DE2934997A1

DE2934997A1 - Schrittschaltmotor

Info

Publication number: DE2934997A1
Application number: DE19792934997
Authority: DE
Inventors: John S Baer
Original assignee: Warner Electric Brake and Clutch Co
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1978-09-01
Filing date: 1979-08-30
Publication date: 1980-03-06
Also published as: US4207483A; IT1122938B; JPS5534899A; JPS6147065B2; GB2030789A; JPS59194659A; FR2435150A1; JPH0315415B2; IT7925427A0

Description

DR.-ING. DIPL.-ING. M. SC. D1PL.-<"MYS DR. DIPU-PHYSj CJ(PL-FHYS.WL

HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER BOEHME

PATENTANWÄLTE IN 5TUTT84RT 7QQi

A 43 713 b Anmelder: Warner Electric

k - 177 Brake » Clutch Company

24. August 1979 449 Gardner St.

South Beloit, In.

USA

Beschreibung Schrittschaltmotor

Die Erfindung betrifft einen Schrittschaltmotor mit einem Rotor und einem Stator, die konzentrisch zu einer gemeinsamen Achse angeordnet sind. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit elektrischen Schrittschaltmotoren, die eine in Umfangsrichtung vorgesehene Anordnung von Permanentmagneten aufweisen, welche mit in Umfangsrichtung vorgesehenen Anordnungen elektromagnetischer Pole zusammenwirken, deren magnetische Polarisierung durch die Erregung mindestens zweier verschiedener Erregerwicklungen zur Erzielung einer schrittweisen Drehbewegung des Rotors steuerbar ist.

Derartige Schrittschaltmotoren können bisher sowohl hinsichtlich ihres Raumbedarfs als auch hinsichtlich des mit ihnen erzeugbaren Drehmoments nicht in allen Fällen voll befriedigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Schrittschaltmotor anzugeben, nit dessen FIiIfe bei gegebenem Aussendurchmesser bzw. Volumen ein relativ hohes Ausgangsdrehmoraent erzeugbar ist, wobei der Motor ohne die Verwendung von korplizierters Werkzeugen nit relativ geringen Tosten als J'asner.produkt herstellbar sein soll.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Schrittschaltmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

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Es ist ein wesentlicher Vorteil des Fchrittschaltraotors qemäß der Erfindung, dass er einfach und billig herstellbar ist und dass sein Rotor beim Abschalten der Erregerwicklungen zwangsläufig in eine vorgegebene Raststellung einläuft, derart, dass die Winkelstellung der Abtriebswelle beim Abschalten des Motors beibehalten wird.

Ein weiterer Vorteil des Schrittschaltmotors gemäß der Erfindung besteht darin, dass er trotz seines relativ einfachen Aufbaus eine hohe Lebensdauererwartung besitzt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ansführungsform eines Schrittschaltmotors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch der. Motor gemäß Fig. 1 längs der Linie 2-2 in dieser Figur;

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung des .'lotors gemäß Fig. 1 und 2, wobei einige Teile weggebrochen sind;

Fig. 3a eine vergrößerte Ouerschnittsdarstellung zur Verdeutlichung der Lage von Polen und permanentmagnetischen Bereichen für die in Fig. 3 gezeigte Betriebsstellung des üotors;

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende perspektivische Explosionsdarstellung des Motors gem. Fig. 1 bis 3, ■ jedoch für eine zweite Betriebsstellung;

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Fig. 4a einen vergrößerten Querschnitt zur Verdeutlichung der Lage der Pole und Permanentmagneten für die in Fig. 4 gezeigte Betriebsstellung des Motors;

Fig. 5 schematische abgewickelte Darstellungen des Motors Fig. 8 gemäß Fig. 1 bis 4 für vier aufeinanderfolgende Betriebszustände;

Fig. 9 ein vereinfachtes Prinzipschaltbild eines Steuerkreises für den Motor gemäß Fig. 1 bis ^

Fig. 10 schematischa Darstellungen in Form von Impulsdia-Fi 11 9^{rammen zur} Erläuterung der Ansteuerung der Erregerwicklung des Motors gemäß Fig. 1 bis 8 und eines demgegenüber abgewandelten Motors gemäß der Erfindung.

Im einzelnen zeigen die Fig. 1 und 2 der Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsforn eines Schrittschaltmotors gemäß der Erfindung, der als Hauptbestandteil einen Rotor 10 und einen zweiteiligen Stator 11 mit einem - in der Zeichnung - linken Statorteil 11a und einem rechten Statorteil 11b aufweist. Der Rotor 10 und die beiden Statorteile 11a und 11b sind konzentrisch zur Achse einer Welle 12 angeordnet, die an einem Ende eine Nabe 13 aus nicht-magnetisierbarem Material trägt. Ausserhalb der Nabe 13 durchgreift die Welle 12 eine in den linken Statorteil 11a eingesetzte Buchse 14 aus nicht· magnetisierbarer! Material. Ein Federring 15, der in eine Ringnut des mit einer Kerbverzahnung versehenen äusseren Endes der Welle 12 eingesetzt ist, sichert diese in einer axialen Lage, in der die Nabe 13 das innere Ende der Buchse 14 berührt.

Die Innenflächen der beiden Statorteile 11a, 11b werden durch innere Zylinder 16 bzw. 17 gebildet, die aus einem magnetisch permeablen Material bestehen, beispielsweise

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aus Weicheisen. Die inneren Zylinder 16 und 17 sind von entsprechenden Mantelelementen 18 bzw. 19 umgeben, die jeweils einen Susseren Zylinder 20 bzw. 21 und einstückig angeformte Stirnwände 22 bzw. 23 aufweisen. Die Ringräume zwischen den Zylinderpaaren 16, 20 und 17, 21 nehmen jeweils eine Spule 24 bzw. 25 auf, wobei diese Spulen in definierter Weise erregt v/erden, um mehrere Sätze von verzahnten Statorpolen zu magnetisieren, welche - wie dies rachstehend noch näher erläutert wird - senkrecht zur Motorachse verlaufen. Die beiden Statorteile 11a, 11b sind durch einen Distanzring 26 aus nicht-magnetisierbarem Material,beispielsweise aus Aluminium,voneinander getrennt, der gleichzeitig dazu dient, die äusseren Statorpole der beider, Ftatorteile 11a, 11b in Umfangsrichtung bzw. winkelmäßig ir. der gewünschten Stellung zu positionieren.

