflächen ersichtlich

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sind, wobei sich der Rotor in einer stabilen Ruhelage befindet;

Fig. 4 eine vergrößerte Teilansicht zur Veranschaulichung der Lage eines einzelnen Rotorflügels in Bezug auf aufeinanderfolgende Magnetpoloberflächen bei der Bewegung des Flügels von einer anfänglichen Ruhelage zu seiner darauf folgenden Ruhelage;

Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm mit zugehörigen Wellenformen, die die Arbeitsweise eines Impulsgenerators zur Erzeugung von Impulsen entgegengesetzter Polarität zum Antrieb des Schrittmotors zeigen;

Fig. 6 eine schematische graphische Darstellung der auf einen rechtwinkligen Rotorflügel wirkenden Kräfte, der sich zwischen rechtwinkligen Nord- und Südpolmagnetoberflächen befindet, wodurch die Wirkung der Flügelbreite im Verhältnis zu den Magnetpoloberflächen als Einflußgröße auf die Stabilität der Flügellage ersichtlich wird;

Fig. 7 eine schematische graphische Darstellung zur qualitativen Veranschaulichung der auf einen rechtwinkligen Rotorflügel mit einer für eine stabile Arbeitsweise geeigneten Breite im Ergebnis wirkenden Kräfte, während der Flügel über aufeinanderfolgende rechtwinklige Magnetpole entgegengesetzter Polarität wandert;

Fig. 8 eine schematische graphische Darstellung entsprechend der der Fig. 7 zur qualitativen Veranschaulichung der Veränderung der auf den Flügel wirkenden Kräfte als Ergebnis der veränderten Flügelform im Verhältnis zu den rechtwinkligen Magnetpoloberflächen.

Gemäß Fig. 1 und 2 enthält der Schrittmotor einen flachen Rotor 10, der aus dünnem Blech mit hoher magnetischer Permeabilität geschnitten oder gestanzt ist, z.B. aus Weicheisen oder kohlen-

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stoffarmem Stahl. Der Rotor hat einen ebenen und annähernd kreisförmigen zentralen Nabenabschnitt 12 und eine Mehrzahl von ringförmig aneinandergereihten, einander ähnlichen Flügeln 14, die um den Nabenabschnitt 12 herum angeordnet sind und sich von diesem nach auswärts erstrecken. Typischerweise hat jeder Flügel eine Wurzel 16, die am äußeren Umfang des mittleren Nabenabschnitts 12 liegt, ein freies Ende 18, eine vorauslaufende Kante 20 und eine nachlaufende Kante 22. Die Bezeichnung vorauslaufend und nachlaufend bezieht sich dabei auf die beabsichtigte Richtung der Drehung um eine mittlere Achse 24, die senkrecht zum Nabenabschnitt 12 des Rotors in dessen Mitte liegt, wobei die beabsichtigte Richtung der Drehung durch einen Pfeil 26 angedeutet ist. Bei Drehung um die Achse 24 beschreiben die Unterseiten der Flügel 14 eine ringförmige Umdrehungsfläche 28, die in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet ist.

Der mittlere Nabenabschnitt 12 des Rotors 10 weist eine Mittenöffnung 30 auf, in der durch Preßsitz ein Befestigungsansatz 32 eingefügt ist und damit mit dem Rotor 10 fest verbunden ist. Der Befestigungsansatζ 32 ist aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität, z.B. aus Weicheisen oder kohlenstoffarmem Stahl hergestellt und fluchtet mit der Unterseite des mittleren Nabenabschnitts 12, während er von dessen Oberseite vorsteht. Der Befestigungsansatz 32 seinerseits weist koaxial mit der Achse 24 eine kleine mittlere Bohrung auf, in die eine Motorwelle 34 mit Preßsitz eingepaßt ist und außerdem mittels einer Stellschraube 36 gesichert ist, so daß der Rotor 10 und die Motorwelle 34 über den Befestigungsansatz 32 starr verbunden sind, wobei sich die Motorwelle 34 im rechten Winkel zum Nabenabschnitt 12 des Rotors 10 und koaxial mit der Achse 24 erstreckt.

Der Motor weist eine Erregerwicklung 38 auf, die um eine Trommel 40 aus nicht-magnetischem Material (niedriger magnetischer Permeabilität), z.B. aus Kunststoff, gewickelt ist. Die Trommel 40 und damit die Wicklung 38 sind an einem Kernaufbau aus Material mit hoher magnetischer Permeabilität, z.B. aus Weich-

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eisen oder kohlenstoffarmem Stahl, befestigt, wobei dieser Kernaufbau aus einem äußeren'zylindrischen Teil 42, aus einer kreisförmigen Bodenplatte 44 und einem inneren zylindrischen Teil 46 besteht, der durch die Erregerwicklung 38 hindurchgeht. Diese Bauteile des Kernaufbaus, im folgenden auch kurz Kernbauteile genannt, können in irgendeiner herkömmlichen Weise miteinander verbunden sein, z.B. wie dargestellt durch Schrauben. Die Trommel 4o hat eine Mittenöffnung 48, die ziemlich genau dem äußeren Durchmesser des mittleren Kernbauteils 46 entspricht, so daß die Trommel 4o genau darauf paßt, wobei sowohl der mittlere Kernbauteil 46 als auch die Trommel 4o und damit die Erregerwicklung 38 koaxial zur Achse 24 angeordnet sind. Der mittlere Kernbauteil 46 weist eine verhältnismäßig kleine Mittenbohrung 50 auf, in deren oberes Ende ein Bronzelager 52 durch Preßsitz eingepaßt ist, wobei die Mittenbohrung 50 und das Bronzelager 52 koaxial zur Achse 24 liegen. In Fortsetzung hiervon weist die Bodenplatte 44 des Kernaufbaus eine öffnung 5^ auf, in die ebenfalls durch Preßsitz ein zweites Bronzelager 56 eingepaßt ist. Der Rotor 10 ist zur Drehung um die Achse 24 durch Einsetzen der Motorwelle J>K in das obere bzw. untere Bronzelager 52 bzw. bis zum Anschlag des Befestigungsansatzes 32 an der Oberseite des Bronzelagers 52 gelagert.

Der Kernaufbau dient dazu, den Fluß der Erregerwicklung zu bündeln und durch den Rotor 10 zu leiten. Elektromagnetisch stellt die Oberseite des mittleren Kernbauteils 46 einen ersten oder mittleren Pol des Kernaufbaus dar, während die Oberseite des äußeren zylindrischen Kernbauteils 42 einen zweiten oder entgegengesetzten Pol des Kernaufbaus darstellt.

