DE3022433A1

DE3022433A1 - Schrittmotor

Info

Publication number: DE3022433A1
Application number: DE19803022433
Authority: DE
Inventors: Bernardus Henricus Ant Goddijn
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-06-20
Filing date: 1980-06-14
Publication date: 1981-01-29
Also published as: CH651706A5; JPS5610070A; CA1135759A; DE3022433C2; GB2052175A; NL7904817A; FR2459575B1; GB2052175B; FR2459575A1

Description

N. V. Philips' G!ocilampenfaör;e;< X Bndheven

11.1.1980 f

. 3

Schrittmotor.

Die Erfindung bezieht sich

auf einen Schrittmotor mit einem Stator, der wenigstens enthält:

einen ersten ringförmigen Statorteil mit einer Ringspule und einer diese Ringspule umschliessenden magnetisch leitenden Umhüllung, die in ein erstes und ein zweites ringförmiges Zähnesystem mündet;

einen zweiten ringförmigen Statorteil mit einer Ringspule und einer diese Ringspule umschliessenden magnetisch leitenden Umhüllung, die in ein drittes und ein viertes ringförmiges Zähnesystem mündet; und einen Rotor mit einer mit dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Zähnesystem zusammenarbeitenden Vorzahnung.

Ein derartiger Schrittmotor ist

aus der DE-OS 27 27 hjO bekannt und ist besonders gut dazu geeignet, als Schrittmotor mit einem kleinen Schrittwinkel, z.B. von 1,8°, d.h. 200 Schritte pro Rotorumdrehung, ausgeführt zu werden. Um bei einem derartigen Schrittmotor dart

Auftreten grosser Schrittwinkelfehler zu vermeiden, wenJiui an die Ausrichtung der Statorzähnesysteme in bezug au-Γ <lLe Rotorverzahnung sehr hohe Anforderungen gestellt, die bei Serienfertigung eine starke Erhöhung der Kosten mit sich

bringen können. Hinzu kommt, dass es vorteilhaft sein kann, 25

bestimmte Abweichungen in den nominalen gegenseitigen Lagen der Rotorverzahnung in bezug auf die Statorverzahnung einzuführen, wie in der niederländischen Patentanmeldung Nr. 79 O^ 818 der Anmelderin beschrieben ist.

Die Erfindung hat die Aufgabe, 30

einen Schrittmotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich verhältnismässig leicht genau ausrichten lässt.

Die Erfindung ist dazu dadurch

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; I;, dass die Zähne der Zähnesysteme des Stators axial miteinander fluchten und dass die Zähne der Rotorverzahnung auf dem Umfang des Rotors angebracht sind, dadurch, dass in der Rotoroberfläche schraubenlinienförmige Nuten vorgesehen sind.

Der Erfindung liegt die

Erkenntnis zugrunde, dass es verhältnismässig einfach ist, die Statorverzahnung in axialer Richtung auszurichten, und dass infolge der Tatsache, dass die Rotorverzahnung eine Rchraubenlinienförmige Struktur aufweist, die tangentielle Anordnung der Rotorverzaanung in bezug auf die Statorverzahnung durch axiale Abstände bestimmt wird.

Eine erste vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne

¹S der Rotorverzahnung, was ihre axiale Höhe anbelangt, kleiner als die der damit zusammenarbeitenden Statorzähnesysteme sind, und dass die Zähne der Statorzähnesysteme in axialer Richtung die damit zusammenarbeitenden Rotorzähne in beiden Richtungen überlappen.

Bei dieser Ausführungsform wird die tangentielle Ausrichtung durch die Lage der axiειlen Grenzen der Rotorzähne bestimmt. Diese Ausführungsform kann weiter dadurch gekennzeichnet sein, dass ein erstes, ein zweites, ein drittes bzw. ein viertes Rotorzähne.system vorhanden ist, das mit dem ersten, dem zweiten, dem dritten bzw. dem vierten Statorzälinesystem zusammenarbeitet, wobei diese Rotorzähnesysteme dadurch gebildet sind, dass neben den genannten schraubenlinienförmigen Nuten auch kreisförmige Nuten angebracht sind,

■^ die die genannten ^o torζ ahne sys t eme in axialer Richtung begrenzen. Dadurch wird die tangentielle Ausrichtung des Motors durch die Lage der genannten Kreisförmigen Nuten bestimmt. Diese Lage kann während der Serienfertigung einfach geändert werden.
"' Eine andere vorteilhafte

Ausführungsform kann dadu:rch gekennzeichnet sein, dass die Zähne der Statorzähnesysteme, was ihre axiale Höhe anbe-

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langt, kleiner als die der damit zusammenarbeitenden Rotorverzahnung sind, und dass die Zähne der Kofcorverzahnung in axialer Richtung die damit zusammenarbeitenden Zähne der Statorzähnesysteme in beiden Richtungen überlappen.

