DE2747209A1

DE2747209A1 - Schrittmotor fuer eine elektronische uhr

Info

Publication number: DE2747209A1
Application number: DE19772747209
Authority: DE
Inventors: Shinya Inabe
Original assignee: Niles Parts Co Ltd
Current assignee: Niles Parts Co Ltd
Priority date: 1976-12-10
Filing date: 1977-10-21
Publication date: 1978-06-15
Also published as: FR2373909B3; FR2373909A1; DE2747209C2

Description

Anmelder: Niles Parts Co., Ltd.

4-9-16, Higashi-kojiya, Ota-ku, Tokyo, Japan

Beanspruchte Priorität:

10. Dezember 1976, Japan, No. 51-165398

Schrittmotor für eine elektronische Uhr.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung eines Schrittmotors zum Antreiben von Zeigern einer elektronischen Uhr, und sie bezieht sich spezieller auf einen Schrittmotor mit kompaktem Drehtantrieb und großem Drehmoment für eine elektronische Uhr ohne Einstellung eines Statorpaares, das einen Rotor umgibt, um die Richtung der Rotordrehung zu bestimmen und mit einem hervorragenden Startbetriebsverhalten.

Der Schrittmotor in einer herkömmlichen elektronischen Uhr wird im allgemeinen durch wiederholte Ausgangssignale positiver und negativer elektrischer Signale einer Quadrat- oder Rechteck-

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welle mit einem Arbeitszyklus von 50 % angetrieben, um den Schrittmotor in der vorherbestimmten konstanten Richtung anzutreiben, wobei das elektrische Signal in einer elektronischen Schaltung erzeugt wird, die im wesentlichen aus einem Kristalloszillator, einem Frequenzteiler und einem Verstärker zusammengesetzt ist.

Um den mittleren Stromverbrauch einer elektronischen Uhr stark zu verringern, ist es auch bekannt, einen Schrittmotor durch eine Quadratwelle mit einem kleineren Arbeitszyklus als 50 % oder einen Impulsstrom mit einer Lade- und Entladecharakteristik anzutreiben.

/ein Dies ist jedoch unzulänglich, wenn solch Schrittmotor mit hohem Wirkungsgrad geschaffen werden soll, bei dem der mittlere Stromverbrauch hinreichend verringert ist und weiterhin ein von dem Schrittmotor geliefertes Drehmoment bei einem stabilen Betrieb genügend erhöht wird.

Weiterhin ist es bei einem herkömmlichen Schrittmotor für eine elektronische Uhr unvermeidlich, daß der Stator des Motors justiert wird, um die Richtung der Motordrehung zu bestimmen, und Eisenkerne mit verschiedener Gestalt zu laminieren, um den Stator daraus zu bilden, was zu Schwierigkeiten beim Zusammenbau des Motors, einer Ungenauigkeit des Schrittwinkels des Rotors und einer Verringerung des Drehmomentes des Schrittmotors führt.

Um die oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen, wurde von den gleichen Erfindern wie der vorliegenden Erfindung bereits eine Lösung vorgeschlagen und auch in der Bundesrepublik Deutschland von der gleichen Anmelder in als Patentanmeldung⁺'eingereicht. Bei dieser Lösung besitzt ein Stator, der einen Rotor des Schrittmotors umgibt, einen Aufbau, bei dem ein Paar rückspringender oder ausgenommener Polschuhabschnitte innerhalb eines Winkelbereichs von 60 vorgesehen sind und zwei Paare von vor-

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springenden Magnetpolschuhabschnitten jeweils an den beiden Enden der beiden ausgenommenen Abschnitte innerhalb eines Winkelsbereiches von 50° bzw. 70° angeordnet sind.