Die einander zugewandten Enden der beiden *'antelelemente 18, 19 nehmen jeweils zwei in einer Ebene liegende flache Ringelemente 31, 32 bzw. 33, 34 auf_;und die beiden Paare von Ringelementen 31, 32 bzw. 33,34 bilden zvei axial in Abstand voneinander angeordnete Sätze von ineinandergreifenden zahnförmigen Statorpolen 31a, 32a bzw. 33a, 34a, die senkrecht zur !totorachse verlaufen. Alle vier Ringelemente 31 bis 34 bestehen aus magnetisch permeablem ilaterial, beispielsweise Weicheisen. Die beiden äusseren Ringelemente 31 und 33 v/eisen jeweils sechs Sussere Statcrpole 31a, 33a auf und passen in komplementäre innere Nuten in den offenen Enden der ^M.ant el elemente 18 bz'-^r. 19, so dass sich für den durch die Spulen 24 und 25 in den äusseren Zylindern20 bzw. 21 induzierten magnetischen Fluss Kreise mit niedriger Reluktanz ergeben. Die beiden inneren Ringelemente 32 und 34 weisen jeweils sechs nach innen gerichtete zahnfcrmige Statorpole 32a bzw. 34a auf und sind einstückig an die beiden inneren Zylinder 16 bzw. 17 angeformt, so dass sich für den von den Spulen 24 und 25 in den inneren

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Zylinder 16 bzw. 17 induzierten magnetischen Fluss Kreise niedriger Reluktanz, d. h. Kreise geringen magnetischen Widerstandes ergeben.

Um das Auftreten magnetischer Streuflüsse zwischen den inneren und äusseren Statorpolen 31a, 32a, bzw. 33a, 34a der Statorteile 11a, 11b auf ein Minimum zu reduzieren, sind die einander gegenüberliegenden Flächen der Zähne bzw. Statorpole der beiden Ringelementpaare 31, 32 bzw. 33, 34 sowohl in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung durchgehend im gleichen Abstand voneinander angeordnet. Im einzelnen liegen zwischen den Statorpolen 31a und 32a in Umfangsrichtung radial verlaufende längliche Luftspalte 35 und in radialer Richtung in Umfangsrichtung verlaufende Luftspalte 36, während zwischen den Statorpolen 33a und 34a in Umfangsrichtung radiale längliche Luftspalte 37 und in radialer Richtung in Umfangsrichtung verlaufende Luftspalte 38 liegen (Fig. 3 und 4). Die beschriebenen Luftspalte zwischen den einander zugeordneten Statorpolen sind ausreichend breit, so dass der überwiegsnde Teil des mc.gnetischen Flusses zv.'ischen den Statorpolen und den zugeordneten Zylindern 16, 17, 20 und 21 oder Permanentmagneten des angrenzenden Rotors 10 fließt und nicht zwischen benachbarten Statorpolen. Bein betrachteten Ausführungsbeispiel wird deutlich, dass jeder Statorteil 12 in^einandergreifende zahnförmige Statorpole auf v/eist, die in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordnet sind, wobei es sich jedoch versteht, dass zur Erzielung anderer Fortschaltwinkel auch eine entsprechend geänderte Zahl von rtatorpolen vorgesehen werden kann.

Betrachtet man nunmehr den Rotor 10, so erkennt man, dass dieser einen Ring 41 aus Keramikmaterial aufweist, welcher

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auf der Nabe 13 befestigt ist. Der Ring 41 veist läncrs seines Unfangs in gleichmäßigen Abständen voneinander vorgesehene permanentmagnetische Bereiche 40 auf, deren radialer Abstand von der Motorachse etwa gleich dem Abstand der radialen Mittelpunkte der Statorpole 31a bis 34a auf beiden Seiten des Motors 10 ist. Auf diese Weise ergeben sich zwischen den axialen Stirnseiten der Bereiche 40 und den angrenzenden Flächen der Statorpole 31a bis 34a Luftspalte 42 bzw. 43,über die der magnetische Arbeitsfluß fliessen kann. Benachbarte Bereiche 40 sind dabei in entgegengesetzter Pachtung polarisiert, wie dies aus Fig. 3 deutlich wird, wo die Nordpole N und die Südpole S der permanentmagnetischen Bereiche 40 eingezeichnet sind. Statt eines Ringe«, der durchgehend aus magnetisierbarer! Keranikmaterial besteht, kennen auch vorgefertigte Permanentmagnete verwendet werden, die in einem nicht-magnetisierbaren Träger auf der Nabe montiert werden.