Bei dieser Ausführungsform

wird die tangentielle Ausrichtung durch die Lage der axialen Begrenzungen der Statorzähnesysteme bestimmt.

Einige Ausführungsformen der

Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Schnitt du durch einen Schrittmotor nach der Erfindung,

Fig. 2 perspektivisch eine 15

Ansicht eines Schrittmotors nach der Erfindung in auseinandergezogener Darstellung mit axial durchgeschnittenem Stator,

Fig. 3 schematiscli die Lage tier

Statorzähne in bezug auf die Rotorzähne bei einer ersten 20

Ausführungsform eines Schrittmotors nach den Figuren 1 umI 2, und

Fig. h schematised die Lag«; der Statorzähne in bezug auf die Rotoi-zälme bei einor

zweiten Ausführungsform eines Schrittmotors nacJi den 25

Figuren 1 und 2.

Fig. 1 zeigt einen axialen

Schnitt durch einen Schrittmotor, in dem das Prinzip nach der Erfindung angewandt wird, während Fig. 2 diesen Motor

in auseinandergezogener Darstellung und perspektivisch 30

mit axial durchgeschnittenem Stator zeigt. Der Schrittmotor ist im wesentlichen drehsymmetrlsch um die Achse A-A» und enthält einen Rotor 1 und einen Stator .'2. Der Stator besteht aus zwei koaxialen Statorteilen 3 und k in H.

einem koaxial dazwischenliegenden Ln axialor Richtung 35

inagne Lisiorton dauGnnagnoti^clicm Ring 5· Jodej· der Statorteile 3 bzw. 4 enthält eine koaxial liegende Ringspule 8 bzw. 9> die von einer magnetisch leitenden

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Umhüllung 6 bzw. 7 umgeben ist, die auf der Innenseite in zwei ringförmige Zähnesysteme 10 und 11 bzw. 12 und 13 mündet. Der Rotor 1 ist mit mit den ringförmigen Zähnesystemen 10, 11, 12 bzw. 13 zusammenarbeitenden ringförmigen Zähnesystemen 14, 15, 16 bzw. 17 versehen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, werden diese Zähne des Rotors von schraubenlinieriförmigen Wüten begrenzt, von denen eine mit gestreichelten Linien 18 angegeben ist. Die Ausrichtung erfolgt dabei derart, dass die Zähne der Statorzähnesysteme 10, 11, 12 und 13 axial miteinander fluchten und dass, wenn die Zähne des Rotorzähnesystems 14 den Zähnen des des Statorzähnesystems 10 gegenüber liegen, die Zähne der Statorzähne systeme 11, 1,'i bzw. 13 in bezug auf die Rotorzähnesysteme 15, 16 bzw. 17 tangentiell über 180°, 90° bzw.

27Ο" (oder als Alternative 180°, 270°bzw. 90°) verschoben sind, wobei 360⁰ einem Zahnteilungsabstand entspricht.

Der axial magnetisierte dauer-.

magnetische Ring magnetisiert die Zähnesysteme 10 und 11 mit einer bestimmten Polarität und die Zähnesysteme 12 und 13 mit einer dieser Polarität entgegengesetzten Polarität. Bei einer bestimmten Richtung des Stromes durch die Ringspule 8 bzw. 9 ist dann die Richtung des Feldes infolge der Erregung in dem zu dem Zähnesystem 10 bzw. 12 gehörigen Luftspalt zwischen Stator und Rotor gleich der Richtung des von dem dauermagnetischen Ring erzeugten Feldes in diesem Luftspalt und in dem anderen zu dem Zähnesystem 11 bzw. 13 gehörigen Luftspalt dieser Richtung entgegengesetzt. Bei der entgegengesetzten Richtung des Stromes durch die Ringspule 8 bzw. 9 ist die Richtung des Feldes infolg-e dieser Erz-egung in dem zu dem Zähnesystein 11 bzw. 13 gehörigen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Ro bor gleich der Richtung des vom dauermagnetischen Ring erzeugten Feldes in diesem Luftspalt und in dem anderen zu dem Zähnesystem 10 bzw. 12 gehörigen Luftspalt dieser Richtung entgegengesetzt. Durch die Wahl der Erregungsrichtung des Stromes in jeweils einer Spule oder jeweils beiden Spulen 8 und 9 können jeweils ein oder jeweils zwei

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Rotor-Statorzähnesysteme drehmomentliefernd werden, so dass es möglich ist, den Rotor schrittweise mit Schritten gleich einem Viertelzahnteilungsabstand anzutreiben.