Diese Lösungen sind jedoch nicht ausreichend, um eine hervorragende Startleistungsfähigkeit und eine hohe Betriebsstabilität des Schrittmotors gegen eine Spannungsänderung in einem weiten Bereich zu erzielen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Schrittmotor für eine elektronische Uhr zu schaffen, der die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweist.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schrittmotor mit hohem Wirkungsgrad für eine elektronische Uhr zu schaffen, sodaß der mittlere Stromverbrauch genügend verringert wird und weiterhin ein von dem Schrittmotor geliefertes Drehmoment bei einem stabilen Betrieb des Schrittmotors genügend erhöht wird.

Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schrittmotor zu schaffen, bei dem eine Justierung oder Einstellung des einen Rotor des Schrittmotors umgebenden Stators nicht notwendig ist, um die Richtung der Rotordrehung einzustellen.

Ganz besonders ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schrittmotor zu schaffen, der eine hervorragende Startleistungsfähigkeit und eine hohe Betriebsstabilität auch in dem Falle besitzt, wenn die an den Schrittmotor anzulegende Spannung in einem weiten Bereich schwankt oder abweicht.

Diese Aufgaben werden durch einen Schrittmotor gelöst, wie er im Anspruch 1 angegeben ist.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

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Durch die Erfindung wird somit ein kompakter Schrittmotor für eine elektronische Uhr geschaffen, der nicht nur eine hohe Stabilität der Richtung der Motordrehung und einen geringen elektrischen Stromverbrauch besitzt, sondern auch eine hervorragende Startleistungsfähigkeit und eine hohe Betriebsstabilität des Schrittmotors gegen eine Spannungsschwankung in einem weiten Bereich aufweist. Diese Vorteile ergeben sich bei solch einem Aufbau, bei dem der Stator, der einen Rotor umgibt, zwei rückspringende oder ausgenommene Abschnitte, die jeweils innerhalb eines Winkelbereiches von 120 angeordnet sind, und zwei Paare vorspringender Magnetpolabschnitte jeweils an den beiden Enden der ausgenommenen Abschnitte besitzt, wobei die Breite der Polschuhabschnitte in einem Paar etwa zweimal so groß wie die der Polschuhabschnitte in dem anderen Paar ist.

Die Erfindung wird nun durch Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine Aufrissansicht des Schrittmotors nach der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 ein vergrössertes Detail eines wesentlichen Teiles in dem Schrittmotor nach der vorliegenden Erfindung, um einen Aufbau des Hauptteiles zu zeigen, und

Figur 3 Aufrissansichten des Hauptteiles zur Erläuterung „.⁸ , der Betriebsweise des Schrittmotors, rlgur ο

Es wird nun auf Figur 1 Bezug genommen. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen zylindrischen Permanentmagnetrotor mit sechs magnetischen Polen, die untereinander gleich verteilt sind, und das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Welle für die Drehung des Rotors 1. Die Bezugszeichen 3 und 4 bezeichnen ein Statorpaar, das beispielsweise aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist. Ein Ende jedes dieser Statorteile umgibt den

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Rotor 1 mit einem kleinen Luftspalt. Die anderen Enden der Statorteile 3 und 4 sind in eine Spule 6 eingeschoben, die mit einer Motorwicklung 5 umwickelt ist. Die Spule oder Wicklung 5 wird durch einen Impulsstrom erregt, der von einer herkömmlichen (nicht dargestellten) elektronischen Schaltung geliefert wird, um dadurch ein Magnetfeld oder einen magnetischen Fluß zu erzeugen, der durch die Statorteile 3 und 4 zu Magnetpolschuhen 7a, 7b, 8a und 8b geführt wird. Die Bezugszeichen 9 und 10 bezeichnen Polspalte, die sich zwischen den Statorteilen 3 und 4 befinden und mit Luft ausgefüllt sind.