Der den Rotor 10 umgebende Dintanzring 26 sorat für eine magnetische Isolierung der «unseren Zylinder 20, 21 der Statorteile 11a, 11b gegeneinander, so dass der naanetische FIuP zwischen den Statorteilen 11a, 11b die permanentmagnetischen Fereiche 40 des Rotors 10 passieren mu2. Der Distanzring 2 6 bildet ferner sechs in ünfangsrichtur.a in Abstand vonoinander angeordnete Positionierelemente 52und 51 , die seitlich von entgegengesetzten ObcrüLächen des Distanzrings 26 abstehen und in die Zwischenräume zwischen den inneren und äusseren Statorpolon der Statorteile eingreifen. Die Fositionierelemente 51, 52 dienen d^zu, die inneren und •äusseren Ringelerente 31, 32 bz^T-'. 33, 3? in l'^fangsrichtung 3xakt in der gewünschten gegenseitigen Lage zu halten. Die Positionierelemente 51 und 52 sind so benesser., dass sie genau zwischen einander zugeordnete Paare von äusseran Statorpolen 31a und 33a passen und so die äusseren Ringelemen-

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te 31 und 33 in ihrer Lage halten. Zum Positionieren der inneren Pingelemente 32 und 34 ist an der Innenseite jedes Positionierelerrents 51, 52 jeweils eine zentrale Aussparung 51a bzw. 52a vorgesehen, welche die Spitze eines der inneren Statorpole 32a bzw. 34a aufnimmt und sichert.

Bei dem betrachteten Motor haben benachbarte Statorpole in den beiden kreisförmigen Statorpolanordnungen mit ihren ineinandergreifenden zahnförmigen Statorpolen 31a bis 34a jeweils eine entgegengesetzte magnetische Polaritr-t, da die inneren Statorpole einerseits und die äusseren Statorpole andererseits magnetisch mit entgegengesetzten Enden dar Spulen 24 und 25 gekoppelt sind. Die Spulen sind ringförmig um die Motorachse gewickelt, so dass der in die benachbarten Zylinder 16, 20 bzw. 17, 21 induzierte magnetische Fluss im Inneren der Spulen de*» Fluss auf der Aussenseite derselben in axialer Richtung entgegengesetzt ist. Der in den inneren Zylindern 16 und 17 induzierte Fluss hat folglich stets die entgegengesetzte Polarität wie der in den äusseren Zylindern 20 und 21 induzierte Fluß. Folglich haben die inneren Statorpole einerseits und die äusseren Statorpole andererseits stets die entgegengesetzte magnetische Polarität, wobei die Polarität in einzelnen, d. h. die Frage,ob die äusseren Statorpole Nordpole und die inneren Statorpole S^ridpole bilden oder lungekehrt, von der Stromrichtung in der zugeordneten Spule 24 bzv:. 25 abhängig ist. V'ie nachstehend noch detailliert beschrieben werden wird, ist ein geeigneter Schaltkreis vorgesehen, um die "troirichtur.g für die Spulen 21 und 25 jefesnnl unzukehrer., venn eirr· diener Γ pul en erregt wird, un so den Drehsinn ^v.oi der schrittweisen Fortschaltung des Rotors 10 festzulegen.

Jedesmal wenn dir? Snule 24 oder 25 in einer der Ftatorteile

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11a bzw. 11b erregt wird, werden die permanentnagnetischen Bereiche 40 des Rotors 1O zu dem in Umfangsrichtung an nächsten 'liegenden Statorpol entgegengesetzter Polarität gezogen. VJenn beispielsweise die Spule 24 der- Statorteils 11a so erregt wird, dass die Statorpole 31a und 32a die in Fig. 3 eingezeichnete Polarität annehmen, dann fließt der in den äusseren Zylinder 20 induzierte magnetische Fluss in die äusseren Statorpole 31a, welche nunmehr magnetische Nordpole bilden_;und von dort zu den benachbarten Sndpolen jedes zweiten permanentmagnetischer. Bereiches 40 des Rotors 10. Gleichzeitig wird der in die inneren Zylinder 16 induzierte magnetische Fluss mit dem Fluss gekoppelt, der von den Nordpolen der dazwischenliegenden perr.anentmagnetischen Bereiche 40 zu den - Südpole bildenden - inneren Statorpolen 32 und von dort zum inneren Zylinder 16 flie.Ct. Vom inneren Zylinder 16 fließt der magnetische Fluss durch die Stirnwand 22 des riantelelements 18 zum äusseren Zylinder 20. Der beschriebene Pfad des magnetischen Flusses, welcher im oberen Teil der Fig. 3 schematisch eingezeichnet ist, hält den Rotor 10 in dieser "Raststellung", bis in der Erregung mindestens einer der Spulen 24, 25 eine Änderung eintritt.

Jeder der Statorteile weist insgesamt 12 Statorpole (sechs aussere und sechs innere Zähne) auf, so dass der winkelmässige Abstand zwischen den Polstücken 30° beträgt. Ausserdem sind die Polstücke 33a und 34a des rechten Statorteils 11b gegenüber den entsprechenden Polstücken 31a und 32a des linken Statorteils 11a um 15 versetzt. Weiterhin erkennt ran, da?s der winkelnäßire 7hstand der perr-anertmagnetischen Bereiche 40 des Motors 10 ebenso groß ist wie der Abstand der Statorpole und 30 beträgt. T^iTenn also die permanenfrnagnetischen Bereiche 40 des Rotors 10 mit den ineinandergreifenden Polstücken des einen Statorteils fluchten, dann fluchten die ineinandergreifenden Polstücke des anderen Statorteils

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mit den Zwischenräumen zwischen den permanentnagnetischen Bereichen. Wenn der Rotor beispielsweise die in rig. 3 gezeigte Lage einnimmt, die in Fig. 3a noch einmal vergrössert dargestellt ist, dann fluchten die permanentmagnetischen Bereiche 40 mit den Polstücken 31a und 32a des linken Statorteils 11a, so dass die Polstücke 33a und 34a des rechten Statorteils 11b mit den Zwischenräumen zwischen den permanentmagnetischen Bereichen 40 fluchten. In den Fig. 4 und 4a fluchten die permanentnagnetischen Bereiche 40 dagegen mit den Polstücken 33a und 34a des rechten Statorteils 11b, so dass die Polstücke 31a und 32a des linken Statorteils 11a mit den Zwischenräumen zwischen den permanentnagnetischen Bereichen 40 fluchten.