Dabei sei bemerkt, dass die Anordnung des Dauermagnets in dem Stator nicht besonders wesentlich ist. Dieser Dauermagnet kann z.B. auch in dem Rotor an der Stelle, die in Fig. 1 mit 5¹ bezeichnet ist,, angeordnet werden oder kann z.B. als eine zylindrische Buchse die beiden Statorteile 3 und 4 umgeben. Auch kann der Dauermagnet grundsätzlich durch eine mit Gleichstrom erregte Spule ersetzt werden.

Fig. 3a zeigt schematisch eine

Abwicklung eines Teiles der Rotorverzahnung und, darüber gezeichnet, die Lage jeweils zweier Zähne jedes Statorzähnesystems 10, 11, 12 und 13· Wenn der Abstand zwischen den Statorzähnesystemen in Vereinigung mit dem Winkel zu der Achse, unter dem die in der Abwicklung aui" einer schrägen Reihe liegenden Rotorzähne angeordnet sind, passend gewählt ist, gilt, dass, wenn die Zähne des Statorzähnesystems 10 den Zähnen des Rotorzähnesysteniä I^l gegenüber liegen (als ein Winkel von 0° zwischen den beiden Systemen definiert), die Zähne des Statorzähnesysterns 11 gerade zwischen den Zähnen des Roborzähnesystenis 13 liegen (als ein Winkel von 18O° zwischen den beiden Systemen definiert), die Zähne des Statorzähnesystems I.M einerseits zur Hälfte den Zähnen des RotorzähnesystcmH 16 gegenüber liegen (als ein Winkel von 90° zwischen den beiden Zähnesystemen definiert) und die Zähne des Statorzähnesystems 13 andererseits zur Hälfte den Zähnen des Rotorzähnesystems 17 gegenüber liegen (als ein Winkel von 270° zwischen den beiden Zähnesystemen definiert).

In der in Fig. 3a dargestellten Situation erstrecken sich die Jiotorzfihne in fi Richtung bis ausserhalb der StatorzüJme. Dies kann sätzlich derart weitegehen, dass sich die Zähne der- unterschiedlichen Statorzähnesysteme 14, 15, 16 und 17 aneinander anschliessen und schraubenlinlenröx'inige Rippen bil-

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den, die sich zwischen den beiden Stirnflächen des Rotors erstrecken. TJm jedoch das Trägheitsmoment des Rotors herabzusetzen, ist es meistens vorteilhaft, die Rotorzahnhöhe h (siehe Fig. 3h) auf ein Mindestmass zu beschränken.

Um den Effekt eines Eotor-

Statorzähnesystemgebildes nach Fig. 3a auf die tangentielle Ausrichtung der Zähnesysteme in bezug aufeinander zu veranschaulichen, zeigt Fig. 3ΐ> einen Rotorzahn t mit, darüber gezeichnet, einem Statorzahn t und Fig. 3c die-

selbe Konfiguration mit in bezug auf die Situation nach. Fig. 3b einem in axialer Richtung über einen Abstand χ verschobenen Statorzahn bei ungeänderter Lage des Rotorzahns t . In Fig. 3b befindet sich der Mittelpunkt a des Statorzahns t in tangentieller Richtung in einem Ab-

1 ^s

stand -τ- y rechts von der Mittellinie b des Rotorzahns t . <~ r r

Nach Verschiebung des Statorzahns t über einen Abstand χ in axialer Richtung (Fig. 3°) befindet sich der Mittelpunkt a des Statorzahns t in einem Abstand ·% γ links

S S iC.

von der Mittellinie b des Rotorzahns t . Eine Ver-

r r

Schiebung des Statorzahns t über einen Abstand χ in

axialer Richtung ergibt also eine Verschiebung y des Staborzahns in beviug auf den Rotorzalin in fcangentieller Richtung. Au±' diese Weise wird die tangentielle Ausrichtung (Positionierung der Statorzähnesysteme in bezug auf die Rotοrverzahnung unter richtigen Finkein) durch die axiale Abstände zwischen den Statorzähnesystemen bestimmt, welche axiale Ausrichtung sich viel einfacher als eine tangentielle Ausrichtung verwirklichen lässt.