Hierzu hat der mittlere Kernbauteil 46 ein vergrößertes oberes Ende 58, an dessen Oberseite eine Polfläche 60 in Form einer ebenen kreisförmigen Oberfläche ausgebildet ist, die in geringem Abstand gegenüberliegend und parallel zur Unterseite des Nabenabschnitts 12 angeordnet ist, so daß sich ein gleichmäßiger Spalt dazwischen mit einem geringstmöglichen magnetischen Widerstand ergibt. Der mittlere Nabenabschnitt 12

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des Rotors 10 stellt einen beträchtlichen Teil der Oberfläche des Rotors 10 dar, wofür beispielsweise die Tatsache zur Veranschaulichung dienen kann, daß der angenäherte Durchmesser des Nabenabschnitts 12, gemessen zwischen den Wurzeln 16 der Flügel 14, die Länge jedes Flügels, gemessen von dessen freiem Ende bis zur Wurzel, übersteigt. Die ebene Polfläche βθ ist von annähernd gleichem Ausmaß wie der Nabenabschnitt 12 und, da das obere Bronzelager 52 von verhältnismäßig kleinem Durchmesser und mittig angeordnet ist und da der Befestigungsansatz 32 von hoher magnetischer Permeabilität und fluchtend mit der Unterseite des Nabenabschnitts 12 ist,lie£t im wesentlichen die gesamte kreisförmige durch den Nabenabschnitt 12 umfaßte Fläche an ihrer Unterseite der ebenen Polfläche 60 gegenüber und ist ihr magnetisch voll ausgesetzt. Der geringe Abstand zwischen diesen Oberflächen wird durch das obere Bronzelager 52 eingehalten, das um einen geringen Abstand, z.B. 0,13 mm, über die Polfläche 60 des mittleren oder ersten Kernpoles hervorragt. Diese Anordnung von großen Oberflächen und kleinen Abständen verringert den magnetischerfyiderstand auf ein Mindestmaß und vergrößert die magnetische Kopplung zwischen dem mittleren oder ersten Pol des Kernaufbaus und dem Rotor.

Der entgegengesetzte oder zweite Pol des Kernaufbaus ist an der Oberseite des äußeren Kernbauteils 42 mit Hilfe eines nach einwärts gerichteten Flansches 62 gebildet. Dieser ist ein koaxial mit dem mittleren Kernbauteil 46 angeordneter Ringflansch. Der Innenumfang 64 des Flansches 62 ist in einem beträchtlichen Abstand vom äußeren Umfang des vergrößerten oberen Endes 58 des mittleren Kernbauteils 46 gelegen, um einen Spalt großen, magnetischen Widerstands dazwischen zu erzeugen. Auch liegt dieser Flansch 62 in einem beträchtlichen Abstand von der Oberseite der Erregerwicklung 38, da ein oberer Flansch 66 der Trommel 4o aus Kunststoff dazwischenliegt, um einen Abstand großen magnetischen Widerstands herzustellen Dies hilft dabei, die entgegengesetzten Pole des Kerns durch hohen magnetischen Widerstand voneinander zu isolieren, so daß im wesentlichen der gesamte durch die Erregerwicklung erzeugte Fluß durch den Rotor geht.

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Die Polfläche des zweiten oder entgegengesetzten Pols des Kerns hat die Form einer ebenen Ringfläche 68, die die Oberseite des äußeren Kernbauteils 42 und seines nach innen gerichteten Flansches 62 darstellt und die ebene kreisförmige Polfläche 6o des mittleren Kernbauteils 46 im wesentlichen umgibt und zu ihr parallel und koaxial liegt. Diese ebene Ringfläche 68 paßt annähernd zur ringförmigen Umdrehungsfläche 28 der Unterseiten der Flügel 14 und ist von gleicher oder größerer Außenabmessung als diese sowie koaxial dieser in engem Abstand gegenüberliegend und parallel dazu angeordnet.

Eine ringförmige Anordnung von Permanentmagneten, deren Polflächen mit N und S für Nord und Süd bezeichnet sind, ist in einem einzigen dünnen Stück Material ausgebildet, das die Form eines dünnen ebenen Rings 70 hat. Dieser dünne ebene Ring 70, gelegentlich auch Magnetring 70 genannt, ist bei dem der Beschreibung zugrunde liegenden Ausführungsbeispiel aus einem billigen Material niedriger magnetischer Permeabilität, z.B. aus Piastiform BX-1013, wie es von oder für die Minnesota Mining and Manufacturing Company in Saint Paul, Minnesota, USA, in einer Dicke von etwa 0,8 mm hergestellt wird. Dieses Material enthält in einem biegsamen Bindemittel Bariumferrit.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, paßtdie Unterseite 72 des die Permanentmagnete enthaltenden Ringes 70 auf die die zweite Polfläche darstellende Ringfläche 68 des Kernaufbaus und ist auf diese aufgelegt. Der Ring 70 liegt in Reihe mit der die zweite Polfläche darstellenden Ringfläche 68 und den Flügeln 14 im Flußweg der Erregerwicklung 38. Die Oberseite "Jk des ebenen Ringes 70 aus permanentmagnetisierbarem Material liegt nächst der ringförmigen Umdrehungsfläche 28 der Unterseiten der Flügel 14 in direkter Gegenüberstellung und paralleler Anordnung zu dieser, so daß dazwischen ein Abstand von geringstmöglichem magnetischen Widerstand gebildet wird, der in dem der Beschreibung zugrunde liegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Größenordnung von 0,25 mm liegt.

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Wie am besten in den Figuren 1, 3 und 4 dargestellt ist, wird in und vom Körper des Ringes -70 eine ringförmige Anordnung von einander ähnlichen Permanentmagneten gebildet, wie sie durch die Magnetpolflächen wiedergegeben sind, die in der Zeichnung als mit N und S bezeichnete Flächen gezeigt sind. Typischerweise hat jeder der Permanentmagnete einander gegenüberliegende Polflächen auf einander gegenüberliegenden Seiten des Ringes 70,. so daß die Länge jedes Permanentmagnets die geringe Dicke des ebenen Ringes 70 ist und die Flächenabmessungen jeder Magnetpolfläche groß im Vergleich zur Magnetlänge sind. Wie die Flügel 14 des Rotors 10 haben auch die Permanentmagnete im Ring 70 Jeder ein Vorderkante J6 und eine Hinterkante 78 bezogen auf die beabsichtigte Richtung der Drehung des Rotors 10, wie sie durch den Pfeil 26 angedeutet ist, wobei diese Kanten gerade sind und auf Radien liegen, die durch die Achse 24 des Rotors 10 gehen. Die Gestalt jeder magnetischen Polfläche, insbesondere wie sie durch die Vorder- und die Hinterkante davon wiedergegeben wird, ist magnetisch scharf definiert. Bei dem der Beschreibung zugrunde liegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der nichtmagnetische Zwischenraum 80 zwischen benachbarten Magneten des Ringes 70 in entsprechender Weise gleich in Größe und Gestalt einem Permanentmagnet.