Die Tatsache, dass die beiden Sätze von Statorpolen winkelmäßig gegeneinander versetzt sind, führt zu dem wesentlichen Vorteil, dass einer der Sätze von ineinandergreifenden Statorpolen stets einen brauchbaren Rückfüh'rpfad für den magnetischen Fluss liefert, der zvrischen den Statorpolen des anderen Satzes und den permanentnagnetischen Bereichen 40 des Rotors 10 fließt, wie dies bei Betrachtung der in den Fig. 3 und 4 eingezeichneten Pfade für den magnetischen Fluss deutlich wird. Aus Fig. 3 v?ird beispielsweise deutlich, dass Ruckführpfad für die obere Hagnetflußschleife in Fig. 3 durch die inneren Ftatorpole 34a gebildet wird, so dass sich ein Rückführpfad ir.it einem magnetischen Widerstand ergibt, der beträchtlich geringer ist als der Pfad über die Eisenbrücke, die durch den inneren Zylinder 17 und das Hantelelenent 19 gebildet wird. Tn ähnlicher Weise ergibt sich für die untere Magnetfluss-Echleife in Fig. 3 ein Rüchführpfad für den magnetischen Fluss über die inneren Statorpole 32a, al?o ebenfalls ein Pfad mit einem magnetischen Widerstand, der geringer ist als derjenige eines Flusspfades über die Eisenbrücke, die durch den inneren Zylinder 16 und das Mante!element 18 ge-

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bildet wird.

Bgi der Betrachtung der Fig. 3 und 4 erkennt nan, dass die vier dort eingezeichneten Flusschleifen vier verschiedenen Betriebsbedingungen entsprechen, die nacheinander herbeigeführt vrerden, um den Rotor 10 in aufeinanderfolgenden Schritten um jevreils 15 zu drehen. Tn einzelnen entspricht die obere Flusschleife in Fig. 3 einem Betriebszustand, bei dem die Spule 24 mit einer¹ Strom I,- (Fig. 9) - Vorwärtsstrom - erregt vird. Die untere Flusschleife in Fig. 3 entspricht einer Betriebsbedingung, bei der die Spule 25 mit einem Strom I^ - Vorvrärtsstrom - erregt vjird. Die obere Flusschleife in Fig. 4 entspricht einer Betriebsbedingung, bei der die Spule 24 mit einem in entgegengesetzter Richtung zum Vorvrärts strom flies senden Strom I - Rückvärtsstrom - erregt wird_;und die untere Flusschleife in Fig. 4 entspricht einer Betriebsbedingung, bei der die Spule 25 mit einem Strom I - Rückwärtsstrom - erregt wird. Zur deutlicheren Erläuterung der vier Betriebsbedingungen sind in den Fig. 5 bis 8 für jede der vier Bedingungen abgewickelte Seitenansichten der Statorpole 31a, 32a und 33a, 34a und der permanentmagnetischen Bereiche 40 dargestellt, "an erkennt, dass die Betriebsbedinrungen, die der oberen Flusschleife in Fig. 3 und der oberen Flusschleife in Fig. entsprechen, nicht der tatsächlicher, körperlichen Stellung des Rotors 10 in diesen Figuren entsprechen und dass die betreffenden Flusschleifen nur eingezeichnet wurden, um den V7eg des magnetischen Flusses für den Fall darzustellen, dass der ^o tor gegenüber der eingezeichneten Stellung in den genannten Figuren um 15 verdreht

Die in d«n Fig. 3 bis 8 dargestellter. Verhältnisse gelten nacheinander für jeweils eine Fortschaltung des Rotors 10 um 15° durch aufeinanderfolgendes Abschalten der zunächst

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erregten Spule und anschliessendes Einschalten der anderen Spule, wobei der Rotor jeweils in Schritten vorrückt, die einer halben Zahnteilung entsprechen. Ausserdem wird bei Erregung einer Spule die Richtung des Erregerstrons gegenüber der Stronrichtung bei der vorausgegangenen Erregung dieser Spule jeweils umgekehrt. Venn also der Rotor 10 die in den Fig. 3, 3a und 5 gezeigte Stellung einniimt, veil die Spule 24 erregt ist, und v/enn es dann erwünscht ist, den Rotor in Uhrzeigersinn um einen Schritt fortzuschalten, dann wird die Spule 24 entregt und die Spule 2 5 mit einem Strom beaufschlagt, der in einer solchen Richtung fliesst, dass sieh an den äusseron Statorpolen 33a füdpole und an den inneren Statorrolen 34a Nordpole ergeben (vgl. Fig. 4, 4a und 6 sowie die untere Flusschleife in Fig. 4). Hierdurch wird der Fotor im Uhrzeigersinn tin 15° fortgeschaltet, so dass die Nord- und Südpole an den rechten Stirnflächen der pornanentmarrnetischen Bereiche 40 mit den ^Qüd- urd Nordpolen der ineinandergreifenden Statorpole 33a und 34a des neu erregten Statorteils 11b zur Deckung gebracht werden.

In entsprechender T''eise muß dann, venn es erwünscht ist, dass der Potor 10 ntatt im Uhrzeigersinn im Gegenuhrzeigersinn fortgeschaltet wird, die Spule 24 abgeschaltet und die Spule 25 mit einen Erregerctron beaufschlagt v/erden, der in einer solchen Richtung fliesst, dass in den äusseren Statorpolen 3 3a Kordpole und in den inneren Statorpolen 34a Südpele induziert werden. Hierdurch würde der Rotor zu einer Drehung um 15 in Gegenuhrzeiger«?inn veranlaßt, utt die TTord- und Südpole rlor rechter. Stirnflächen der rorranentrnagnetischen Rereiche 40 mit den Süd- und Mordpolen der ineinandergreifenden Polstücke 33a und 34a zur Deckung zu bringen.

