DE3128220C2

DE3128220C2 - Elektrischer Schrittmotor mit einem aus dauermagnetischem Material bestehenden Rotor

Info

Publication number: DE3128220C2
Application number: DE19813128220
Authority: DE
Inventors: Hartger Dipl.-Ing. Peterseil (FH), 8000 München
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-16
Filing date: 1981-07-16
Publication date: 1985-06-20
Also published as: DE3128220A1

Abstract

Beschrieben wird ein elektrischer Schrittmotor mit einem aus dauermagnetischem Werkstoff bestehenden, Polpaare aufweisenden Rotor und einer konzentrisch zum Rotor angeordneten Erregerspule, deren axialer Freiraum kleinsten Querschnitts an einer Stirnseite eine trichterähnliche Erweiterung aufweist, in der sich kammartig ineinandergreifende, aus Lappen des stationären Eisenkreises gebildete, über den weichmagnetischen Spulenkern und Spulenmantel magnetisch miteinander verbundene Statorpaare befinden, in der weiter der Rotor nahezu vollständig von der Erregerwicklung gefaßt ist und daß der Rotor auf der den Statorpolpaaren zugekehrten Seite vorzugsweise zu einer Zone eines Rota tionsellipsoids ausgebildet ist und die den Rotorpolpaaren gegenüberliegenden, die Statorpolpaare bildenden Lappen, in einer zur Mantelfläche des Rotors parallel verlaufenden Fläche der betreffenden Stirnseite der Erregerspule abgebogen sind. Durch die beschriebene Anordnung werden eine überaus günstige Ansprechempfindlichkeit bei minimalem Einsatz von Material unter optimaler Ausnutzung des Bauvolumens und somit kleinste Gesamtbaugröße des Schrittmotors erreicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen

ίο Schrittmotor mit einem aus dauermagnetischem Material bestehenden Rotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein durch die DE OS 22 23 153 bekannter Schrittmotor dieser Art besitzt einen Rotor, der auf der den Statoipolpaaren zugekehrten Seite kegelstumpfförmig ausgebildet ist und die den Rotorpolpaaren gegenüberliegenden, die Statorpolpaare bildenden Lappen in einer zur Mantelfläche des durch den Rotor gebildeten Kegelstumpfes parallel verlaufenden Fläche der betreffenden Stirnfläche der Erregerspule abgebogen sind.

Die Ausbildung des Rotors und dessen Anordnung in der Erregerspule ist bei der bekannten Konstruktion jedoch nicht optimal, so ist z. B. der Rotorwerkstoff für die Polflächenbildung nicht voll nutzbar und der Wikkelraum bei vorhandener Baugröße weist nicht die größtmögliche Gestaltung auf.

Aufgaoe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schrittmotor der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, daß der vorhandene Raum sowie das eingesetzte Magnetmaterial optimal genutzt werden kann und daß eine möglichst gute Kopplung allerden Magnetfluß führenden Teile realisierbar ist, so daß der Nutzfluß möglichst groß wird und somit der Schrittmotor einen guten Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1,2 oder 3 gelöst.

Betrachtet man die Anordnung der Statorlappen ohne Rotor und die beim Stromfluß durch die Erregerspule auftretende Magnetflußverteilung an den Statorlappen, so erkennt man, daß nur eine Seite der Statorpolflächen, nämlich die dem Rotor zugekehrte, den magnetischen Nutzfluß ergibt. Der Magnetfluß an den Stirnseiten und an der dem Rotor abgewandten Seite der Statorlappen bildet den magnetischen Streufluß und geht so für den Antrieb verloren. Durch Reduzieren der Statorlappendicke auf ein für die magnetische Leitung erforderliches Mindestmaß kann der magnetische Streufluß an den Stirnseiten der Statorlappen klein gehalten werden. Die Verkleinerung des magnetischen Streuflusses an der dem Rotor abgewandten Seite der Statorlappen ist nur über eine Abstandsvergrößerung der betreffenden Statorlappenflächen zueinander erreichbar, was sich bei einer zylinderförmigen Anordnung der Statorlappen bestmöglichst realisieren läßt, wodurch jedoch zugleich eine unerwünschte größere Beanspruchung des axialen Freiraums durch den Rotor auftritt und zudem der Übergang vom kleinen zum großen Querschnitt des axialen Freiraums einen größeren Bereich des achsnahen Wickelraums belegt.

