DE2738789A1

DE2738789A1 - Mehrpoliger magnetlaeufermotor mit schrittschaltbetrieb

Info

Publication number: DE2738789A1
Application number: DE19772738789
Authority: DE
Inventors: Claude Oudet
Original assignee: Portescap SA
Current assignee: Portescap SA
Priority date: 1976-09-03
Filing date: 1977-08-29
Publication date: 1978-07-27
Also published as: FR2363928B1; FR2363928A1; DE2738789C3; CH599707A5; GB1587431A; DE2738789B2; JPS596579B2; US4155018A; JPS5352908A

Description

^ϋΜ·^ΗβΙ1 Maximillanstr.15

U Tel. 29 4818

8 München 22. den

PORTESCAP, La Chaux-de-Fonds,Schweiz Mehrpoliger Magnet1aufermotor mit Schrittschaltbetrieb

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrpoligen Magnetläufermotor mit Schrittschaltbetrieb, wobei der Läufer im Spalt eines stationären Magnetfeldes angeordnet ist und N Paare abwechselnd positiver und negativer Pole aufweist, die um die Achse des Läufers herum verteilt angeordnet sind, während der Spalt des stationären Magnetfeldes von zwei gegenüberliegenden Polstücken gebildet wird, deren eines zumindest eine derartige Oberfläche aufweist, daß der Abstand zwischen ihr und dem Läufer abwechselnd N mal während einer vollständigen Umdrehung der Drehachse schwankt und wobei der Motor noch eine elektrische Spule zur Steuerung des Magnetfeldes aufweist.

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MnlMfMndung: CoMMrHMnk M0n€h»n BLZ 7BM0041. Konto Nr. 372B9W 8.W. IF. T. - Cod· COBAOiIT MO; PoMKrwdumt MOndwn. Konto Mr. 33B1-W1

Bei bekannten Motoren dieser Art entsteht durch das Zusammenwirken der Polstücke des stationären Magnetfeldes und der Läufer- oder Rotorpole ein Drehmoment, das auf den Läufer einwirkt, mit einer stromabhängigen Komponente C. und mit einem magnetostatischen Restdrehmoment, das insbesondere die stabilen Gleichgewichtsstellungen des Läufers bestimmt. Das magnetostatische Drehmoment C weist im allgemeinen eine zur Frequenz des stromabhängigen Drehmomentes Harmonische C _ ^mit doppelter Frequenz, sowie eine Harmonische C- mit vierfacher Frequenz auf, sowie ungerade, im allgemeinen vernachlässigbare Harmonische.

Es sind bereits Methoden bekannt, um den Einfluß der Harmonischen

2 des magnetostatischen Restdrehmomentes zu verringern oder unter Kontrolle zu halten. Je mehr aber die Harmonische 2 des magnetostatischen Drehmomentes verringert wird, desto stärker wird der Einfluß und die störende Wirkung der Harmonischen 4 auf den Betrieb des Motors. Wie noch näher ausgeführt werden wird, hat eine stark auftretende Harmonische 4 im Verhältnis zur Grundwelle insbesondere die Wirkung, die stabile Gleichgewichtsstellung der Läufers dem Punkt anzunähern, in dem das stromabhängige Drehmoment Null ist. Das bedeutet, daß das in den Ruhestellungen vorhandene stromabhängige Drehmoment verringert wird und damit auch entsprechend das Nutzdrehmoment des Motors.

Die vorliegende Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, einen mehrpoligen Magnetläufermotor mit Schrittschaltbetrieb der eingangs näher genannten Art anzugeben, bei dem das magnetostatische Restdrehmoment mit vierfacher Frequenz bezüglich des stromabhängigen Drehmomentes erheblich verringert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß darin zu sehen, daß die Teile einer Gesamtheit aus den beiden Gesamtheiten der Polpaare des Läufers einerseits und dem abwechselnden,schwanken-

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den Abständen zwischen wenigstens einem Polstück und dem Läufer andererseits einen regelmäßigen Winkelabstand aufweisen, während die Teile der anderen Gesamtheit in wenigstens zwei Gruppen gleicher Anzahl unterteilt sind, innerhalb derer die Teile einen Winkelabstand von 2ΊΓ /M einhalten, während die beiden Gruppen zueinander eine Winkelverschiebung von TT /4N aufweisen.