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Die Herbeiführung des dritten Betriebszustandes gemäß Fla. der die obere Flusschleife in Fig. 4 zugeordnet ist, veranlaßt den Rotor_; um weitere 15 im Uhrzeigersinn vorzurücken. Dieser Schritt wird bewirkt, indem man die Spule 25 abschaltet und inden man der Spule 24 einen Erregerstrom zuführt, der in entgegengesetzter Richtung fliesst vie der Strom in Fig. 5, wodurch an den äusseren Polstücken 31a Südpole und an den inneren Polstücken 32a Nordpole induziert v/erden. Damit die Nord- und Südpole an den linken Stirnflächen der permanentmagnetischen Bereiche 40 mit der neuen Polarität der Statorpole 31a und 32a zur Deckung gebracht werden, muß sich der Rotor dann um 15° im Uhrzeigersinn drehen.

Die resultierende Stellung des Rotors bezüglich der beiden ineinandergreifenden Sätze von Polstücken scheint die gleiche zu sein wie bei der ersten Betriebsbedingung (vgl. Fig. 3a). Die magnetische Polung der Polstücke 31a und 32a ist jedoch umgekehrt. Der Rotor bleibt nun in dieser neuen "Raststellung", bis bezüglich der Erregung der Spulen 24 und 25 eine weitere änderung eintritt.

Die nächste Fortschaltung des Rotors 10 um einen Schritt im Uhrzeigersinn wird bei der in Fig. 8 gezeigten Polung und dem Betriebszustand erreicht, für den die untere Flussschleife in Fig. 3 gilt. Im einzelnen wird die Spule 24 entregt und die Spule 25 erregt, wobei der Strom jedoch in entgegengesetzter Richtung fliesst wie in Fig. 6. Dementsprechend werden an den äusseren Statornolen 33a Nordpole erzeugt, während an den inneren Statorpolen 34a Südpole erzeugt werden. Dies veranlaßt den Rotor zu einer v/eiteren Drehung um 15° im Uhrzeigersinn, wobei die Nord- und Südpole der rechten Stirnflächen der permanentmagnetischen Bereiche 40 mit den Süd- und Nordpolen der Statorpole 33a

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und 34a des nurmehr neu erregten Statorteils 11b zur Dekkung gebracht werden. Der Rotor wird auf diese Weise in die gleiche Stellung gebracht,wie sie in Fig. 4a gezeigt ist,und zwar gegenüber den beiden Sätzen von ineinandergreifenden Statorpolen, wobei jedoch die Polarität der Statorpole gegenüber der Polarität umgekehrt ist, die sich gemäß der unteren Flusschleife in Fig. 4 beir> oben erläuterten zweiten Betriebszustand ergibt.

Hiermit ist ein voller Zyklus der vier möglichen Betriebsbedingungen bei der bevorzugten Betriebsart für den betrachteten Motor abgeschlossen _f und die nächste Fortschaltung des Rotors erfolgt nunmehr durch Rückkehr zu der ersten Betriebsbedingung, die anhand der Fig. 5 erläutert wurde und für die die obere Flusschleife in Fig. 3 gilt.

Ein wesentlicher Vorteil des Schrittschaltmotor^ gemäß der Erfindung besteht darin, dass dieser eine stabile Raststellung beibehält, selbst wenn der Erregerstrom in beiden Spulen 24 und 25 abgeschaltet wird. Die Stellung, in der sich eine Flusschleifu bzw. ein Pfad für den magnetischen Fluss mit minimalem Widerstand ergibt, wenn eine der Spulen 24 oder 25 erregt ist, ist gleichzeitig eine Raststellung für den Motor für den Fall, dass keina der beiden Spulen erregt ist und dass die einzigen Quellen für einen magnetischen Fluss durch die pemanentmagnetischen Bereiche 40 des Rotors gebildet werden. Dieser Sachverhalt wird besonders aus den Fig. 5 bis 8 deutlich, wo die pernanentmaemetischen Bereiche 40 in jeder der vier möglichen Raststellungen,in die der Rotor durch Erregung einer der Spulen 24 oder 25 bewegt wird, mit einen der zwei Sätze von Statorpolen 31a, 32a bzw. 33a, 34a fluchten. Die Raststellungen sind also Stellungen, in denen sich für den magnetischen Fluss zwischen den Nordpolen und den Südpolen der permanentmagnetisehen Bereiche 40 unabhängig davon, ob die Spulen 24 und 25 eingeschaltet sind oder nicht, Pfade^ai^iaa^e/^jja^jnetischen Widerstandes

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für den magnetischen Fluss ergeben. Wenn der Motor abgeschaltet wird, d. h. wenn beide Spulen 24 und 25 abgeschaltet werden, halten also die permanentmagnetischen Bereiche 40 den Rotor 10 in jedem Fall in einer stabilen Lage, ohne dass eine Abweichung in der einen oder anderen Richtung auftritt, wobei allerdings die Haltekraft bzw. das wirksame Drehmoment schwächer ist als bei Erregung einer oder beider Spulen.

Ein weitere: Vorteil des betrachteten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei den die Statorpole des einen Satzes von ineinandergreifenden Statorpolen gegenüber den Statorpolen des anderen Satzes von Statorpolen in Umfangsrichtung um eine halbe Zahnteilung versetzt sindV> steht darin, dass für die Haltekraft sowohl bei erregten wie auch bei entregten Spulen jeweils ein Maximalwert erhalten wird. Dies basiert auf der Tatsache, dass die Pole eines Satzes von Statorpolen stets mit den Zwischenräumen zwischen den permanentmagnet!sehen Eereichen 40 fluchten und so für einen Rückführpfad für den magnetischen Fluss zwischen den Nord- und Südpolen der permanentmagnetischen Pereiche 40 des Rotors 10 sorgen, welcher einen niedrigen magnetischen Widerstand auf v/eist. Dieser Pfad geringen magnetischen Widerstandes bzw. niedriger Reluktanz ist von dem Pfad verschieden, dem der magnetische Fluss folgen würde, wenn die Pole der beiden Sätze von Statorpolen miteinander fluchten wurden. In diesem Fall müßte der magnetische Fluss stets über den lrnceren und einen h?!heren magnetischen Widerstand aufweisenden Pfad fliessen, der durch die inneren und äusseren Zylinder 16, 20 und 17, 21 und die Stirnvände 22, 23 auf beiden Seiten des Rotors gebildet wird. Ausserdein würde diese Betriebsbedingung sowohl für den eingeschalteten als auch für den ausgeschalteten Motor gelten. Durch ein gegensei-