Wie am besten in Fig. 1 zu sehen ist, ist jeder Permanentmagnet in der ringförmigen Anordnung entlang der Normalen zu seinen entgegengesetzten Polflächen magnetisiert' (wie sie mit N und S auf gegenüberliegenden Seiten des Ringes 70 angedeutet sind), wobei aufeinanderfolgende Permanentmagnete in der ringförmigen Anordnung entgegengesetzte Polarität haben, so daß die Magnetpolflächen an jeder Seite des Rings 70 abwechselnd Nord- und Südpole sind. Dies wird durch Pfeile 8l und 83 in Fig. 1 veranschaulicht, die entlang der Normalen zum ebenen Ring 70 laufen, jedoch entgegengesetzt zueinander in dieser Richtung zeigen, wobei jeder Teil von Süd nach Nord zeigt, wie dies zur Angabe der Polarität magnetischer Felder üblich ist.

Die Polflächen der Permanentmagnete an der Unterseite 72 des ebenen Ringes 70, die sich in FlächenberUhrung mit der ebenen Ringfläche 68 des zweiten Pols des Kernaufbaus befinden, sind

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durch das Material hoher magnetischer Permeabilität, das den zweiten Pol des Kernaufbaus bildet, magnetisch kurzgeschlossen. Dies erhöht die magnetische Feldstärke, die an der Oberseite 74 der Permanentmagnete des ebenen Ringes 70 verfügbar ist. Es ist erwUnscht, den Ring 70 aus permanentmagnetisierbarem Material auf die die Polfläche darstellende Ringfläche 68 dann aufzulegen, wenn die Permanentmagnete im Ring 70 erzeugt werden. Die Permanentmagnete werden im Ring 70 in herkömmlicher Weise durch ihre Nachbarschaft mit nicht gezeigten Elektromagneten erzeugt, die Kernflächen der gewünschten Gestalt der endgültigen Permanentmagnete im Ring 70 haben und durch deren Wicklungen ein geeigneter Strom geschickt wird.

Wie am besten in den Figuren 3 und 4 zu sehen ist, sind die freiliegenden Magnetpoloberflächen radiale Oberflächensegmente des ebenen Ringes 70. Die Wurzeln 16, freien Enden 18, vorauslaufenden Kanten 20 und nachlaufenden Kanten 22 der Flügel 14 bestimmen im allgemeinen die Größe, Gestalt und den Abstand der Flügel 14 in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Ringes 70, die auch die Richtung ist, die parallel zu den Oberflächen der Magnetpole liegt und auch parallel zur ringförmigen Umdrehungsfläche 28 der Unterseiten der Flügel 14.

Die Flügel 14 des Rotors 10 sind relativ zu den freiliegenden Magnetpolflächen N-, S so bemessen und dem Umfang nach beabstandet, daß für den Rotor 10 aufeinanderfolgende stabile Ruhelagen bestehen, in denen Jeweils jeder Flügel 14 teilweise ein Paar von freiliegenden, benachbarten Magnetpoloberflächen entgegengesetzter Polarität überlappt und einen magnetischen Haupt-Flußweg oder eine Überbrückung dazwischen herstellt. Die überlappten Paare von benachbarten Polflächen haben alle die gleiche Polaritätsfolge in der Drehrichtung entlang der ringförmigen Anordnung, die in der in Fig. 3 dargestellten speziellen Ruhelage die Folge Süd-Nord ist. Wenn der Rotor 10 zu seiner nächstfolgenden Ruhelage fortschreitet, die durch die Lage l4c in Fig. 4 angedeutet ist, dreht sich die Polaritätsfolge um und wird zu Nord-Süd. Auf diese Weise überlappen die vorauslaufenden Kanten der Flügel 14 zunächst eine Polarität und dann

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in der nächsten Ruhelage des Rotors die dazu entgegengesetzte Polarität, während die nachlaufenden Kanten 22 der Flügel 14 die angrenzenden Magnetpolflächen überlappen, die die jeweils entgegengesetzte Polarität zu der von der vorauslaufenden Kante 20 überlappten Polarität haben.

Die Stärke der Festhaltekraft auf den Rotor 10 in dessen Ruhelage wird stark von der Breite jedes Flügels 14 im Verhältnis zur Breite und zum Umfangsabstand der magnetischen Polflächen bestimmt. Dies wird annähernd und qualitativ durch die graphische Darstellung der Fig. 6 veranschaulicht, die voneinander getrennte Nord- und Südmagnetpolflächen N, S und erste und zweite Flügel 82 und 84 von unterschiedlichen Breiten zeigt,

die sich mittig zwischen den Magnetpolflächen befinden. Es wird angenommen, daß die Magnetpolflächen festehend sind, daß die ersten und zweiten Flügel 82 bzw. 84 frei sind, sich entlang der Abszissenachse oder Wegachse des Diagramms zu bewegen und daß dies eine Kantenansicht ist, bei der der Flügel und die Polflächen symmetrisch liegen, z.B. rechtwinklig sind und parallele Kanten in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 6 haben. Die linke Kurve 86 gibt die statische Kraft wieder, die von der Nordpol-Magnetfläche ausgeht und auf Flügel 82, 84 wirkt, die sich durch eine nach links gerichtete Bewegung annähern, wobei die Kurve auf die Flügelkanten 82a und 84a der entsprechenden Flügel 82 und 84 bezogen ist und diese Kraft nach links gerichtet ist und versucht, die Flügel in Richtung auf und über die Nordpol-FIache N zu ziehen. Dementsprechend gibt die rechte Kurve 88 die statische Kraft wieder, die der Lage der rechten Kanten 82b, 84b der entsprechenden Flügel 82 und 84 zugeordnet ist und nach rechts gerichtet die Flügel in Richtung auf und über den Süd-Magnetpol zu ziehen versucht.