Der Aufbau der Magnetpolschuhe ist dergestalt, dass die Magnetpolschuhe 7b und 8b vorspringend innerhalb eines Winkelbereiches von 20° jeweils von den Spalten 10 und 9 in Uhrzeigerrichtung oder der der Richtung A der Drehung des Rotors 1 entgegengesetzten Richtung angeordnet sind, und die rückspringenden oder ausgenommenen Abschnitte 7 und 8 jeweils anschliessend und anstossend an die Polschuhabschnitte 7b und 8b innerhalb eines Winkelbereiches von 120 von den Abschlußenden jeweils der Polschuhabschnitte 7b und 8b in Uhrzeigerrichtung angeordnet sind und die Magnetpolschuhabschnitte 7a und 8a vorspringend anschließend und benachbart an die entsprechenden ausgenommenen Abschnitte innerhalb eines Winkelbereiches von 40° von den Abschlußenden der ausgenommenen Abschnitte 7 und 8 bis jeweils zu den Spalten 9 und 10 angeordnet sind. Ein Paar der Magnetpolschuhabschnitte 7a und 8a und ein Paar der Magnetpolschuhabschnitte 7b und 8b sind gegenüberliegend und symmetrisch bezüglich der Welle 2 angeordnet und in ähnlicher Weise ist das Paar der ausgenommenen Abschnitte 7 und 8 auch bezüglich der Welle 2 symmetrisch angeordnet.

Es wird nun der Betrieb des Schrittmotors mit einem Aufbau, wie er oben beschrieben ist, in Verbindung mit den Figuren 3 bis 6 erläutert.

In einer Periode, in der die Motorwicklung 5 nicht erregt wird.

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erzeugt die Wicklung 5 kein Magnetfeld, und dann verbleibt der Rotor 1 in der Rotorstellung, die in Figur 3 oder 5 gezeigt ist. In solch einer Ruhestellung des Rotors 1 in Figur befinden sich die zwei Grenzen zwischen den Polen S₁ und N₁ und zwischen den Polen Nj und S₃ in einer verschobenen Stellung, in der die Grenzen jeweils um etwa 10 von den entsprechenden Polspalten 9 und 10 in der Richtung A verschoben sind. In ähnlicher Weise sind zwei Grenzen zwischen den Polen N₁ und S_ und zwischen den Polen S₃ und N₃ in Figur 5 um etwa 10 von den entsprechenden Polspalten 9 und 10 in der Richtung A verschoben. Solch eine verschobene Ruhestellung wird durch die Anordnung verursacht, daß die Breite der Polschuhabschnitte 7a und 8a doppelt so groß wie die der Polschuhabschnitte 7b und 8b gemacht worden ist, wie es in allen Zeichnungen gezeigt ist. Eine Bestimmung der Rotationsrichtung des Rotors 1 wird durch solch eine Verschiebung des Rotors mit hoher Stabilität erreicht.

In der Erregungsperiode der Motorwicklung 5 erzeugt die Wicklung 5 bei der Ruhestellung des Rotors 1, die in Figur 3 gezeigt ist, einen Magnetfluß, um dadurch Magnetpole S und N an den entsprechenden Statorteilen 3 und 4 zu erzeugen, wie es in Figur 4 gezeigt ist. Zwei der Magnetpole N₁ und S₃ des Rotors 1 in Figur 3 werden stark zu den Magnetpolschuhabschnitten 7a und 8a gezogen, die jeweils entsprechend als S- und N-PoIe wirken, um dadurch den Rotor 1 um etwa 50° zu drehen und eine stabile Ruhestellung aufgrund von Neutralisation zu erhalten, wie es in Figur 4 gezeigt ist. Durch eine derartige Anziehung werden die zwei Grenzen von N₁-S und S-N₃ jeweils in Übereinstimmung mit den Polspalten 9 und 10 gebracht.

Für die Vorteile der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, daß die oben beschriebene anziehende Kraft innerhalb eines weiten Bereiches erzeugt wird, der sich im wesentlichen über alle Bereiche der Polschuhabschnitte 7a, 7b, 8a und 8b erstreckt, und daß die Magnetpole S und N des Rotors 1, die sich jeweils

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gegenüber den ausgenonunenen Abschnitten 7 und 8 befinden, von den magnetischen Polen S und N der jeweiligen Statorteile 3 und 4 jeweils durch die ausgenonunenen Abschnitte 7 und 8 getrennt sind, sodaß die oben beschriebene anziehende Kraft nicht durch die Magnetpole S und N des Rotors 1 , die den ausgenonunenen Abschnitten 7 und 8 gegenüberliegen, geschwächt wird.