Ein zusätzlicher Vorteil kann darin bestehen, dass das Verhältnis y/x gleich der Tangente des Winkels ■·, ist, den die Mittellinie des Rotorzahns mit der des Statorzalms einschliesst. ¥enn dieser Winkel kleiner· als h5° 1st, cirgibt eine Verschiebung χ in axialer

3'^J Richtung eine kleinere Verschiebung y in tangentieller Richtung, so dass eine bestimmte Toleranz in y mit einer grösseren Toleran-' in χ gepaart ist.

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Fig. 4a zeigt eine gleiche

Situation wie Fig. 3a, jedoch mit Statorzähnen, die sicli in axialer Richtung bis ausserhalb der Rotorzälme erstrecken. Fig. 4b zeigt einen Rotorzahn t aus der Konfiguration nach Fig. 4a in einer bestimmten Lage, mit, darüber gezeichnet, einem Statorzahn t und Fig. 4c dieselbe Situation, jedoch mit einer Verschiebung über einen Abstand χ in Richtung der iSchi'aubenlinlG, entlang deren er sich erstreckt, dadurch, dtiss beide Flächen, die das Rotorzähne sys tem, zu dem der Ziihn t gehört, begrenzen, in axialer Richtung über einen Abstand χ verschoben sind. In der Situation nach Fig. 4b befindet sich der Mittelpunkt a des Rotorzahns t ^ in einem Abstand 77 y links von der Mittellinie b des Steitorzahns t . Eine

s s

Verschiebung des Rotorzahns entlang der Schraubenlinie, auf der er sich befindet, über einen axialen Abstand χ ergibt die Situation nach Fig. 4c, in der der Mittelpunkt a dieses Rotorzahns in einem Abstand — y rechts von dev Mittellinie b des Statorzahns t liegt (da der kleinste

S S

Zahn die gegenseitige Lage beider Zähne bestimmt, gilt für die gegenseitige tangentielle Lage zweier Zähne dex¹ tangentielle Abstand zwischen der Mittellinie des längeren Zahns und dem Mittelpunkt de-3 kürzeren Zahns).

E Lne Verschiebung der axialen Grenzflächen der Rotorzähnesvsteme über einen Abstand x. ergibt also eine Verschiebung y des Statorzahns in bezug· auf den Rotorzahn in tangentLeller Richtung. Auf diese Weise wird die tangentielle Ausrichtung durch die axialen Abstände zwischen den Rotorzähnesystemen bestimmt.

In der in Fig. 3 gezeigten Situation ist die Höhe h der Rotorzähne grosser aLs die Höhe h der Statorzähne gewählt, wobei die S ta torzäluie, was ihre Höhe anbelangt, innerhalb der Höhe der Kuturzähne fallen. Bei dieser Lösung ist die axiale Ausrichtung dor Statorteile und sind somit die axialen Abstände zwischen den Statorzähnesystomen 10 bis 1'} entscheidend für die tangentielle Ausrichtung und ist die Lage dex· die

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Ko Lorniüinoaya Leirii» 14 bis 17 in axialer Richtung begrenzenden Flächen nicht kritisch. In der in Fig. 4 gezeigten Situation ist es gerade umgekehrt. Hier fällt die Höhe h der Rotorzähnesysteme 14 bis 17 innerhalb der Höhe h der Statorzähne und sind die die Rotorzähnesysteme in axialer Richtung begrenzenden Flächen entscheidend für die tangentielle Ausrichtung, während die axialen Abstände zwischen den Statorzähnesystemen nicht kritisch sind. Grundsätzlich kann aber auch z.B. h = h gewählt werden. J>ie axiale Lage sowohl der Statorzähnesy steine als auch der Rotorzähne systeme ist dann entscheidend für die tangentielle Ausrichtung. Hinzu kommt dann noch, dass eine falsche Anordnung nicht nur die Ausrichtung, sondern auch die Grosse der Drehmomente beeinflusst, weil der in bezug auf die axiale Lage gemeinsame Teil der Höhe der Stator- und Rotorzähne, der in diesem Falle von der axialen Lage beider Zähnesysteme in bezug aufeinander abhängig geworden ist, für das Drehmoment entscheidend ist. Es ist daher zu bevorzugen, die Höhe entweder der Rotor- oder der Statorzähne kleiner als die der anderen zu wählen und diese betreffenden Zähne in bezug auf ihre Höhe auf beiden axialen Seiten innerhalb der axialen Seiten der anderen Zähne fallen zu lassen.