Betrachtet man nun den ersten Flügel 82 in Fig. 6, wenn er nach rechts im Sinne dieser Figur bewegt wird, so nähert sich seine linke Kante 82a der Stelle, an der die linke Kraftkurve 86 ihren Höchstwert hat, wodurch die nach links gerichtete Kraft auf diesen Flügel ansteigt. Dagegen wird die rechte Kante 82b an eine Stelle gelangen, die einem nie-

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drigeren Wert an der rechten Kraftkurve 88 entspricht und dadurch die nach rechts gerichtete Kraft auf den Flügel verringert. Das Ergebnis ist, daß die statischen Haltekräfte auf den Flügel jeder Bewegung des Flügels nach der rechten Seite entgegengerichtet sind. Umgekehrt kann durch die gleiche Überlegung beim entgegengesetzten Bewegungssinn festgestellt werden, daß die statischen Kräfte ebenso jeder Bewegung nach links entgegenwirken. Aus diesem Grunde ist der Flügel 82 der ersten Ausführungsform von einer Breite, die eine stabile Lage sichert, bei der jeder Kraft auf den in der zentrierten Lage befindlichen Flügel durch statische Kräfte von Seiten der Nord- und Südmagnetpole entgegengewirkt wird.

Andererseits findet der Flügel 84 der zweiten Ausführungsform, die viel schmaler ist, keine stabile Ruhelage zwischen den Magnetpolen. Wird z.B. eine kleine Bewegung des Flügels nach rechts vorgenommen, so wird die nach rechts auf den Flügel wirkende Kraft sich verstärken und die nach links wirkende Kraft sich verringern, weshalb der Flügel seine Bewegung nach rechts fortsetzen wird, bis er seine Gleichgewichtslage über dem Südpol findet. Umgekehrt trifft dasselbe zu, wenn der Flügel zunächst auf Grund einer äußeren Kraft in die linke Richtung bewegt wird, da dann die statischen Kräfte von den benachbarten Magnetpoloberflächen entgegengesetzter Polarität dazu beitragen,die nach links gerichtete Bewegung aufrecht zu erhalten, bis der Flügel 84 eine Gleichgewichtslage über dem Nord-Magnetpol findet.

Die Haltekräfte oder statischen Kräfte seitens der Permanentmagnete, die versuchen, den Rotor 10 in einer Ruhelage zu halten, sind selbstverständlich notwendig, um eine Verdrehung des Rotors 10 bei Anwendung äußerer Kräfte zu verhindern. Die sich ergebende Gesamtkraft auf einen symmetrischen Rotorflügel der "stabilen" Ausbildung, d.h. z.B. für einen rechteckigen Flügel mit Kanten parallel zueinander und parallel zu den Kanten der geeignet überlappten benachbarten Magnete entgegengesetzter Polarität ist in Fig. 7 als Kurve I der Haltekraft wiedergegeben. Diese Kurve der Haltekraft gibt die sich ergebende Kraft auf den Flügel an, die allein auf die Wirkung der Permanentmag-

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netfelder zurückzuführen ist.

In dieser graphischen Darstellung der Fig. 7 bezeichnet die positive Kraft eine Kraft in Richtung zur rechten Seite, eine negative Kraft eine Kraft in Richtung zur linken Seite und die in ihrem qualitativen Verlauf wiedergegebenen Kraftkurven zeigen die statische Kraftwirkung auf einen Flügel an, wenn dieser körperlich an die entsprechende Stelle bewegt wird. Aufeinanderfolgende stabile oder Ruhelagen der Flügel sind bei A und B angegeben und entsprechen der Lage der Mitte eines symmetrischen Flügels. Wenn keine äußeren Magnetfelder angelegt werden, liegt der Flügel stabil in den Positionen A und B, da er bei einer Verlagerung nach links einer positiven resultierenden Kraft ausgesetzt ist, die ihn zurück nach rechts zu drücken versucht. Entsprechendes gilt umgekehrt, wenn der Flügel nach rechts bewegt wird. Dies ist natürlich nur richtig, wenn der Flügel nicht so weit bewegt wird, daß er über einem Magnet liegt, was durch die Positionen C oder D angedeutet ist, die annähernd über der Mitte der Magnetpole liegen. An diesen Stellen befindet sich der Flügel in einer unstabilen Lage und könnte von hier aus in irgendeiner der beiden Richtungen sich weiterbewegen.

Wenn ein Nordmagnetfeld der Reihe von Permanentmagneten überlagert wird, d.h. ein Feld, das die Felder der Nordpole verstärkt und denen der Südpole entgegengerichtet ist, ergibt sich eine resultierende Kraft auf einen symmetrischen Flügel, wie sie durch die gestrichelte Kurve II angedeutet ist. Ein Flügel in einer stabilen Ruhelage A wird bei Anlegung eines solchen Nordmagnetfeldes eine positive Kraft, d.h. eine nach rechts gerichtete Kraft in Fig. 7 erfahren, die ihn nach rechts zu bewegen versucht. So lange wie das Nordmagnetfeld angelegt ist, wird der Flügel weiterhin einer nach rechts gerichteten Kraft unterliegen, bis er den Punkt C in Fig. 7 erreicht, in dem er angenähert über dem Nordpolmagnet N zentriert ist und den halben Weg zwischen den stabilen Ruhelagen A und B zurückgelegt hat. In dieser Lage C befindet sich der Flügel in stabiler Position so lange wie das Nordmagnetfeld vorliegt.

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Wird dagegen das anliegende Nordmagnetfeld beseitigt, kehrt sich die Kraft auf den Flügel wieder in die Haltekraft I um, die in durchgehender Linie gezeichnet ist, wodurch sich der Flügel in einerunstabilen Lage an diesem Punkt C befindet, von dem aus er in irgendeiner der beiden Richtungen sich bewegen könnte, nämlich zurück zum Punkt A oder nach vorne zum Punkt B, um dort wieder eine stabile Ruhelage zu finden. Darüber hinaus wäre die Lage des Flügels ebenso in der Position C der Fig. 7 instabil, wenn das angelegte Nordmagnetfeld nicht nur beseitigt, sondern in ein Südmagnetfeld umgekehrt würde, wie man aus der Betrachtung der gepunkteten Kurve III in Fig. 7 ersehen kann, die die resultierende Kraft auf einen symmetrischen Flügel wiedergibt, die sich bei einem angelegten Südmagnetfeld ergibt. Aus diesem Grunde wird ein symmetrisch ausgebildeter Flügel nicht einer Bewegung fortwährend in der gleichen Richtung unterliegen und kann selbstverständlich auch keine Last in eine gegebene Richtung befördern. Außerdem kann er seine Bewegung in irgendeiner der beiden Richtungen beginnen, was von der Polarität des angelegten Magnetfeldes abhängt.

