DE3110282A1

DE3110282A1 - Schrittschaltmotor

Info

Publication number: DE3110282A1
Application number: DE19813110282
Authority: DE
Inventors: Minoru Isobe; Hiroshi Tokyo Kikuchi
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1980-03-17
Filing date: 1981-03-17
Publication date: 1982-03-18
Also published as: GB2072956B; GB2072956A; US4401906A; DE3110282C2; JPS6227619B2; JPS56129566A

Description

Schrittschaltmotor

Die Erfindung betrifft einen Schrittschaltmotor mit einem Stator, der mindestens ein Joch aufweist, das eine Magnetstrecke bildet und auf dem eine Spule aufgewickelt ist, sowie mit einem drehbar im Stator angeordneten Rotor, der mindestens eine im Stator drehbar gelagerte Welle aufweist, die einen zylindrischen aus Ferrit bestehenden Permanentmagneten trägt, der in bezug auf die Welle symmetrisch ausgebildet ist, wobei der vom Permanentmagneten erzeugte Magnetfluß durch das Joch hindurchgeht.

Ein derartiger Schrittschaltmotor ist beispielsweise in der US-PS 41 27 802 beschrieben. Dieser Motor weist einen magnetisch gezahnten Rotor und einen Stator mit einer Spule auf. Wird ein Impulssignal an die Spule des

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Stators angelegt, dann dreht sich der Rotor um einen vorbestimmten Winkel.

Bei den bekannten Impulsmotoren weist der Rotor einen Permanentmagneten auf oder besteht selbst aus einem Permanentmagneten, der aus einem Ferritmaterial besteht, welches relativ preisgünstig ist. Dieses Ferritmaterial weist jedoch den Nachteil auf, daß sein magnetischer Widerstand bzw. seine Reluktanz mit ansteigender Temperatur ansteigt. Ist also die Temperatur des Motors hoch, dann wird der durch den Permanentmagneten erzeugte Magnetfluß vermindert, was dazu führt, daß das vom Motor erzeugte Drehmoment vermindert wird. Da sich die Temperatur des Motors bei langem kontinuierlichem Betrieb erhöht, ist die Verminderung des Motordrehmoments unvermeidlich. Um dieses Problem zu vermeiden, ist es bekannt, einen überdimensionierten Motor zu verwenden, der ein höheres Drehmoment erzeugt, wodurch erreicht wird, daß auch bei hohen Temperaturen das gewünschte hohe Drehmoment vorhanden ist. Dies bedeutet jedoch, daß der Motor größer und schwerer wird im Vergleich zu einem Motor, welcher lediglich bei niedrigen Temperaturen arbeitet.

Es besteht die Aufgabe, den Motor so auszubilden, daß auch bei höheren Temperaturen der Motor ein hohes Drehmoment erzeugt.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1· Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

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Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Schrittschaltmotor;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entsprechend der Fig. 2 im Zustand bei höheren Temperaturen;

Fig. 4 einen Querschnitt bei einer weiteren Ausflihrungsform;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 1;

Fig. 6 eine Explosionsdarstellung der Bauteile des Motors nach Fig. 1;

Fig. 7A verschiedene Arbeitslagen des

7ß Motors nach Fig. 1 zur Erläuterung von dessen Betrieb;

Fig. 8 ein Diagramm des Stromverlaufs

der die Statorspule durchfließenden Stroms und

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Fig. 9 eine Draufsicht auf den Rotor nach Fig. 1 zur Verdeutlichung von dessen Polarisierung.

Bei dem Motor nach Fig. Jl ist die Statorspule 1 auf einen Spulenkörper 2 aufgewickelt. Dieser Spulenkörper 2 umgibt ein Joch 3, welches eine Magnetstrecke bildet und in das die Lager 4 eingesetzt sind, welche drehbar die Motorwelle 5 lagert. Auf der Motorwelle 5 ist angeordnet ein zylindrischer Permanentmagnet aus einem Ferritmaterial Wird der Spule 1 ein impulsförmiges Eingangssignal zugeführt, dann dreht sich der Rotor mit seiner Welle um einen vorbestimmten Winkel bei jedem Impuls.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt längs der Linie B-B, aus welchem hervorgeht, daß das Joch 3 gezahnt ist und die Teilung der Zahnung ρ beträgt. Die gestrichelten Pole bzw. Zähne gehören zur zweiten Phase, während die ausgezogen dargestellten Pole oder Zähne die erste Phase bilden. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 beträgt die Teilung ρ 22,5 Grad (= 360 / 16).