Durch die rotationselliptische Ausbildung des Rotors werden die Eigenschaften eines kegelstumpfförmigen mit den eines zylinderförmigen Rotors vereinigt, mit dem Vorteil, daß die Statorlappen gegenüber denen eines rein kegelstumpfförmigen Rotors durch die Konkavkrümmung an Länge und somit an den magnetischen Widerstand mindernden Fläche gewinnen, ohne daß dabei die Durchmesser des Rotors an seinen Planflächen eine Vergrößerung erfahren. Zugleich ist der

Übergang vom kleinen zum großen Querschnitt des axialen Freiraums der Erregerspule raumsparend ausbildbar, was den Wickelraum so gestalten läßt, daß viele achsnahe Windungen kleinsten Umfangs aufgebracht werden können, damit der elektrische Widerstand pro Windung möglichst gering ausfällt

Bei dieser Rotor-Stator-Ausbildung tritt somit ein größerer magnetischer Nutzfluß an den Siatorlappen infolge der von den Statorlappen gebildeten trichterähnlichen Rotormulde und der damit durch die Konkavkrümmung der Statorlappen verbundenen größtmöglichen gegenseitigen Annäherung der dem Rotor zugekehrten Statorpolflächen auf, wobei zusätzlich infolge der Statorlappenkrümmung der aus den rückseitigen Statorlappen ein- und austretende Streufluß gemindert wird.

'Jm eine weitere Annäherung der wirksamen Polflächen der Statorlappen zueinander zu erreichen, sind die Statorlappen nicht entlang der FaUinie der Rotormulde, sondern mit ca. 30° hierzu gewunden verlaufend angeordnet, was zusammen mit der Konkavkrümmung, hervorgerufen durch die rotationselliptische Ausbildung, insgesamt eine Annäherung der wirksamen, dem Rotor zugekehrten Statorflächen ergibt und somit weiter den magnetischen Nutzfluß, ausgehend von der Erregerwicklung, steigert. Da der Magnetfluß quadratisch im Verhältnis zur Abstandsminderung der Polflächen anwächst, haben bereits geringe Abstandsverkleinerungen deutliche Nutzflußsteigerung zur Folge.

Zur Drehrichtungsbestimmung des Rotors sind die Statorlappen zur Mantelfläche des Rotors leicht geschrägt und an ihren Enden zusätzlich entsprechend abgeschrägt. Das Schrägen der Statorlappen kann aber die Ansprechempfindlichkeit des Schrittmotors herabsetzen, vor allem dann, wenn die Statorlappen relativ kurz sind und die Schrägung entsprechend groß sein müßte, um eine eindeutige Drehrichtung des Rotors zu bewirken. Auf starke Schrägung der Statorlappen kann bei einer rotationselliptisch ausgebildeten Rotormulde verzichtet werden, da die Statorlappen für eindeutige Drehrichtungsbestimmung des Rotors ausreichende Länge aufweisen.

Für einen Rotor mit guten Eigenschaften, wie zuvor beschrieben, eignen sich außer der rotationseüiptischen Gestaltung annähernd gleiche Körperformen, wie Kugelzonen-, Halbkugel- oder Kegelstumpfform mit abgestufter Kegelmantelfläche.

Als Werkstoff für den Rotor eignet sich am besten ein kunststoffgebundener Dauermagnetwerkstoff isotropen Charakters, der ähnlich wie ein Kunststoffwerkstoff im Spritz-Gieß-Verfahren zu beliebiger Form billig verarbeitet werden kann.

Zur besseren Fixierung der relativ biegeen.pfindlichen Statorlappen im Spulenkörper werden die Statorlappen in konturengleichen Vertiefungen des Spulenkörpers geführt.