Fig. 8 ist eine der Fig. 7 ähnliche Darstellung, da sie angenähert und qualitativ eine Haltekraftkurve I zeigt, eine auf Grund eines angelegten Nordmagnetfeldes sich ergebende resultierende Kraftkurve II und eine resultierende Kraftkurve III beim Anlegen eines entgegengesetzten oder Südmagnetfelds, wobei aufeinanderfolgende stabile Ruhelagen A und B ungefähr bei der Lage der Mitte eines stabil arbeitenden Flügels anzunehmen sind, dessen Kanten die benachbarten magnetischen Polflächen bei einer Ruhelage geeignet überlappen, und wobei die unstabilen Positionen C und D den unstabilen Positionen C und D der Fig. entsprechen, in denen ungefähr die Mitte des Flügels über der Mitte der Magnetpolfläche liegt. Die Kurven gemäß Fig. 8 geben die Verhältnisse nur qualitativ wieder. Doch zeigen sie, daß eine unterschiedliche Kurvenform im Vergleich zu den Kurven der Fig. 7 vorliegt, weil die Flächen der Magnetpole und der Flügel so gewählt sind, daß sie eine abweichende Form haben, d.h. daß sie nicht symmetrisch sind.

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Wie in Fig. 8 zu sehen ist, ist die Haltekurve I abweichend von der in Fig. 7, hat jedoch etwa die gleiche allgemeine Wirkung der Erzeugung von stabilen Ruhelagen A und B und unstabilen Ruhelagen C und D, wenn keine äußeren Magnetfelder anliegen. Gemäß Fig. 8 indessen wird bei Anlegung eines Nordmagnetfelds, d.h. eines Felds_; das die Nordpolfelder verstärkt und die Südpolfelder abschwächt, ein nicht symmetrischer Flügel in einer stabilen Ruhelage A eine resultierende positive Kraft erfahren, wie sie durch die gestrichelte Kurve II wiedergegeben ist, wodurch er bestrebt ist, sich nach rechts zu bewegen. Solange dieses angelegte Feld besteht, wird der Flügel eine im Ergebnis positive Kraft nach rechts erfahren, bis er den Kreuzungspunkt C' erreicht und außerdem, bei Abwesenheit einer entgegenwirkenden Last, bis die Nord- Kurve II bei C^1f auf 0 heruntergeht. Es ist zu ersehen, daß die vom Punkt A zum Punkt C¹ oder zum Punkt C^IT führende Bewegung in jedem Fall beträchtlich größer ist als der halbe Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Ruhelagen A und B. Dies bedeutet, daß sie auch größer als der Abstand zwischen den Positionen A und C ist. Wird das angelegte Nordmagnetfeld wieder beseitigt, wenn der Flügel sich an der Stelle C¹ oder C'' befindet, bewirkt die Kurve I der statischen Haltekraft eine im Ergebnis positive Kraft auf den Flügel, die in weiterhin nach rechts in seine nächste stabile Ruhelage B treibt. Dasselbe gilt überigens auch, wenn das angelegte Magnetfeld nicht beseitigt, sondern in seiner Polarität umgekehrt wird, wie durch die gepunktete Kurve III angedeutet ist. Deshalb gibt der Ordinatenwert am Punkt C¹, dem Kreuzungspunkt der drei Kurven in Fig. 8, in jedem Fall eine nach rechts gerichtete Kraft, die den Flügel in die Lage versetzt, eine Last zu bewegen_ywas ein Beitrag zum Laufdrehmoment im Schrittmotor ist.

Außerdem ist in Fig. 8 gezeigt, daß der Flügel stets nur in der gewünschten Richtung fortschreitet, nämlich nach rechts, unabhängig davon, welche Polarität das angelegte magnetische Feld hat. Zum Beispiel erfährt ein in der Ruhelage A zentrierter

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Flügel bei Anwendung eines Südmagnetfeldes, wie durch die gepunktete Kurve III angedeutet ist, im Ergebnis eine negative oder nach links gerichtete Kraft, die ihn nach links zu treiben versucht, bis er den Punkt E erreicht, wo diese Kurve III durch 0 geht. Eine weitere Bewegung nach links verursacht eine resultierende Kraft, die selbst unter dem Einfluß des angelegten Südmagnetfeldes positiv und nach rechts gerichtet wird. Aus der Figur ist zu entnehmen, daß der Flügel bei Umkehrung oder Beseitigung des angelegten Südmagnetfelds in jedem Augenblick während dieser kleinen nach links gerichteten Bewegung nach rechts gedrückt würde, da eine positive Kraft vorliegt, wie sie entweder aufgrund der Kurve II, der Nordpolaritätskurve, oder der Haltekraftkurve I gegeben ist. Die graphischen Darstellungen der Fig. 6, 7 und 8 sind nur qualitativ, angenähert und zur Veranschaulichung der Zusammenhänge gedacht, stellen auch nur Wiedergaben der statischen Kräfte im Gegensatz zu dynamischen Kräften dar, die ebenfalls auf einen Flügel wirken. Indessen dienen sie recht gut dazu, sowohl den Einfluß der Größe (insbesondere der Breite) und der Umfangsabstände der Flügel im Verhältnis zu den Magnetpolen und die Wichtigkeit der Faktoren anschaulich zu machen, die man durch geeignete Wahl der Flügel und Magnetpole in der Weise einführen kann, daß diesen geeignete unterschiedliche Formen, gemessen parallel zur Ebene der relativen Bewegung gegeben werden,

Wie bei jedem Schrittmotor bringt die Beeinflussung einer charakteristischen Größe die Beeinflussung aller anderen mit.'sich. Deshalb ist für praktische Zwecke ein Kompromiß einzugehen.

Beim Vergleich der Fig. 7 und 8 z.B., bei denen eine symmetrische mit einer unsymmetrischen Form^beZiehung zwischen Flügeln und Magnetpolen verglichen wird, hat die dargestellte unsymmetrische Ausbildung dieses Beispiels die Neigung, das Startdrehmoment aus irgendeiner Ruhelage heraus zu verringern, wie durch die positiven Ordinatenwerte der Nord- und Südmagnetfeldkraftkurven II und III an den stabilen Ruhelagen A und B wiedergegeben ist, während zur selben Zeit der Kreuzungspunkt dieser Kurven

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22,

(C in Pig. 7, C¹ in Pig. 8) angehoben wird, dieser Kreuzungspunkt aber ebenso zur rechten Seite verschoben wird, d.h. in der erwünschten Richtung der Bewegung. Die letztgenannten zwei Einflüsse, wie sie sich aufgrund der unsymmetrischen Flügelform ergeben, sind verantwortlich für die Eigenschaften des Motors in Bezug auf die Sicherheit der Einhaltung der gleichbleibenden Bewegungsrichtung wie auch dafür, daß der Motor eine nennenswerte Last befördern kann.