In dem Erregungszustand der Wicklung 5, wie es in Figur 4 gezeigt ist, wird der Rotor 1, wenn der Impulsstrom unterbrochen wird, leicht um etwa 10 gedreht, um dadurch eine Ruhestellung des Rotors 1 einzustellen, wie es in Figur 5 gezeigt ist.

Es ist auch wichtig für die Vorteile der vorliegenden Erfindung, daß die oben beschriebene leichte Drehung des Rotors 1 bei der Unterbrechungsperiode des Impulsstromes durch den neuen Aufbau der Magnetpolschuhabschnitte verursacht wird, bei dem der Bereich oder die Breite der vorspringenden Polschuhabschnitte 7b und 8b angenähert die Hälfte von der Breite der vorspringenden Polschuhabschnitte 7a und 8a beträgt, und durch das Prinzip bewirkt wird, daß der Magnetfluß, der von dem N-PoI und dem S-PoI, die jeweils dem Polschuhabschnitt 7a bzw. 8a in Figur 4 gegenüberliegen, zu dem S-PoI und dem N-PoI, die jeweils dem ausgenommenen Abschnitt 7 bzw. 8 in Figur 4 gegenüberliegen, fließt, durch den Aufbau dazu neigt, entsprechend durch die Polschuhabschnitte 7a bzw. 8a hindurchzufließen.

Mittels solch einer leichten Drehung des Rotors 1 bei der Unterbrechungsperiode des Impulsstromes wird die Richtung der Rotordrehung mit hoher Stabilität und Genauigkeit beibehalten.

In der nächsten Erregungsperiode der Wicklung 5 mit einem Impulsstrom, der dem Impulsstrom, der in Verbindung mit Figur 4 beschrieben worden ist, entgegengesetzt gerichtet ist, erzeugt die Wicklung 5 einen Magnetfluß, um die Magnetpole N und S jeweils an den Statorteilen 3 und 4 zu erzeugen, wie es in Figur 6 gezeigt ist..Die Magnetpole S₂ und N₃ in Figur 5

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werden stark zu den Polschuhabschnitten 7a bzw. 8a, die als N-PoI und S-PoI wirken, angezogen.

Dementsprechend wird der Rotor 1 um etwa 50 in der Richtung A durch die beschriebene Stromversorgung der Wicklung 5 gedreht, wie es in Figur 6 gezeigt ist. Der Zustand des Rotors 1, der in Figur 6 gezeigt ist, und der Ruhezustand in Figur 4 sind die stabilsten Stellungen des Rotors 1 unter der maximalen Anziehungskraft.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Winkel der leichten Drehung auf etwa 10 eingestellt worden, der Winkel kann jedoch vorzugsweise auf ein Drittel des Drehwinkels des Rotors für jeden Impuls in 360 , geteilt durch die Anzahl der Magnetpole, eingestellt werden.

Nach der vorliegenden Erfindung kann also ein Schrittmotor für eine elektronische Uhr geschaffen werden, der die folgenden Vorteile besitzt:

a. Die Richtung einer Rotordrehung wird mit hoher Stabilität und Genauigkeit in einer vorherbestimmten Richtung ohne irgendeine Justierung oder Einstellung des Stators mittels solch eines Aufbaues beibehalten, bei dem zwei Paare von Magnetpolschuhen bzw. Magnetpolschuhabschnitten in Breite oder Winkelbereich voneinander verschieden sind.

b. Eine anziehende Kraft zwischen einem Rotor und Magnetpolschuhen wird durch vorstehende Polschuhe bzw. Polschuhabschnitte vergrößert, die rückspringenden oder ausgenommenen Abschnitten eines Stators zugeordnet sind, um dadurch hohe Genauigkeit eines Drehwinkels des Rotors und eine Stoppbewegung des Rotors zu erzeugen und eine Vergrösserung des Drehmomentes des Motors zu bewirken.

c. Statoren können durch einen einfachen Aufbau zusammengesetzt werden, um dadurch die Massenproduktion des Stators und dee Schrittmotors zu erleichtern.