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tiges Versetzen der Sätze von Statorpolen wird jedoch der Flußpfad auf einer Seite des Rotors stets verkürzt, wie dies aus den eingezeichneten Flusspfaden in den Fig. 3 bis 8 deutlich wird. Hierdurch wird aber die Stärke des magnetischen Feldes in den Arbeits-Luftspalten 4 2 und 4 3 auf einen Maximalwert erhöht, wodurch nicht nur das Haltedrehnomer.t auf einen Maximalwert erhöht vird, sondern auch das dynamische Drehmoment an der Abtriebswelle 12 des .Motors. Dabei wird das hohe Drehmoment an der Abtriebsvelle bei relativ kleinem Aussendurchmesser und Gesamtvolumen des Motors erzielt.

Eine Schaltung zur Steuerung der Erregung und Entregung ' der Spulen 24 und 25 mittels einer Spannungsquelle V, ist in Fig. 9 schematisch dargestellt. Im einzelnen sind in Fig. 9 Schalteinrichtungen in Form einfacher Ein-/Aus-Schalter SA₁, SA₂, SB., und SB₂ dargestellt, die normalerweise durch Transistoren oder andere Halbleiterschalter gebildet werden, welche in Abhängigkeit von Steuersignalen in den leitfähigen Zustand überführt oder gesperrt werden können. Von den in vorgegebener Folge zu schliessenden und zu öffnenden Schaltern dienen die Schalter SA₁ und SA₂ der Steuerung des Stroms für die Spule 24, während die Schalter SE- und SB₂ der Steuerung des Stroms durch die Spule 25 dienen.

Man sieht, dass sich für jede der beiden Spulen 24 und 25 zwei Anschlussmöglichkeiten ergeben. Wenn beispielsweise der Schalter SA₁ geschlossen ist, während die drei anderer. Schalter SA₂, SB^ und SE₂ geöffnet sind, dann fliesst durch di2 Spule 24 ein Erregerstrom IF, und zwar gemäß Fig. 9 von oben nach unten, wobei das dem ersten Betriebszustand entsprechende Muster des magnetischen Flusses erhalten wird, welches in Fig. 5 dargestellt ist und welchem die obere Flussschleife in Fig. 3 entspricht. Wenn der Strom durch die Spule

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24 unterbrochen werden soll und wenn durch die Spule 25 ein Erregerstron I_f von oben nach unten fHessen soll, dann wird, ausgehend vom betrachteten Zustand_;der Schalter SA₁ geöffnet und der Schalter SB., geschlossen, während die beiden übrigen Schalter SAj und SB₂ geöffnet bleiben. Auf diese V'eise ergibt sich der in Fig. 6 gezeigte zweite Betriebszustand, dem die untere Flusschleife in Fig. 4 entspricht.

Wenn nun der Strom durch die Spule 25 unterbrochen werden soll und in der Spule 24 ein entceaengesetzter Strom I von

wird

unten nach oben fliessen soll, dann/der Schalter SB₁ geöffnet und der Schalter SA- geschlossen. Auf diese Weise ergibt sich der anhand der Fig. 7 erläuterte dritte Betriebszustand, der der oberen Flusschleife in Fig. 4 entspricht. Der anhand der Fig. 8 erläuterte vierte Betriebszustand, welcher der unteren Flusschleife in Fig. 3 entspricht, wird dann erreicht, wenn der Schalter SA2 geöffnet und der Schaler SB₂ geschlossen wird. Bei dieser Umschaltung wird der Strom durch die Spule 24 unterbrochen, während durch die Spule 25 nunmehr vcn unten nach oben ein Strom I fliesst.

Aus der vorstehenden Erläuterung wird deutlich, dass die vier anhand der Fig. 3 bis 8 erläuterten Betriebszustände, bei denen jeweils eine Fortschaltung des Rotors 10 in Schritten von 15° erreicht wird, eingestellt werden kennen, indem man jeweils einen der vier Schalter SA₁, SA,, SB₁ und SB-schliesst und die drei übrigen Schalter jeweils im geöffneten Zustand hält. Die Folge, in der die Schalter geschlossen werden nüsser., um die beschriebene Folge von Fortschaltvorgiingen herbeizuführen, ergibt sich aus der folgenden Tabelle, in der ein "x" jeweils anzeigt, dass der betreffende Schalter geschlossen ist:

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Schritt Schalter

	SAl	SA2	SBl	SB2
O	X
1			X
2		X
3				X
4	X
5			X
6		X

Wenn der Motor mit entgegengesetztem Drehsinn angetrieben '•.-erden soll, dann vird die rv?ihenfolrre, in der die einzelnen Schalter geschlossen werden,gegenüber der vorstehenden Tabelle einfach umgekehrt.