Es ist zu bemerken, daß die Punkte, an denen die Haltekraftkurve die Nullachse in den Fig. 7 und 8 schneidet, nahezu die gleichen sind, unabhängig von der Gestalt der Flügel, wenn nur eine geeignete Flügelbreite, die zu stabiler Betriebsweise befähigt, gewählt wird, obwohl die Haltekraftkurve im übrigen bedeutend ihre Größe verändert, grundsätzlich in Richtung auf negative Werte. Darüberhinaus ergibt sich auch noch eine nicht in den Figuren dargestellte Wirkung, die darin besteht, daß beim Anwachsen des angelegten magnetischen Felds gleich welcher Polarität, d.h. bei zunehmendem Wicklungsstrom, die Höhen und Tiefen der Spitzen der Kurven II und III (entsprechend den angelegten Nord- bzw. Südmagnetfeldern) beeinflußt werden. Dagegen beeinflußt dies nicht in erheblichen Maße die Haltekraftkurve I und auch nicht im wesentlichen die Lage der Kreuzungspunkte, an denen die Kurven II und III (entsprechend angelegten Magnetfeldern) die Haltekraftkurve schneiden.

In Fig. 4 ist ein einzelner Schritt eines Schrittmotors dargestellt, wobei ein Flügel bei einer Ruhelage 14a, die gestrichelt dargestellt ist, beginnt, über einen Drehwinkel von angenähert 15 Grad in eine Lage 14b, die strichpunktiert dargestellt ist, gelangt, und zwar als Ergebnis der Anlegung eines Nordmagnetfeldes, welches das Feld des Magneten 9o mit freiliegendem Nordpol verstärkt, dessen Polfläche von der vorauslaufenden Kante 2o des Flügels in der Lage l4a überlappt wird, und welches angelegte Nordmagnetfeld dem Magnetfeld eines

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Magneten 92 entgegengesetzt ist, der von der nachlaufenden Kante 22 des Flügels in dessen Lage l4a überlappt wird. Wenn das angelegte Nordmagnetfeld wieder beseitigt wird, bewegt sich der Flügel aus der strichpunktiert angedeuteten Lage 14b in die Lage l4c, die in ausgezogenen Linien dargestellt ist, über einen Winkel von etwa j5 Grad oder etwas mehr.

Wenn in der mit ausgezogenen Linien dargestellten Lage des Flügels gemäß l4c ein den hinten liegenden Nordpol 9o verstärkendes und den vorausliegenden Südpol 94 schwächendes Nordmagnetfeld angelegt würde, wobei der verstärkte Nordpol und der geschwächte Südpol durch den Flügel in dieser Lage überlappt sind,würde der Flügel entgegengesetzt zu der durch den Pfeil 26 angegebenen gewünschten Richtung gedreht werden, und zwar etwa drei Grad zurück, um sich der strichpunktiert gezeichneten Lage 14b anzunähern, jedoch nicht weiter. Wenn dagegen das angelegte Nordmagnetfeld wieder beseitigt würde, würde er sich kurz in die mit ausgezogenen Linien dargestellte Lage 14c bewegen. Andererseits würde bei Lage des Flügels in der Position l4c ein angelegtes Südmagnetfeld den Flügel veranlassen, seinen Weg in der gewünschten Richtung fortzusetzen, wie dies durch den Pfeil 26 angedeutet ist, bis er die nächste Ruhelage erreicht.

In dieser Ruhelage, wie sie durch die vollausgezeichnete Linie l4c wiedergegeben ist, überlappt der Flügel mit seiner vorauslaufenden Kante 2o die Vorderkante 76 des Südpols des Magnets 94, wobei die Überlappung durch eine stark schraffierte Fläche 96 angedeutet ist. In der gleichen Lage l4c überlappt die nachlaufende Kante 22 des Flügels die Hinterkante 78 des benachbarten Nordpolmagnets 90 in einem Flächenbereich 98, der ebenfalls stark schraffiert dargestellt ist. Die Flächen der Überlappung 96 und 98 sind ungefähr gleich groß und im allgemeinen übersteigt der Mittelwert der Breite des Flügels, zwischen Wurzel und freiem Ende, bedeutend den nicht magnetischen Zwischenraum 80 zwischen den Polflächen

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der Magnete 9o und 94, wenn der Flügel ungefähr zum nicht magnetischen Zwischenraum 80 zwischen den Magneten zentriert ist, so daß er wegen seiner engen Annäherung und seinr hohen magnetischen Permeabilität in dieser seiner Ruhelage einen größeren Nebenschluß oder eine Brücke für das vom Nordpolmagnet 9o zum Südpolmagnet 94 reichende magnetische Feld darstellt.

Die Darstellung der Fig. 4 zeigt auch ganz deutlich anhand des in der Position l4c dargestellten beispielhaften Flügels den grundlegenden Unterschied in der Form zwischen denjeinander ähnlichen Flügeln und denjeinander ähnlichen magnetischen Polfächen bei dem der Beschreibung zugrunde legenden Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß Fig. 4 erstreckt sich die nachlaufende Kante 22 des Flügels ungefähr parallel zur Hinterkante 78 des überlappten Nordpolmagneten 90· Im einzelnen liegt ungefähr die Hälfte 22a der nachlaufenden Kante des Flügels, die sich von der Wurzel 16 zum freien Ende l8 des Flügels erstreckt, parallel zu der gerade verlaufenden radialen Hinterkante 78 des Nordpolmagneten 90, während die andere Hälfte 22b der nachlaufenden Kante 22 des Flügels von der Parallelität abweicht, indem sie sich unter einem kleinen Winkel in die beabsichtigte Drehrichtung des Flügels erstreckt. Bringt man dies in Beziehung zu den Kurven II und III der Fig. 8, die den Kräften bei den angelegten Magnetfeldern entsprechen, so ist die nach vorn gerichtete äußere Stelle 22b der nachlaufenden Kante 22 für die Anhebung des Kurvenabschnitts verantwortlich, der sonst eine sehr viel stärkere Einsenkung loo, Io2 in diesen Kurven bilden würde.