Ein Rotor eines Motors nach der Erfindung kann einfach dadurch hergestellt werden, dass in einem zylindrischen Körper schraubenlinienförmige Nuten angebracht werden, z.B. indem ein Fräsmeissel in axialer Richtung über die Oberfläche des Zylinders bewegt und inzwischen diesem Zylinder eine Drehbewegung erteilt wird. Wenn gesonderte Zähnesysteme auf diesem Rotor gewünscht sind, kanu dann zunächst oder anschliessend das Material zwischen diesen Zähnesystemen mittels einer dazu geeigneten Bearbeitung entfernt werden. Bei einer Situation nach Fig. 4 ist dann die Stelle, an der dieses Material entfernt, z.B. abgedreht wird, entscheidend für die tangentielle Ausrichtung des Rotors in bezug auf den Stator. Dieses Verfahren weist dabei den Vorteil auf,

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dass es verhältnismässig einfach ist, während der Serienfertigung diese Ausrichtung dadurch zu ändern, dass eine andere Einstellung der verwendeten Bearbeitungsmaschine, z.B. einer Drehbank, gewählt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, von einer Rotorkonstruktion nach Fig. 2 auszugehen, jedoch noch ohne die die Zähne definierenden schraubenlinienrörmigen Nuten, und diese Nuten in allen vier Zähnesystemen in einer einzigen Bearbeitung anzubringen.

Die Erfindung beschränkt sicJi auf das gezeigte Ausführungsbeispiel. Das Prinzip nach der Erfindung ist ausser bei dem gezeigten Hybridschrittmotor auch bei einem Reluktansclirittmotor mit einer ähnlichen Konstruktion wie der gezeigte Hybridschrittmotor, also bei jedem Motor mit axial voneinander getrennt angebrachten ringförmigen und drehsymnietri.scJien Ziil t emen, anwendbar.

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Claims

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PATENTANSPRUECHE :

1 . j Schrittmotor mit einem S tat ox*

), der wenigstens enthält:
einen ersten ringförmigen Statorteil (3) mit einer Ringspule (8) und einer dies«: Ringspule umschliessenden magnetisch leitenden Umhüllung (6), die in ein erstes (1O) und ein zweites (11) ringförmiges Zähnesystem mündet; einen zweiten ringförmigen Statorteil (4) mit einer Ringspule (9) und einer die Ringspule umschliessenden magnetisch leitenden Umhüllung (7)» die in ein drittes (12) und 10

ein viertes (13) ringförmiges Zähnesystem mündet; und einen Rotor (i) mit einer mit dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Zähnesystem zusammenarbeitenden Verzahnung (i4, 15, 16, I7),

dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne der Zähnesysteme des 15

Stators axial miteinander fluchten und dass die Zähne der

Rotorverzahnung auf dem Umfang des Rotors angebracht sind, dadurch, dass in der Rot or oberfläche scliraubenlinienforini^e Nuten vorgesehen sind.

2. ir.chrittmotor nach Anspruch I,

dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne der Rotorverzalinuii/·;, was ihre axiale Höhe anbelangt, kleiner als die der damit zusammenarbeitenden Statorzähnesysteme sind und dass die Zähne der Statorzähnesysteme in axialer Richtung die dam i. L

zusammenarbeitenden Rotorzähie in beiden Richtungen uber-25

lappen.

3· Schrittmotor nach Anspruch .'-!,

dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes, ein zweites, ein drittes bzw. ein viertes Rotorzähnesystem vorhanden Lst, das mit dem ersten, dem zweiten, dem dritten bzw. dem vierten Statorzähnesystem zusammenarbeitet, wobei diese Rotorzähnesysteme dadurch gebildet sind, dass neben den genannten schraubenlinienförmigen Nuten auch kreisförmige Nuten, die

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die genannten Rotorzähnesysteme in axialer Richtung begrenzen, angebracht sind.

k. Schrittmotor nach Anspruch 1,

dadui'ch gekennzeichnet, dass die Zähne der Statorzähnesysteme, was ihre axiale Höhe anbelangt, kleiner als die der damit zusammenarbeitenden Rotorverzahnung sind und dass die Zähne der Rotorverzahnung in axialer Richtung die damit zusammenarbeitenden Zähne der Statorzähnesysteme in beiden Richtungen überlappen.

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