Die Reihenfolge, ir. der die Spulen 24, 25 bei der vorstehend beschriebenen, aufeinanderfolgender. Betitirrung der Schalter erregt werden, ist in Fig. 1c als Impulsfolge über der Zeit dargestellt. Man sieht, das? für jede der beide'n Spulen 24 und 25 eine eigene Impulsfolge dargestellt ist, wobei ein "+"-Bereich bei beiden Impulsfolgen dem Stromfluss in der einen Richtung, beispielsweise dem Strom I- entspricht, während ein "-"-Bereich einem Stromfluss in der entgegengesetzten Richtung, beispielsweise dem Strom I entspricht. Die der Spule 24 zugeordnete Impulsfolge L zeigt, dass diese Spule während eines Zeitintervalls t bis t- zunächst mit dem Strom l_f erregt wird. Pie die der Spule 25 zugeordnete Impulsfolge B zeigt, fliesst in der Spule 24 während dieses Zeitintervalls kein Erregerstrom. Zum Zeitpunkt twird der Strom für die Spule 24 abgeschaltet. In dem Zeitintervall t₁ bis t₂ fliesst nunmehr durch die Ppule 25 der Erregerstrom l_f . Zum Zeitpunkt t₂ wird die Spule 25 wieder abgeschaltet (Impulsfolge E), während in der Spule 24 anschliessend in dem Zeitintervall t₂ bis t₃ der Erregerstrora I_r fliesst (Impuls folge A) . Der Strom für die Spule 24 wird

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dann zum Zeitpunkt t^ abgeschaltet (Impulsfolge Λ), während in der Spule 25 in den Zeitintervall t, bis t. (Impulsfolge B) der Erregerstrom I fliesst. 'lan erkennt, dass der Potor in aufeinanderfolgenden Schritten ab Reginn jedes der Zeitintervalle t bis t., t. bis t~, t₂ bis t₃ und t₃ bis t. jeweils um 15° fortgeschaltet wird.

Tig. 11 zeigt eine abgewandelte Folge für die Erregung der beiden Spulen, und zwar für den Fall, dass die beiden Sätze von axial im Abstand voneinander angeordneten Statorpolen in Umfangsrichtung miteinander fluchten und nicht, wie zuvor angenommen, ur. eine halbe Zahnteilung versetzt sind. In diesem Fall werden die beiden Sätze "or. Ftatorpolen crleichzeitig jeäoch mit entgegengesetzter Polarität erreat, wobei die stabilen "Raststelluncren" des Rotors 10 stets in der Mitte zwischen den permanentmagnetischen Bereichen 40 liegen (in Umfangsrichtung), wobei sich die Statorpole auf entgegengesetzten Seiten der permanentmagnetischen Bereiche 40 befinden. Im einzelnen wird gemäß Fig. 11 die Spule 24 während eines Zeitintervalls t bis t~ mit dem Erreaerstrom

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I erregt, so dass die äusseren Statorpole 31a Südpole bilden, während die inneren Statorpole 32a Mordpole bilder. Während des Zeitintervalls t bis t.. wird ferner die Spule mit dem Erregerstrom I_f gespeist, so dass die iusseren Statorpole 33a Hordpole und die inneren Statorpole 34a Südpole bilden . Hierdurch wird der Rotor 10 ausgerichtet, dass seine permanentragnetischen Pereiche 40 in Unfangprichtung mit den Stitcrpolen fluchten, da die einander axial in Abstand gegenüberliegenden ?titorpole jeweils er.+i^oc^r.rreeetzte PoIiritMt aufweisen.

Zum Zeitpunkt t- bleibt die Erregung der vrickluna 24 unverändert; der Strom durch die Wicklung 25 wird jedoch von I^ auf I_r umgepolt, so dass sich an den äusseren Statorpolen 33a

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Südpole und an den inneren Statorpolen 34a ?^Tordpole ergeben. Dies veranlaßt den Potnr zu einer Drehung um 15 in eine neue stabile Position, in der die perranentn.agnetischen F2-reiche 40 in ümfangsrichtung nit den Zwischenräumen der Sätze von Statorpolen fluchten, da die einander in axialer Richtung gegenüberliegenden Paare von Etatorpolen nunmehr die gleiche Polarität aufweisen. Bei dieser Verteilung der Polaritäten sind die einander entgegenv'irkenden magnetischen Kräfte ar. Rotor 10 im Cleichaewicht, wenn die pernanontnagnetischen Psreiche irit den ZviGchenrüur>cn zwischen den ftatorpolen der beiden Sätze fluchten.

Zum Zeitpunkt t₂ bleibt die Erregung der Spule 25 unverändert; der Strom in der Spule 24 wird jedoch von I auf I^ umgepolt, so dass sich an den "usEeren Γ ta torpolen 31a Kordpolo und an den inneren Statorpolen 32a Südpole ergeben. Die einander gegenüberliegenden Statcrpole der beiden Sätze haben nunmehr v.'iedor entgegengesetzte Polaritäten, se dass der Rotor sich um v/eitere 15° in eine neue stabile Stellung dreht, in der die permanentmagnetischen Bereiche 40 wieder mit den Statorpolen fluchten.

Zum Zeitpunkt t., bleibt der Stror I_f in der Spule 24 unverändert, v/ährend der Strom durch die Spule 25 von I auf I_f umgepolt wird, so dass die Polarität der Statorpole 33a, 34a von Süd-ITord auf ITord-Süd geändert und der Rotor zu einer v:eiteren Drehung um 15° veranlaßt vird. In dieser neuen stabilen Position des Rotors fluchten die permanentmagnet!sehen Bereiche 40 in Umfangsrichtung viedor mit den Furien zvischen den Statorpolen der beiden S"itzc,da einander axial in hbr.tand gegenüberliegende Ftatomole wieder die gleiche Polarität haben. Die schrittweise Fortschaltbev/egung vrird in entsprechender Weise fortgesetzt, solange die überlappende Erregung der Spulen 24 und 25 gemäß Fig. 11 fortgesetzt wird.