In Fig. 6 ist der Motor mit seinen Einzelteilen dargestellt. Mit la ist die Spule der ersten Phase, mit Ib die Spule der zweiten Phase bezeichnet. Ein erstes, zweites, drittes und viertes Joch 3a - 3d weisen jeweils vier Zähne bzw. Pole 7 auf, welche jeweils um 90 Grad versetzt zueinander angeordnet sind. Diese Zähne 7 werden durch Stanzen und Umbiegen erzeugt. Die Joche werden so ineinandergesteckt, daß die Zähne bzw. die Pole 7

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um jeweils 22,5 Grad versetzt zueinander angeordnet sind. Mit 8a und 8b sind Gehäuseteile bezeichnet, welche die Lager 9a und 9b tragen. Die beiden Gehäuseteile 8a und 8b werden beispielsweise durch Löten oder Schweißen miteinander verbunden, wenn die Einzelteile zusammengebaut sind.

Die Arbeitsweise des Motors wird nachfolgend anhand der Figuren 7A bis 7D und anhand der Fig. 8 beschrieben. Der Einfachheit halber wird vorausgesetzt, daß das Joch 3 vier Zähne bzw. Pole und der Permanentmagnet 6 zwei Magnetpole aufweist.

Wenn keine Spule bestromt ist dann stehen die Magnetpole N, S des Permanentmagneten 6 zwei Polen des Jochs 3 gegenüber und der Rotor steht still. Dies ist in Fig. 7A dargestellt. Als nächstes sei vorausgesetzt, daß das Signal der Fig. 8A der Spule la der ersten Phase und das Signal der Fig. 8B der Spule Ib der zweiten Phase zugeführt wird. Während der Impulsdauer (1) der Fig. 8 werden die Zähne des Joches 3 entsprechend der Fig. 7B magnetisiert, wodurch der Rotor mit dem Magneten 6 und der Welle 5 im Uhrzeigersinn um 45 Grad dreht, wie dies die Fig. 7B zeigt. Während der Dauer (2) nach Fig. 8 werden die Zähne des Joches 3 magnetisiert entsprechend der Fig. 7C, wodurch der Rotor im Uhrzeigersinn um weitere 90 Grad sich dreht. Während der Impulsdauer (3) nach Fig. 8 wird das Joch 3 entsprechend der Fig. 7D magnetisiert, so daß der Rotor im Uhrzeigersinn um weitere 90' Grad sich dreht.

Dies bedeutet also, daß der Rotor sich jeweils um 90 Grad dreht, wenn die Stromrichtung in der Spule la oder Ib

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wechselt mit Ausnahme des Anlaufs während der Impulsdauer (1) nach Fig. 8, wenn den Spulen la und Ib ein zweiphasiger impulsförmiger Wechselstrom zugeführt wird, bei welchem die Phasen um 90 Grad verschoben sind, wie dies die Fig. 8 zeigt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 weist das Joch 3 acht Zähne für jede Phase auf, d.h. sechzehn Zähne für beide Phasen. Der Drehwinkel bei jedem Stromwechsel beträgt demnach 22,5 Grad (= 360 / 16). Dementsprechend weist der Rotor nach Fig. 6 acht Magnetpole auf, wobei die Nordpole und die Südpole entsprechend der Fig. 9 abwechselnd angeordnet sind.

Nachfolgend werden die Eigenschaften des Motors beschrieben, wenn sich die Temperatur ändert.

Die Welle 5 des Motors besteht aus Stahl oder einer Stahllegierung, deren magnetischer Widerstand bzw. Reluktanz mit wachsender Temperatur der Welle 5 ansteigt, d.h. der Magnetfluß durch die Welle 5 nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Vorzugsweise besteht die Legierung aus einer Fe-Ni-Co-Legierung, wie sie beispielsweise von der Firma Sumitomo Tokushu Kinzoku Co.Ltd. in Tokio/Japan unter der Bezeichnung MS-I, MS-2 und MS-3 hergestellt wird. Die Legierung MS-2 weist einen Temperaturkoeffizienten der Magnetflußdichte von -0,8 %/°C.

Die Verteilung des Magnetflusses im Motor der Fig. 1 wird anhand der Fig. 2 und 3 nachfolgend erläutert.

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Es sei vorausgesetzt, daß der Permanentmagnet aus Ferrit einen Fluß 0 erzeugt. Ein Teil 0, des Gesamtflusses 0 tritt nach außen aus dem Rotor aus und ergibt in Verbindung mit der Statorspule 1 das Drehmoment des Motors. Ein anderer Teil 0₂ des Gesamtflusses 0 schließt sich über die Welle 5 des Rotors kurz. Der Gesamtfluß genügt also folgender Formel:

0 = P₁ + 0₂

Ist die Temperatur des Rotors gering, dann ist die Flußdichte, wie sie vom Permanentmagneten erzeugt wird, groß, d.h. der Wert des Gesamtflusses 0 ist groß. Diese Verhältnisse sind in Fig. 2 gezeigt.

