DE2706651A1

DE2706651A1 - Einphasenschrittmotor

Info

Publication number: DE2706651A1
Application number: DE19772706651
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Schwab; Roland Sudler
Original assignee: Quarz Zeit AG
Current assignee: Quarz Zeit AG
Priority date: 1977-02-17
Filing date: 1977-02-17
Publication date: 1978-08-24
Also published as: US4206376A; FR2381410A1; FR2381410B3; JPS53103110A

Description

Quarz-Zeit AG 6DD0 Frankfurt/Main GräfstraBe 103 Einphasenschrittmotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Einphasenschrittmotor, insbesondere für Uhren, mit einem mehrere Polzähne aufweisenden Rotor und einem Stator, der'aus zwei über ein die Erregerwicklung tragendes Brückenteil miteinander verbundenen Statorteilen besteht, von denen jeder an seinem freien Ende in eine im Vergleich zur halben Rotorpolzahl gleiche oder kleinere Anzahl von gegen die Rotorstirnseiten gerichteten Statorpolzähnen übergeht.

Es sind bereits Einphasenschrittmotore dieser Gattung bekannt, bei denen auf den beiden Statorteilen, die aus einem hochpermeablen Werkstoff bestehen, jeweils Palstücke aus reinem Eisen angeordnet sind. Die Polstücke besitzen in Umfangsrichtung unterschiedliche Höhe, wodurch Hauptpole und Hilfspole gebildet werden. Der Rotor besteht aus einer Scheibe aus einer Platin-Kobalt-Legierung mit einer Anzahl von Zähnen, die jeweils in axialer Richtung magnetisiert sind. Die gezähnte Rotorscheibe läuft zwischen den Polstücken um, die von den Statorteilen gegen die Stirnflächen der Rotorscheibe ragen. Derartige Einphasenschrittmotore haben den Vorteil, daß sie aufgrund des vergleichsweise kleinen Luftspaltes zwischen den einander axial gegenüberliegenden Polen einen sehr geringen Energieverbrauch und einen hohen Wirkungsgrad bei kleinem Bauvolumen besitzen.

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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Einphasenschrittmotore im Hinblick auf ihren Energieverbrauch, ihren Wirkungsgrad und'ihr Bauvolumen weiter zu verbessern und ihre Herstellung zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beide Statorteile zumindest im Bereich der Statorpolzahne in einer ersten Ebene liegen und in einer zweiten, dazu parallelen Ebene der Rotor umläuft, dessen Palzähne jeweils aus einem Hauptpol und einem an diesen angeformten, sich in Drehrichtung erstreckenden Hilfspol bestehen, und zwischen den Statorpalzähnen ein dauermagnetischer Kreis vorgesehen ist, durch den die Ruhelage des Rotors bei erregungslosem Stator bestimmt ist.

Durch diese Maßnahme läßt sich der Luftspalt zwischen den einander über die Rotorpolzahne gegenüberliegenden Statorpole gegenüber den bekannten Einphasenschrittmotoren wesentlich vermindern, wodurch sich der Wirkungsgrad steigern und der Energieverbrauch senken läßt. Darüber hinaus kann die Bauhöhe des Motors auf ein SuBerst geringes Maß reduziert werden. Da für den Rotor kein dauermagnetisches Material benötigt wird, dieser vielmehr aus einem ueichmagnetischen Material durch Ausstanzen aus einem Blech hergestellt werden kann, entfallt eine komplizierte axiale Magnetisierung des Rotors, wie sie bei den bekannten Motoren erforderlich ist, völlig. Dies und die mögliche Verwendung eines stanzfähigen Materials für den Rotor vereinfachen und verbilligen die Herstellung des Motors beträchtlich. Ein besonderer Worteil der Erfindung besteht darin, daß der Rotor wesentlich dünner ausgeführt werden kann als bei den bekannten Motoren, was ein geringeres Trägheitsmoment des Rotors und damit eine Verringerung des Stromverbrauchs zur Folge hat. Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsge-

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mäßen Einphasenschrittmators besteht darin, daß seine Drehrichtung lediglich durch umgekehrtes Einsetzen des Rotors in seine Lager geändert werden kann. Durch die unipolare Ansteuerung des Motors laßt sich eine weitere Verringerung des Stromverbrauchs erzielen, ganz abgesehen davon, daß dadurch auf einen Verpolschutz verzichtet werden kann und sich Vereinfachungen im Steuerkreis des Motors ergeben. Schließlich kann, und dies ist ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Motors, das Haltemoment allein und unabhängig von anderen Parametern des Motors durch Verandern der Feldstärke des dauermagnetischen Kreises geändert werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Statorpolzähne kreisringsektorförmig ausgebildet und weist der Rotor rechteckförmige Hauptpole auf, von denen jeder an einer radialen Begrenzungslinie in einen dreieckförmigen Hilfspol übergeht. Mit einem solchen Motoraufbau läßt sich, wie sich gezeigt hat, ein besonders gunstiger Wirkungsgrad und Energieverbrauch bei kleiner Bauhöhe erzielen. Eine weitere Verbesserung dieser liierte kann dadurch erreicht werden, daß die Schmalseite jedes rechteckförmigen Hauptpols ungefähr gleich der Breite eines Statorpolzahns im Bereich des Heuptpolflusses ist.