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Während bei dem vorstehend beschriebenen .Schrittschaltmotor als Rotor ein Ring vorgesehen ist, der die Permanentmagnete trägt bzw, permanentmagnetische Bereiche aufweist.und ausserdem ein Stator mit zwei Sätzen von ineinandergreifenden zahnförmigen Polen, versteht es sich, dass die Rollen der beiden genannten Elemente auch vertauscht werden können. Beispielsweise kann der Ring 41 mit den permanentmagnetischen Bereichen 40 drehbar auf der Welle 12 gelagert werden und an dem nicht-magnetischen Distanzring 26 befestigt v/erden, so dass er als Stator wirkt, während die beiden Srtze von Polen mit der Welle 12 drehfest verkeilt v/erden und nunmehr als Rotor dienen.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, dass erfindungsgemäß ein \^rerbesserter Schrittschaltmotor erhalten wird, der bei gegebenem Aussendurchmesser bzw. Volumen ein relativ hohes Ausgangsdrehmoment liefert und der ohne den Einsatz komplizierter Werkzeuge relativ billig als Massenprodukt hergestellt werden kann, da seine einzelnen Bauelemente relativ einfach ausgebildet sind. Dabei bietet der erfindungsgemäSe !lotor den Vorteil, dass er beim Aus-, schalten zwangsläufig in vorgegebene Raststellungen einläuft, so dass die Abtriebswelle in der gleichen Stellung gehalten wird, die sie unmittelbar vor den Abschalten des Motors eingenommen hat. Ausser dem Vorteil seines einfachen Aufbaus besitzt der Motor darüberhinaus den Vorteil einer hohen Lebensdauererwartung.

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Leerseite

Claims

DlPL-PHYS. Οβ.

DR.-ING. DIPL.-INS. M. SC. DiPL-PHVS. DR. DIPL.-PHVS.

HÖGER - STELLRECHT -GRIESSBACH - HAECKER BQEHME

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART 293^*^97

A 43 713 b Anmelder: Warner Electric

k - 177 Brake & Clutch Company

24. August 1979 44 9 Gardner St.

South Beloit, T

USA

Patentansprüche

Schrittschaltmotor mit einem Rotor und einem Stator, die konzentrisch zu einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Elemente (11s., 11b) zwei axial im Abstand von^-einander angeordnete Sätze von ineinandergreifenden, senkrecht zur Achse verlaufenden, zahnförmigen, inneren und äusseren Polen (31a, 3 2a; 3 3a, 34a) aufweist, dass die inneren und äusseren Pole (31a, 32a; 33a, 34a) jedes Satzes in radialer Richtung und in Umfangsrichtung durch Luftspalte (35, 36; 37, 38) voneinander getrennt sind, dass zwei Erregerwicklungen (24, 25) vorgesehen sind, von denen jede jeweils einem. Satz von Polen (31a, 32a bzw. 33a, 34a) derart zugeordnet ist, dass die inneren und äusseren Pole (31a, 32a bzw. 33a, 34a) des betreffenden Satzes magnetisch entgegengesetzt polarisierbar sind_;und dass das andere der beiden Elemente (10) in axialer Richtung und alternierend entgegengesetzt gepolte permanentmagnetische Bereiche (4O) aufweist, die in Umfangsrichtung im .Abstand voneinander und in axialer Richtung zwischen den beiden Sätzen von Polen (31a, 32a; 33a, 34a) derart angeordnet sind, dass sie (40) bei Speisung einer der Erregerwicklungen (24, 25) gegenüber den Polen (31a, 32a bzv. 33a, 34a) eines Satzes ausrichtbar sind.

Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (31a, 32a) des einen Satzes in Um-

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fangsrichtung gegenüber den Polen (33a, 34a) des anderen Satzes versetzt sind.

3. Schrittschaltmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zahnförmigen Pole (31a, 32a) des einen Satzes gegenüber den zahnförmigen Polen (33a, 34a) des anderen Satzes um eine halbe Zahnteilung versetzt sind.

4. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Sätze von Polen (31a, 32a; 33a, 34a) am Stator (11a, 11b) vorgesehen sind und dass die permanentmagnetischen Bereiche (40) am Rotor (10) vorgesehen sind.

5. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Pole (31a, 32a; 33a, 34a) jedes Satzes von Polen und die Anzahl der permanentmagnetischen Bereiche jeweils gleich ist.

6. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerkreis (Fig. 9) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Erregerwicklungen (24, 25) alternierend derart ansteuerbar sind, dass jeweils nur in einer der Erregerwicklung (24 bzw. 25) ein Erregerstron fließt, und mit dessen Hilfe die Richtung des Erregerstroms für die Erregerwicklungen (24, 25) derart umpolbar ist, dass die Pole (31a, 32a; 33a, 34a) des der einzelnen Erregerwicklung (24 bzw. 25) jeweils zugeordneten Satzes alternierend mit entgegengesetzter Polarität polnrisierhar sind.

7. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekannzeichnet, dass jeder Satz von Polen zwei flache Ringelenente (31, 32; 33, 34) aufweist, von denen das eine (32, 34) die inneren Pole (32a, 34a) und das

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andere (31, 33) die äusseren Pole (31a, 33a) aufweist.

8. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Erregerwicklungen (24, 25) als Ringspule gewickelt ist, deren Inneres magnetisch mit den inneren Polen (32a, 34a) des zugeordneten Satzes von Polen gekoppelt ist und deren Aussenseite mit den äusseren Polen (31a, 33a) des zugehörigen Satzes von Polen gekoppelt ist.

9. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Trennung der beiden Sätze von Polen (31a, 32a; 33a,'34a) in axialer Pachtung und zum Erzwingen magnetischer Flüsse zwischen den beiden Sätzen von Polen über die permanentmagnetischen Bereiche (40) ein Distanzelement (26) aus nicht-pagnetisierbarera Material vorgesehen ist.

10. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die permanentmagnetischen Bereiche (40) als magnetisierte Bereiche eines einheitlichen Keramikelements (41) ausgebildet sind.

11. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die permanentmagnetischen Bereiche (40) durch vorgefertigte, in einen Träger eingesetzte Permanentmagnete gebildet sind.

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