Eine derartige Anordnung ist insbesondere für Motoren geeignet, deren eines Polstück N Zähne aufweist, die um die Läuferachse verteilt sind, während das andere Polstück eine gleichförmige Oberfläche aufweist, sowie für Motoren, deren beide Polstücke mit um die Läuferachse verteilt angeordneten Zähnen versehen sind. Im letzteren Fall können die Zähne eines der Polstücke die beiden zueinander verschobenen Gruppen bilden oder aber jedes Polstück weist die winkelmäßig zueinander verschobenen beiden Gruppen auf.

Besteht der Läufer oder Rotor aus einer axial magnetisieren Scheibe und ist die Steuerspule eine langgestreckte Zylinderspule mit einem Kern, der wenigstens ungefähr in der Läuferebene angeordnet ist und dessen beide Enden mit den Polstücken des stationären Magnetfeldes verbunden sind, so besteht eine besonders vorteilhafte Ausführungsform darin, daß die beiden Polstücke symmetrisch sind zu einem Durchmesser der Scheibe, der senkrecht zur Spulenachse verläuft.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1: einen axialen Schnitt durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Motors;

Fig. 2: eine Unteransicht des leeren Motorgehäuses gemäß Fig. 1;

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Fig. 3: ein Diagramm der möglichen Drehmomente, die bei einem derartigen Motor auftreten können;

Fig. 4: ein Diagramm, das die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahme auf die Harmonische 4 des magnetostatischen Drehmomentes zeigt;

Fig. 5: eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Motors mit exzentrischer Spule und

Fig. 6: einen Schnitt entlang der gestrichelten Linie AA¹ von Figur 5.

Der im axialen Schnitt in Figur 1 dargestellte Motor weist einen im allgemeinen zylindrisches Gehäuse 1 auf, dessen Boden mit einer Zahnanordnung 1a versehen ist, die aus tiefgezogenen, radial angeordneten Zähnen besteht. Die gegenüberliegende Seite des Gehäuses 1 wird im wesentlichen durch ein ringförmiges Teil 2 verschlossen, das das Innere eines zentralen, hohlen Kernes 3 umschließt. Das obere Ende dieses Kernes 3 wird von einem anderen scheibenförmigen Ringstück S umgeben, das parallel zum ringförmigen Teil 2 angeordnet ist. Die Ge-* samtheit der Teile 1,2,3 und 5 besteht aus magnetisch penneablem Material und dient zur Ausbildung des stationären Magnetfeldes des Motors. Des weiteren ist um den Kern 3 herum, zwischen den Teilen 2 und 5, eine koaxiale Zylinderspule 6 angeordnet, an die die elektrischen Impulse zur Steuerung des Motors angelegt werden. Die Teile 1a und 5 sind die Polstücke für das stationäre Magnetfeld und bilden zwischen sich einen Spalt veränderlicher Höhe. Aus VereinfachungsgrUnden ist angenommen, daß das Polstück 5 eine ebene Oberfläche aufweist, obwohl bei einem anderen Ausführungsbeispiel auch das Teil 5 mit sich radial erstreckenden, herausgearbeiteten Zähnen5a versehen sein kann. Der Läufer des Motors von Figur 1 wird durch eine dünne Scheibe 7 gebildet, die von einer Achse β getragen wird, die den hohlen Kern 3 mittig durchsetzt und in Lagern 9 und 10 angeordnet sind, die wiederum an den sich axial gegenüberliegenden Enden des Motorgehäuses befestigt sind.