Die vorauslaufende Kante 2o des Flügels in dessen Lage 14c ist im allgemeinen unter einem beträchtlichen Nachlaufwinkel im Verhältnis zur Radialrichtung, wie sie durch die Vorderkante des Südpolmagneten 94 gegeben ist, geneigt, wobei der Ausdruck Nachlaufwinkel andeuten soll, daß die Kante im Winkel nach hinten

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im Verhältnis zur beabsichtigten Richtung der Drehung 26 zeigt. Etwa zwei Drittel 2oa dieser vorauslaufenden Kante 2o des Flügels ist verhältnismäßig gerade, jedoch wie beschrieben geneigt, während der verbleibende äußere, etwa ein Drittel 2ob der vorauslaufenden Kante 2o des Flügels ausmachende Rest, der auf das freie Ende 18 des Flügels zuläuft, eine bogenförmige Ausnehmung im Flügel nahe dessen freiem Ende bildet, wobei dieser Abschnitt des Flügels eine noch stärkere Neigung in der Nachlaufrichtung in Bezug auf die erwünshte Drehrichtung erhält.

Grundsätzlich ist diese Gestalt der vorauslaufenden Kante 2o des Flügels unter Bezugnahme auf die Kurven der Fig. 8 dafür verantwortlich, daß die positiven Amplituden der Kraftkurven verringert und die negativen Amplituden vergrößert werden, wie auch dafür, daß sich die Kreuzungspunkte der Kurven nach rechts und nach oben verschieben, wie durch C¹ in Fig. 8 angedeutet ist, was wiederum für die Richtungs- und Lasteigenschaften des Motors von Bedeutung ist.

Gemäß Fig. 5 wird ein Schrittmotor von etwa 35 mm Qesamtdurchmesser, der in Übereinstimmung mit vorliegender Beschreibung gebaut ist und einen tatsächlich im Labor für Testzwecke gebauten Prototyp darstellt, typischerweise durch einen Impulsgenerator Io4 betrieben, der aufeinanderfolgende Impulse abwechselnd positiver und negativer Polarität in Abständen von etwa 1 Sekunde aussendet, wobei in Fig. 5 diese Impulse abwechselnd positiver und negativer Polarität mit Io6, Io8 und Ho bezeichnet sind. Durch sie wird der Motor veranlaßt, von einer Ruhelage zur nächsten weiter zu schreiten. Der Impulsgenerator Io4 ist elektrisch an die Leitungen 112 und Il4 der Erregerwicklung J>8 angeschlossen, die von außerhalb des Motors durch einen Schlitz 116 zugänglich sind, der sich an der Unterseite des äußeren Kernbauteils 42 befindet. Ansprechend auf abwechselnd positive und negative elektrische Impulse aus dem Impulsgenerator erzeugt die Erregerwicklung jj8 magnetische Felder von entsprechend

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entgegengesetzter Polarität, die den Schrittmotor Schritt für Schritt in der beabsichtigten Drehrichtung antreiben.

Als typisches Beispiel kann angegeben werden, daß die Impulse eine Höhe von 5 Volt haben und etwa 62,5 ms dauern, was einen mittleren Antriebsstrom für den Motor von etwa 5oo μΑ bei einem Leistungsverbrauch von etwa 0,0025 W zur Folge hat. Ein solcher Motor erbringt etwa 25o nNm statisches Startdrehmoment, 125 nNm statisches Haltedrehmoment und etwa 72 nNm dynamisches Laufmoment, Und dies ist typisch für einen nur roh unter Benutzung äußerst billigen Materials zusammengebauten Testprototyp . Es ist offensichtlich, daß eine Vervollkommnung im bedeutenden Ausmaß zu erwarten ist, indem ohne besondere Anstrengung und Kosten eine Routineanwendung herkömmlicher Technologie stattfindet.

Einer der wichtigsten Aspekte vorliegender Erfindung befasst sich mit der physikalischen Bemessung der Teile kombiniert in mechanischer und in magnetischer Hinsicht, was, selbst für einen kleinen Motor, eine Bauweise von beträchtlicher Größe der sich überlappenden hoch aktiven magnetischen Oberflächen ergibt, die in einfacher Weise und in engem Abstand schichtweise aufgebaut sind, wodurch fast der gesamte durch die Erregerwicklung erzeugte Fluß in wirksamer Weise zum Weiterschalten des Motors benutzt wird. Um nur auf einen Teil dieser konstruktionsbedingten Wirksamkeit hinzuweisen, sei erwähnt, daß die Wurzeln 16 der Flügel 14 im Rotor Io relativ zum Innenumfang des ebenen Permanent- Magnetrings ¹Jo zurückgenommen sind, um die Flügel 14 stärker aktiv zu machen. Durch die erwähnte Bauweise kann der Nabenabschnitt 12 des Rotors Io nicht ohne weiteres einen teilweisen Nebenschluß zwischen benachbarten Magnetpolflächen entgegengesetzter Polarität schaffen. Aufgrund dieser zusammenwirkenden mechanichen und magnetischen Eigenschaften gibt es eine größere Freiheit als bisher bei herkömmlichen Schrittmotorkonstruktionen, einen Kompromiß zwischen Halte-, Start- und Laufdrehmomenten bei eina? gegebenen Eingangsleistung und gegebenen Kostenkriterien zu erzielen.

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Zum Beispiel ist es bei der beschriebenen und gezeigten Anordnung eine verhältnismäßig einfache Sache, die Flügel 14 des Rotors und die Magnetpolflächen des Magnetrings 7o mit ungleicher Form zu schaffen, die so gewählt ist, über im wesentlichen mehr als den halben Drehwinkel des Rotors zwischen aufeinanderfolgenden stabilen Ruhelagen eine Drehung aufgrund der Anwendung eines elektrischen Stroms auf die Erregerwicklung mit einer Polarität zu erreichen, die das Feld derjenigen Magnete verstärkt, die durch die vorauslaufenden Kanten der Flügel überlappt werden, dabei aber auch einer solchen Drehung in der entgegengesetzten Richtung entgegenzuwirken, für den Fall, daß der Erregerwicklung ein elektrischer Strom derjenigen Polarität zugeführt wird, die die Felder der von den nachlaufenden Kanten der Flügel in der Ruhelage überlappten Magnete verstärkt.

Auch ist festzustellen, daß der permanent magnetische Ring 7o eben wegen seiner Permanentmagnete sich selbst an der die zweite Polfläche bildenden ebenen Ringfläche 68 des äußeren Kernbauteils Ki hält und keine zusätzliche Haiteeinrichtung erfordert. Ferner halten die Felder der Permanentmagnete den Rotor Io auch axial in der Lage, wobei die Oberseite des oberen Bronzelagers 52 den entsprechenden Gegendruck ausübt. Es ist einfach, die charakteristischen Eigenschaften des Motors zu ändern, indem in einfacher Weise der Rotor Io durch freies Abziehen vom Motor abgenommen wird und durch einen anders ausgebildeten Rotor ersetzt wird, der Flügel unterschiedlicher Gestalt und/oder Anzahl aufweist, um unterschiedliche geforderte Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung zu erzielen.