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d. Ein Magnetfluss, der von einer Motorspule oder Motorwicklung erzeugt wird, kann mit hohem Wirkungsgrad ausgenutzt werden, sodass der mittlere Stromverbrauch des Motors in vorteilhafter Weise verringert werden kann.

e. Ein zylindrischer Rotor kann in einem einfachen Aufbau zusammengesetzt werden, um dadurch die Massenproduktion desselben zu erleichtern und die Kosten für den Motor zu verringern.

f. Durch die spezifische Ausbildung des Stators wird nicht nur eine hervorragende Startleistungsfähigkeit erreicht, sondern es werden auch hohe Stabilität und Genauigkeit in Ruhestellung und schrittweisem Betrieb auch sogar in einem weiten Spannungsbereich und Temperaturbereich erzielt.

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Claims

Patentansprüche

Schrittmotor für eine elektronische Uhr, der eine Motorwicklung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes bzw. eines Magnetflusses durch einen von einer vorherbestimmten elektronischen Schaltung abgegebenen Impulsstrom, einen Stator zur Führung dieses magnetischen Flusses und einen Rotor enthält, der sich durch die Wirkung des von dem Stator geführten Magnetflusses dreht , dadurch gekennzeichnet , daß der Rotor (1) aus einem zylindrischen Permanentmagneten zusammengesetzt ist, der sechs Magnetpole (N, S, ...) besitzt, die untereinander gleich verteilt sind, und der Stator (3,4) ein Paar ausgenommener Abschnitte (7,8) und zwei Paare vorspringender Abschnitte (7a,8a; 7b,8b) besitzt, von denen die vorspringenden Abschnitte (7a,8a) des einen Paares jeweils die doppelte Breite der vorspringenden Abschnitte (7b,8b) des anderen Paares aufweisen, und die vorspringenden Abschnitte und die ausgenommenen Abschnitte bezüglich der Rotorwelle (2) jeweils symmetrisch sind.
2. Schrittmotor für eine elektronische Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder vorspringende Abschnitt (7b; 8b) des einen Paares der vorspringenden Abschnitte jeweils innerhalb eines Winkelbereiches von 20° von einem Polspalt (10; 9) in der entgegengesetzten Richtung zu der vorherbestimmten Drehrichtung (A) des Rotors (1) angeordnet ist, jeder rückspringende Abschnitt (7; 8) daran anschliessend innerhalb eines Winkelbereiches von 120°

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von dem letzten Ende des jeweiligen vorspringenden Abschnittes (7b; 8b) in der gleichen Richtung wie oben angeordnet ist und jeder vorspringende Abschnitt (7a; 8a) des anderen Paares der vorspringenden Abschnitte jeweils innerhalb eines Winkelbereiches von 40° von dem Abschlussende des jeweiligen rückspringenden Abschnittes (7; 8) in der gleichen Richtung wie oben gelegen ist.
3. Schrittmotor für eine elektronische Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Erregungsperiode der Motorwicklung durch einen Motorwicklungerregungsimpulsstrom eine anziehende Kraft stark zwischen den im wesentlichen tatsächlich arbeitenden vier Magnetpolen (N, S, ...) von den sechs Magnetpolen des Rotors (1) und den im wesentlichen zwei Paaren vorspringender Abschnitte (7a, 8a; 7b, 8b) erzeugt wird.
4. Schrittmotor für eine elektronische Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) sofort nach einer Unterbrechung des MotorwicklungerregungsImpulsstromes etwas in der vorher bestimmten Drehrichtung (A) des Rotors gedreht 1st.

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