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Die Scheibe 7 ist in axialer Richtung derart magnetisiert, daß sie N Paare abwechselnd positiver und negativer Pole auf ihren Oberflächen aufweist. Die Pole sind beispielsweise mit einem regelmäßigen Winkelabstand um die Läuferachse herum verteilt.

Figur 2 zeigt von unten her die Verzahnung am Boden des leeren Gehäuses 1 des in Figur 1 dargestellten Motors, das heißt als Einzelteil. Die tiefgezogenen, in radialer Richtung angeordneten Zähne 1a, deren Anzahl N beispielsweise 8 beträgt, weisen einen veränderlichen Winkelabstand auf. Insbesondere sind die acht Zähne dieses Polstückes in zwei Gruppen unterteilt, wobei jede Gruppe vier Zähne aufweist, die innerhalb einer Gruppe jeweils einen Winkel von <^ = 21Π/Ν bilden. Im gewählten Beispiel ist cL = 45°. Diese beiden Gruppen von Zähnen sind gegeneinander derart winkelmäßig verschoben, daß die äußersten Zähne der beiden Gruppen auf der einen Seite einen Winkel iu '< ^ bilden und auf der anderen Seite einen Winkel ck".?-(L bilden. Die Verschiebung wird dabei derart gewählt, daß der Unterschied zwischen <*- und cL' sowie ck," und dv gleich ^f8 ist, das heißt im gewählten Beispiel ist ck,¹ = 39° 23' und ^ " = 50° 37¹.

Figur 3 zeigt erläuterungshalber die Änderung des stromabhängigen Drehmomentes C. und des magnetostatischen Drehmomentes Cq als Funktion des Drehwinkels in einem derartigen Motor und zwar für zwei verschiedene Fälle der Verringerung der Harmonischen 4 des Drehmomentes C_Q. Im ersten Fall weist der Motor ein magnetostatisches Drehmoment C'_Q auf, das durch seinen Null-Durchgang eine stabile Gleichgewichtsstellung des Rotors a¹ bestimmt, die in der Nähe des Ursprungs liegt. Dieser Motor weist eine relativ starke Harmonische 4 auf und der Wert des stromabhängigen Drehmomentes C. am stabilen Gleichgewichtspunkt, C ., ist gering. Im anderen Fall handelt es sich um einen Motor, dessen Harmonische 4 erheblich geringer ist, wobei das magnetostatische Drehmoment die Form C"_Q aufweist. Dieses magnetostatische Drehmoment bestimmt eine stabile Gleichgewichtsstellung

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a" und wie man sieht ist das stromabhängige Drehmoment C", in dieser Stellung erheblich größer.

Figur 4 zeigt den Einfluß der Anordnung von Zähnen gemäß Figur 2 auf das Auftreten der Harmonischen 4 im vorliegenden Motor. Die Komponente des stromabhängigen Drehmomentes C....., die von einer der Gruppen von vier äquidistanten Zähnen erzeugt wird, und die stromabhängige Komponente Cj/oi» die ^von der anderen Gruppe von vier Zähnen erzeugt wird, sind getrennt dargestellt. Die beiden Gruppen von Zähnen sind um eine Achtel Periode verschoben, wie es durch die ausgezogenen und die punktiert gezeichneten Kurven angedeutet ist. Aus der Darstellung ist ersichtlich, daß die entsprechenden Komponenten vierfacher Frequenz des magnetostatischen Drehmomentes Cq, . -» und C₀₄.₂\ entgegengesetzte Phase aufweisen und sich auslöschen. Die Vektor-Addition der Komponenten C.,..* und C. ₍₂» zeigt, daß das stromabhängige Drehmoment im Falle einer leicht asymetrischen Anordnung der Zähne im wesentlichen den gleichen Absolutwert beibehält, verglichen mit der üblichen, rein symmetrischen Anordnung .