Natürlich ist es die "relative" Form und der umfangsmäßige Abstand der Magnete und Flügel des Rotors, die ohne weiteres beeinflußbar sind, um die charakteristischen Eigenschaften des Motors zu verändern, in Gegensatz etwa zu der nur erfolgenden Veränderung eines dieser Teile. Indessen ergibt sich aufgrund der baulichen und magnetischen Maßnahmen bei dem der Beschreibung zugrundeliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung eine aus-

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reichende Breite des Spielraums zur Anpassung der Eigenschaften, so daß diese ohne weiteres durch die einfache Maßnahme beeinflußt werden können, allein die Flügel des Rotors zu verändern.

Der hier beschriebene beispielhafte Schrittmotor soll, nur als Anschauungsbeispiel für die Erfindung und nicht in irgendeiner Weise als Einschränkung für diese angesehen werden. Zum Beispiel könnte die ebene in den Zeichnungen dargestelle Bauweise ebenso durch eine zylindrische ersetzt werden, bei der die Flügel des Rotors nach unten gebogen und die durch die Unterseiten der Flügel gebildete Umdrehungsfläche durch eine zylindrische Ringfläche gebildet würde im Gegensatz zu der ebenen Ringfläche, wie sie vorhin beschrieben wurde.

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Claims

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28. September I976 Se/M

PATENTANSPRUCH

Schrittmotor zur Verdrehung eines Rotors in einer gleichbleibenden Richtung in Schritten zwischen stabilen Ruhelagen in Abhängigkeit von aufeinanderfolgenden elektrischen Impulsen entgegengesetzter Polarität, wobei der Rotor des Motors aus Material hoher Permeabilität besteht sowie einen zentralen Nabenabschnitt, eine Mehrzahl ringförmig angeordneter, untereinander gleicher Flügel in gegenseitigem Abstand um den Nabenabschnitt und von diesem abstehend aufweist und um eine Mittenachse(24)drehbar ist, wodurch bei seiner Drehung die Unterseiten der Flügel eine ringförmige Umdrehungs-r fläche um die Achse bilden, die Flügel des Rotors Wurzeln und freie Enden wie auch vorauslaufende und nachlaufende Kanten, bezogen auf die Drehrichtung, haben,die die Größe, Gestalt und der Abstand der Flügel parallel zur Drehfläche bestimmen, wobei ferner eine ringförmige Anordnung von einander ähnlichen Permanentmagneten koaxial zum Rotor angeordnet ist, die jeder entgegengesetzte, zueinander parallele Polflächen an jeweils gegenüberliegenden Seiten der ringförmigen Anordnung haben, jeder Magnet in der Richtung der Normalen zu seiner Polfläche magnetisiert ist, in der Ringanordnung aufeinanderfolgende Magnete entgegengesetzte Polarität haben, eine Erregerwicklung

zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in Abhängigkeit von der Zufuhr elektrischer Impulse und ein Kernaufbau von hoher

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magnetischer Permeabilität vorgesehen sind, wovon letzterer durch die Mitte der Erregerwicklung geht und einen ersten und einen zweiten Pol aufweist, die im Abstand voneinander liegen und entgegengesetzte Polarität haben und der Kernaufbau um die Achse angeordnet ist um den Pluß der Erregerwicklung zwischen den Polen zu sammeln, gekennze i chnet durch die Kombination folgender Merkmale

daß die erste Polfläche (60)des Kernaufbaus eine Oberfläche hat, die zum Nabenabsöhnitt (12)des Rotors (Io)gegenüber liegend_> parallel und in engem Abstand abgeordnet ist, so daß sich dazwischen ein Spalt von geringst möglichem magnetischem Widerstand bildet,

daß die zweite. Polfläche(68)des Kernaufbaus eine Oberfläche aufweist, die zur ringförmigen Umdrehungsfläche(28)der Flügel(I4)des Rotors gegenüberliegend, parallel und in engem Abstand angeordnet ist,

daß der Ring(70)aus einander ähnlichen Permanentmagneten, auf die Polfläche(68)des zweiten Pols des Kernaufbaus aufgelegt, in Reiheneinschaltung in den Flußweg der Erregerwicklung zwischen die PoIflache (68)des zweiten Pols und die Flügel(l4)des Rotors (lo)eingefügt ist, wobei eine Seite (72)mit Magnetpolen in Berührung mit der Polfläche(68)des zweiten Pols des Kernaufbaus steht und die entgegengesetzte Seite(74)mit den Magnetpolen frei liegt und in enger Gegenüberstellung und paralleler Lage zur ringförmigen Umdrehungsfläche(28)angeordnet ist, so daß ein Spalt von geringstmöglichen magnetischem Widerstand zwischen den freiliegenden Magnetpolflächen und den Oberflächen der Flügel gebildet ist,

daß die Mehrzahl der Flügel (14) des Rotors(lo) der Größe und der Umfangsanordnung nach so relativ zu den freiliegenden Magnetpolflächen angeordnet sind, daß sie aufeinanderfolgende stabile

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Ruhelagen l4a, l4c für den Rotor(lo) schaffen, in denen jeder Flügel (14) teilweise ein anderes Paar freiliegender, benachbarter Magnetpolflächen überlappt und einen hauptsächlichen magnetischen Flußweg dazwischen herstellt, wobei alle überlappten Paare benachbarter Polflächen dieselbe Polfolge in der Richtung der Drehung l£6)um den · Ring (7o)herum haben, welche Polfolge sich bei jeder folgenden Ruhelage umkehrt,

und daß die Flügel (14) des Rotors (lo) und die Magnetpolflächen Hß von ungleicher Gestalt sind, aufgrund deren in wesentlichen über mehr als die halbe Winkeldrehung des Rotors zwischen aufeinanderfolgenden stabilen Ruhelagen 14a, 14c in Abhängigkeit von einem elektrischen Strom in der Erregerwicklung von einer die von den vorauslaufenden Kanten(2o)der Flügel( 14 ) überlappten Magnete verstärkenden Polarität eine Drehung verursacht und einer Drehung in der entgegengesetzten Richtung bei Anlegung eines elektrischen Stroms an die Erregerwicklung von solcher Polarität entgegengewirkt wird, die das Feld der Magnete verstärkt, die durch die nachlaufende Kanten (22)der Flügel (14)überlappt werden.

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