Steigt jedoch die Temperatur des Magneten 6 an, dann erzeugt der Permanentmagnet 6 einen geringeren Fluß und der Wert des Gesamtflusses 0 wird dadurch geringer wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Hierbei ist zu bemerken, daß die Welle 5 und der Magnet 6 fest miteinander verbunden sind, so daß der Magnet 6 und die Welle 5 im wesentlichen die gleiche Temperatur aufweisen. Infolge des höheren magnetischen Widerstandes der Welle 5 bei höherer Temperatur nimmt der Fluß 0₂ durch die Welle 5 ab. Hierbei ist der Motor so auszulegen, daß die Abnahme des Flusses 0₂ durch die Welle 5 im wesentlichen gleich ist mit der Abnahme des Gesamtflusses 0 bei erhöhter Temperatur, so daß unabhängig von der Temperatur der Fluß 0-, im wesentlichen gleichbleibt, was bedeutet, daß das vom Motor erzeugte Drehmoment trotz einer Änderung der Temperatur und trotz einer Änderung des Gesamtflusses 0 sich nicht ändert.

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Auf diese Weise werden Temperaturänderungen in bezug auf das Drehmoment völlig kompensiert.

Die Fig. 4 zeigt einen weiteren Querschnitt eines Rotors gemäß der Erfindung, bei welchem die Welle aus einer inneren Stahlwelle 5a be'steht, welche von einer zylindrischen Hohlwelle 5b umgeben ist. Der aus Ferrit bestehende Permanentmagnet ist mit 6 bezeichnet. Die innere aus Stahl bestehende Welle 5a weist unabhängig von Temperaturänderungen konstante magnetische Eigenschaften auf. Die Hohlwelle 7 dagegen, welche die Welle 5a umgibt, besteht aus einer Legierung, welche bei höheren Temperaturen den Magnetfluß vermindert. Der Fluß 0,, der in Verbindung steht mit der Spule 1 kann dadurch unabhängig von Temperaturänderungen konstant gehalten werden. Die Abnahme und/oder Zunahme des Flusses durch die Hohlwelle 7 kompensiert also eine Veränderung des Gesamtflusses 0 des Permanentmagneten mit der Temperatur. Durch Wahl des Verhältnisses des Radiuses r, der Welle 5a zum Radius r« der Hohlwelle 7 können die Eigenschaften des Motors entsprechend ausgelegt werden. Dieses Verhältnis r₂/^rl ^^st so gewählt, daß der äußere Fluß 0,, der in Verbindung steht mit der Spule 1 unabhängig von Temperaturänderungen konstant bleibt.

Das Wesen der Erfindung besteht also darin, daß die Welle des Motors oder mindestens ein Teil der Welle aus einem Stahl oder einer Stahllegierung besteht, bei welcher der Fluß mit höherer Temperatur abnimmt. Obwohl der Fluß, den der aus einem Ferritmaterial bestehende Permanentmagnet erzeugt, mit höherer Temperatur abnimmt, wird diese Abnahme des Gesamtflusses kompensiert durch eine

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Abnahme des durch die Welle gehenden Magnetflusses, so daß der äußere Magnetfluß 0,, welcher in Verbindung steht mit der Statorspule, sich nicht verändert, so daß das Drehmoment des Motors unabhängig von Temperaturänderungen konstant bleibt.

Auf diese Weise ergibt sich ein kleiner Schrittschaltmotor, welcher sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen ein relativ großes und konstantes Drehmoment erzeugt.

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L e e r s e 11 e

Claims

1. ^Schrittschaltmotor mit einem Stator, der mindestens —^ein Joch aufweist, das eine Magnetstrecke bildet und auf dem eine Spule aufgewickelt ist, sowie mit einem drehbar im Stator angeordneten Rotor, der mindestens eine im Stator drehbar gelagerte Welle aufweist, die einen zylindrischen aus Ferrit bestehenden Permanentmagneten trägt, der in bezug auf die Welle symmetrisch ausgebildet ist, wobei der vom Permanentmagneten erzeugte Magnetfluß durch das Joch hindurchfließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle aus einem Material besteht, bei dem der magnetische Widerstand mit wachsender Temperatur anwächst und das Joch aus einem Stahl besteht, dessen magnetischer Widerstand unabhängig von Temperaturänderungen konstant ist.

2. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle aus einem inneren zylindrischen Wellenteil und einem hohlzylindrischen äußeren Wellenteil besteht, wobei der innere Wellenteil aus einem Material hergestellt ist, dessen magnetischer Widerstand sich mit der Temperatur

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nicht ändert, während das äußere Wellenteil aus einem Material hergestellt ist, dessen magnetischer Widerstand mit sich erhöhender Temperatur anwächst.