In den Figuren 5 und 6 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines Motors mit Schrittschaltbetrieb dargestellt, bei dem die elektrische Steuerspule 56 seitlich vom Läufer angeordnet ist. Letzterer wird durch eine flache Scheibe 57 gebildet, die drehbar im Spalt zwischen zwei sich gegenüberliegenden Polstücken 51a und 55a angeordnet ist. Jedes Polstück weist ein ringförmiges Teil 51a¹ bzw. 55a* auf, das koaxial zum Läufer ist und sich in radialer Richtung Über herausgeschnittene Zähne 51a" und 55a" verlängert, die der Erzeugung des stromabhängigen Drehmomentes durch Zusammenwirkung mit den magnetischen Teilen des Läufers 57 dienen. Der Läufer ist wenigstens im ringförmigen, aus dem Stator herausgeschnittenen, den Zähnen gegenüberliegenden Teil analog zum Läufer nach Figur 1 magnetisiert, wobei die Anzahl der Polpaare im dargestellten Fall N = 6 beträgt. Die Polstücke 51a und 55a weisen jeweils einen Arm auf, der zwei aufeinanderfolgende Zähne verlängert und damit die Verbindung mit dem Kern 54 der Spule

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an den entsprechenden beiden Kernenden gewährleistet. Die Arme 51a¹¹¹ und 55a¹'¹ sind zu diesem Zweck an ihren Enden derart gebogen, daß sie die entsprechenden Verzahnungen in einem geeigneten Abstand voneinander tragen, um dergestalt den Spalt des Motors zu bilden. Die Gesamtanordnung zur Erzeugung des stationären Magnetfeldes 51a, 54 und 55a ist in geeigneter Vieise auf einen Gestellteil 52 angeordnet und befestigt, der nicht magnetisch ist und gleichzeitig die nicht dargestellten Lager für die Läuferachse trägt.

Die Zähne eines jeden Polstückes 51a und 55a sind in zwei Gruppen aus jeweils drei herausgeschnittenen Zähnen unterteilt, wobei die beiden Gruppen gegeneinander um 1/8 des Schrittes ß = 2 Tf/6 = 60° verschoben sind. Demzufolge ist für das betrachtete Beispiel der Winkel ß¹ auf einer Seite zwischen den beiden äußersten Zähnen von zwei Gruppen gleich 52° 30* Die Wirkung dieser Winkelverschiebung zwischen den beiden Zahngruppen jedes Polstückes ist die gleiche wie diejenige, die im Zusammenhang mit Figur 4 und den Motor in Figur 1 beschrieben worden ist.

Es sei festgehalten, daß die Anordnung nach Figur 5 die Herstellung der Polstücke 51a einschließlich der Arme 51a¹¹¹ in ihrer Gesamtheit aus einem Stück ermöglicht, wobei dieses genau identisch ist mit demjenigen des Polstückes 55a. Letzteres ist einfach um 180° um die Achse X gedreht, die einen Läuferdurchmesser in der Symmetrieebene der Verzahnung des Stückes 51a darstellt. Dies bedeutet einen erheblichen Vorteil bei der Motorenherstellung.

Außer der Winkelverschiebung der beiden Gruppen von Zähnen innerhalb eines Polstückes kann man bei einem Motor, der zwei gegenüberliegende Statorverzahnungen aufweist, auch eine Verschiebung der Gesamtheit jeder der beiden gegenüberliegenden Verzahnungen zueinander um 1/8 Schritt vorsehen, um

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zusätzlich eine entgegengesetzte Phasenlage der beiden Gruppen von Harmonischen 4 des magnetostatischen Restdrehmomentes zu erzielen. Eine derartige Anordnung bedingt jedoch eine sehr gute Symmetrie der beiden Polstücke bezüglich der Läuferpole um nicht den Einfluß einer der beiden Gruppen zu verstärken, das heißt eines der beiden Statoren. Die Winkelverschiebungen innerhalb jeder Verzahnung und zwischen den Verzahnungen in ihrer Gesamtheit können miteinander kombiniert werden.

Weitere Ausführungsbeispiele bestehen darin, Statorverzahnungen mit regelmäßigen Abständen vorzusehen und auf dem Läufer zwei Gruppen von Pol paaren in ähnlicher V7eise zu verschieben, wie es beispielsweise für die Zähne 1a im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben ist.