Eine weitergehende Erhöhung des Wirkungsgrades kann dadurch erreicht werden, daß die Statorteile aus einem weichmagnetischen Material geringer Koerzitivkraft bestehen. Mit den unter dem Handelsnamen Hyperm bekannten Materialien Hyperm 766, Hyperm BOO, Hyperm 900 und Hyperm Max. konnten günstige Ergebnisse erzielt werden. Diese Materialien sind kalt verformbar, so daß die Statorteile mit den Haupt- und Hilfspolen ausgestanzt werden können.

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Der dauermagnetische Kreis besteht gemäB einer Ausführungsform der Erfindung aus 2n (n = 1, 2, 3 ... m) Dauermagneten, von denen η mit ihrem Nordpol und die anderen mit ihrem Südpol dem Rotor zugewandt sind. Es hat sich gezeigt, daß im allgemeinen zuiei Dauermagnete zum Aufbau des magnetischen Kreises genügen. Eine noch hinsichtlich ihrer Herstellungskosten günstigere AusführungsfDrm besteht darin, daß der dauermagnetische Kreis aus mindestens einem Dauermagneten und einem auf dessen dem Rotor abgewandten Seite angeordneten RückschluBblech besteht, dessen freies Ende um mindestens den Winkel zweier benachbarter Statorpole gegenüber dem Dauermagnet versetzt ist. Zur Erzielung einer möglichst gerin.i;:n Bauhöhe des Motors hat es sich als zweckmäßig erwiesen, Dauermagneten aus einer Lanthanid-FerrDmagneticum-Legierung zu verwenden. Derartige Legierungen haben ein besonders hohes Energieprodukt (BH) max., so daß Dauermagnete aus diesem Material sehr klein gehalten werden können.

Eine weitere Verringerung des Energieverbrauchs des Motors kann dadurch erreicht werden, daß ein Rotor mit einer möglichst hohen Anzahl von Haupt- und Hilfspolen verwendet wird. Je höher nämlich die Zahl der Rotorpole ist, desto kleiner ist der Drehwinkel bei jedem Schritt und desto geringer kann der Energieinhalt des Ansteuerimpulses sein. Als besonders vorteilhaft hat es sich, erwiesen, den Rotor 60-polig und den Stator mit einer geringeren Polzahl auszubilden. Ein so aufgebauter Motor hat nicht nur einen äußerst geringen Energieverbrauch, sondern darüber hinaus auch den Vorteil, daß, da der Rotor mit einem Sekundenschritt umläuft, die Rotorwelle unmittelbar als Sekundenwelle verwendet werden kann. Aus fertigungstechnischen Gründen kann es zweckmäßig sein, den Stator 10-polig auszubilden, da bei einem höherpoligen Stator die Ausbildung der einzelnen Pole zu gewissen Schwierigkeiten führen kann.

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GemäB einer vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfindung sind die freien Hauptpalenden zur Aufnahme eines Lagers für die Rotorwelle ausgebildet. Dies gestattet ohne besondere Schwierigkeiten eine genaue Ausrichtung der beiden Statorteile zueinander, bias sich günstig auf den Wirkungsgrad und den Energieverbrauch des Motors auswirkt. Darüber hinaus besitzt eine solche Maßnahme fertigungstechnische Vorteile.

Die Erfindung sei anhand der Zeichnung, die in zum Teil schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel enthalt, näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine teilgeschnittene Aufsicht auf einen Einphasenschrittmotor mit einem 6-poligen Rotor und einem 4-poligen Stator und

Figur 2 einen Schnitt durch den Einphasenschrittmotor gemSB Figur 1 entlang der Linie II-II

jeweils in wesentlich vergrößerter Darstellung.

Der Einphasenschrittmator besteht aus einem 6-poligen Rotor 1 und einem Stator 2, der zwei Statorteile 3 und U sowie eine diese beiden verbindendes Brückenteil 5 mit der Erregerspule 6 umfaßt.

Jedes Statorteil 3 bzw. k trägt an seinem dem Rotor 1 benachbarten Ende zwei kreisringsektorförmige Statorpolzähne 7, deren freie Enden zur Aufnahme eines Lagers B für die Rotorwelle 9 ausgebildet sind. Beide Statorteile 3 und k sind, wie insbesondere aus Figur 2 ersichtlich ist, in einer Ebene A angeordnet, während der Rotor 1 in einer parallelen Ebene B umläuft. Die Statorteile 3, ** und 5 sind durch Ausstanzen aus einem Hyperm-766-Blech hergestellt.