Der mittlere Teil der Polstücke des Motors gemäß Figur 5 kann auch eine ausgeschnittene Form aufweisen zur Bildung einer zweiten, zentralen Zahnanordnung und zur Erzeugung eines magnetostatischen Kopplungsmomentes, wie es beispielsweise in DT-OS 24 52 131 beschrieben ist.

Patentansprüche

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L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

ehrpoliger Magnetläufermotor mit Schrittschaltbetrieb, wobei der Läufer im Spalt eines statischen Magnetfeldes angeordnet ist und N Paare abwechselnd positiver und negativer Pole aufweist, die um die Achse des Läufers herum verteilt angeordnet sind, während der Spalt des statischen Magnetfeldes von zwei gegenüberliegenden Polstücken gebildet wird, deren eines zumindest eine derartige Oberfläche aufweist, daß der Abstand zwischen ihr und dem Läufer abwechselnd N-mal während einer vollständigen Umdrehung der Drehachse schwankt und wobei der Motor noch eine elektrische Spule zur Steuerung<j_es Magnetfeldes aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß die Teile einer Gesamtheit aus den beiden Gesamtheiten der Polpaare des Läufers einerseits und den abwechselnd schwankenden Abständen zwischen wenigstens einem Polstück und dem Läufer andererseits einen regelmäßigen Winkelabstand aufweisen, während die Teile der anderen Gesamtheit in wenigstens zwei Gruppen gleicher Anzahl unterteilt sind,innerhalb derer die Teile einen Winkelabstand von 2'" /N einhalten, während die beiden Gruppen zueinander eine Winkelverschiebung von ^/4N aufweisen.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Polstücke N Zähne aufweist, die um die Läuferachse herum verteilt sind, während das andere Polstück eine gleichmäßige Oberfläche aufweist.
3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der beiden Polstücke mit Zähnen versehen ist, die um die Läuferachse herum verteilt angeordnet sind und daß die Zähne eines der beiden Polstücke die beiden, zueinander verschobenen Gruppen darstellen.

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ORIGINAL INSPECTED
4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Polstücke mit Zähnen versehen sind, die um die Läuferachse herum verteilt angeordnet sind und daß jedes der Polstücke die beiden, um einen Winkel zueinander verschobenen Gruppen aufweist.
5. Motor nach Ansprüchen 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Polstücke die gleiche Form aufweisen und eine Winkelverschiebung zueinander vonTf/4U aufweisen.
6. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Läufer eine axial magnetisierte Scheibe aufweist und daß die beiden Polstücke symmetrisch sind bezüglich eines Durchmessers der Läuferscheibe.
7. Motor nach Anspruch 6 mit einer zylindrischen, langgestreckten Steuer spule, deren Achse parallel zur Scheibenachse des Läufers ist und die einen Kern aufweist, dessen Ende magnetisch mit den Polstücken der das stationäre Magnetfeld erzeugenden Teile verbunden sind, dadurch gekennzeichnet , daß die Symmetrieachse der Polstücke senkrecht zu einer axialen Spulen ebene ^ist ·
8.Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Polstück U herausgeschnittene Zähne aufweist, die in einer zur Läuferscheibe parallelen Ebene angeordnet sind, wobei die Gesamtheit der Zähne über einen Arm mit einem Kernende verbunden sind.
9. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm eine Verlängerung wenigstens einer der Zähne an der äußeren Umfangseite ist.

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10. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne untereinander über ein mittleres
Teil verbunden sind.
11. Motor nach Anspruch 10, wobei die Scheibe eine ringförmige mittlere Zone aufweist, die axial derart magnetisiert ist, daß sie abwechselnd positive und negative Pole bildet, dadurch gekennzeichnet , daß der mittlere Teil eines
jeden Polstückes eine innere Verzahnung bildet, deren

Zähne regelmäßig um die Läuferachse herum angeordnet sind.

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