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Der Rotor 1, der ebenfalls aus einem Hyperm-766-Blech ausgestanzt ist, besteht aus sechs etwa rechteckförmigen Hauptpolen 1G, die jeweils an einer radialen Begrenzungslinie 11 in einen dreieckförmigen Hilfspol 12 übergehen. Die Schmalseite jedes Hauptpols 1G ist gleich der Breite eines Statorpolzahns 7 im Bereich des HauptpolfuBes gewählt. Das Rotorblech ist unmittelbar auf die Rotorwelle 9 aufgepreßt.

Im erregungslosen Zustand befindet sich der Rotor 1 in einer Stellung, wie er in Figur 1 dargestellt ist. In dieser Stellung ist der magnetische Widerstand des dauermagnetischen Kreises 13 am kleinsten. Jeweils ein Hauptpol 10 befindet sich dann über einem der beiden Dauermagnete 1*» bzu. 15, von denen der eine mit seinem Nordpol und der andere mit seinem Südpol dem jeweiligen Hauptpol 10 zugewandt ist. Die Hilfspole 12 ragen in die Statorpolbereiche. Bei erregtem Stator 2 wird der Rotor 1 über die Hilfspole 12 in eine Position gedreht, in der die Rotorhauptpole 10 über die Statorpolzähne zu liegen kommen. Nunmehr ragen zwei Hilfspole 12 in den Bereich des dauermagnetischen Kreises. Sobald die Erregung des Stators beendet ist, wird der Rotor 1 durch die Hilfspole 12 in die gezeichnete Stellung weitergedreht.

Zur Verdeutlichung der natürlichen Größe eines derartigen Motors, der für eine Betriebsspannung von kleiner oder gleich 1,5 Volt ausgelegt ist, seien folgende realisierbaren Maße angegeben: Länge ungefähr 9 mm, Breite ungefähr 5 mm und Höhe ungefähr 2,2 mm.

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Claims

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Patentansprüche

1. I Einphasenschrittmotor, insbesondere für Uhren, mit einem ^—/ mehrere Polzähne aufweisenden Rotor und einem Stator, der aus zwei über ein die Erregeruicklung tragendes Brückenteil miteinander verbundenen Statorteilen besteht, von denen jeder an seinem freien Ende in eine im l/ergleich zur halben Rotorpolzahl gleiche oder kleinere Anzahl von gegen die Rotorstirnseite gerichteten Statorpolzähnen übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß beide Statorteile (3, Ό zumindest im Bereich der Statorpolzähne (7) in einer ersten Ebene (A) angeordnet sind und in einer zweiten, dazu parallelen Ebene (B) der Rotor (1) umläuft, dessen Polzähne jeweils aus einem Hauptpal (10) und einem an diesen angeformten, sich in Drehrichtung erstreckenden Hilfspol (12) bestehen, und zwischen den Statorpolzähnen (7) ein dauermagnetischer Kreis (13) vorgesehen ist, durch den die Ruhelage des Rotors (1) bei erregungslosem Stator bestimmt ist.

2. Einphasenschrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpolzähne (7) kreisringsektorförmig ausgebildet sind und der Rotor (1) rechteckförmige Hauptpole (10) aufweist, von denen jeder an einer radialen Begrenzungslinie (11) in einen dreieckförmigen Hilfspol (1£) übergeht.

3. Einphasenschrittmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmalseite jedes rechteckförmigen Hauptpols (10) ungefähr gleich der Breite eines Statorpolzahns (7) im Bereich des Hauptpolfußes ist.

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k. Einphasenschrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) und die Stator-•teile (3, k, 5) aus einem ueichmagnetischen Material geringer Koerzitivkraft bestehen.

5. Einphasenschrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß der dauermagnetische Kreis (13) aus 2 η (η = 1, 2, 3 ... m) Dauermagneten (1ίι, 15) besteht, von denen η mit ihrem Nordpol und die anderen mit ihrem Südpol dem Rotor (1) zugewandt sind.

6. Einphasenschrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis *t, dadurch gekennzeichnet, daß der dauermagnetische Kreis (13) aus mindestens einem Dauermagneten (1Ί, 15) und einem auf dessen dem Rotor (1) abgeuandten Seite angeordneten Rückschlußblech besteht, dessen freies Ende um mindestens den Uinkel zweier benachbarter Rotorpale (1G) gegenüber dem Dauermagnet (1*0 versetzt ist.

7. Einphasenschrittmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der bzu. die Dauermagneten (1**, 15) aus einer Lanthanid-Ferromagneticum-Legierung besteht.

B. Einphasenschrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) 6G-polig und der Stator (2) mit einer geringeren Polzahl ausgebildet ist.

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9. EinphasEnschrittmator nach Anspruch 8, dadurch qekennzeichnet, daß dEr Stator (2) 10-polig ausgebildet ist.

1D. EinphasenschrittmotDr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die freisn Statorpolzahnendsn zur Aufnahme eines Lagers (8) für die Rotorwelle (9) ausgebildet sind.

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