Zum besseren Bewickeln des Spulenkörper mit Kupferdraht im achsnahen Bereich ist die Konusfläche der Spulennabe mit Stufen versehen, die ein Hochsteigen der Drahtwindungen verhindern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch den Schrittmotor mit einem als Zone eines Rotationsellipsoids gestalteten Rotor,

F i g. 2 eine stirnseitige Ansicht des Schrittmotors ohne Rotor mit Darstellung der gewunden verlaufenden Fig.3 einen halbkugelförmigen Rotor in Seitenansicht,

Fig.4 einen gestuften kegelstiimpfförmig ausgebildeten Rotor in Seitenansicht

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Schrittmotor ist die zylindrische Erregerspule 1 auf einen Spulenkörper 2 aufgewickelt, der in seinem axialen Freiraum kleinen Querschnitts aus ferromagnetischem Material bestehenden Innenstator 5 sowie einer Lagerhülse 3 für die

ίο Rotorachse 4 trägt An einer Stirnseite ist der axiale Freiraum des Spulenkörpers 2 trichterähnlich geweitet, in dem die Lappen der Statorpolpaare 5a, 6a die Oberfläche einer Zone eines Rotationsellipsoids bilden, wobei die Rotationsachse des Ellipsoids zugleich die Spulenachse darstellt

Ein vorwiegend aus kunststoffgebundenem dauermagnetischem Werkstoff isotropen Charakters bestehender Rotor 7 sitzt auf der Rotorachse 4 und besitzt ebenfalls die Form einer Zone eines Rotationsellipsoids und weist 4 gleichmäßig an der Mantelfläche angeordnete Polpaare auf, denen eine gleiche Anzahl von Statorpolpaaren gegenüberstehen. Eine über dem Spulenkörper 2 aufgeschobene ferromagnetische GehSusekappe 8 verbindet magnetisch den Innenstator 5 mit dem Außenstator 6 und leitet den magnetischen Rückfluß. Die offene Seite der ferromagnetischen Gehäusekappe 8 verschließt ein aus nicht magnetischem Material bestehender Koppelflansch 9, der in einer zentrischen Bohrung die Rotorwelle 8 lagert.

Die Fortschaltung des Rotors 7 erfolgt durch Erregung der Erregerspule 1 mit Stromimpulsen, wobei zur Durchführung von Schaltschritten Stromimpulse unterschiedlicher Stromrichtung benötigt werden. Eine deffinierte Anlaufrichtung des Rotors 7 wird mit einer leichten Schrägstellung der Lappen der Statorpolpaare 5a, 6a erzielt; die exakte Lagefixierung einschließlich der Schrägstellung der Lappen der Statorpolpaare 5a, 6a wird durch Ausbildung konturengleicher Nester in der trichterähnlichen Erweiterung 11 des Spulenkörpers 2 erreicht, in denen die Statorlappen 5a, 6a geführt sind.

Anstelle eines Rotors 7 mit rotationselliptischer Gestalt kann auch ein halbkugelförmiger Rotor, wie in F i g. 3 dargestellt, verwendet werden. Weiter ist ein Rotor denkbar, der aus mindestens zwei Kegelstumpfen unterschiedlicher Konizität zusammengesetzt ist, wie in F i g. 4 gezeigt. Diese Rotortypen stellen eine Gestalt dar, die der rotationselliptischen Ausbildung ähnlich ist, wobei die Ausbildung der Lappen der Statorpolpaare 5a, 6a jeweils der Rotormantelfläche angeglichen ist.

Das Anbringen der Erregerwicklung 1 wird durch eine stufenweise Ausbildung der konischen Spulennabe 10 erleichtert, so daß die einzelnen Drahtwindungen in diesem Bereich sich nicht während des Wickeins unzulässig verschieben können.

Wie F i g. 2 darstellt, können die Lappen der Statorpolpaare 5a, 6a von der Fallinie der trichterahnlichen Erweiterung 11 mit einem Winkel abweichend angeordnet sein, was zugleich eine entsprechende Magnetisierung des Rotors 7 nach sich zieht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Schrittmotor mit einem aus dauermagnetischem Material bestehenden, Polpaare aufweisenden Rotor und einer konzentrisch zum Rotor angeordneten Erregerspule, deren axialer Freiraum kleinsten Querschnitts an einer Stirnseite eine trichterähnliche Erweiterung aufweist, in der kammartig ineinandergreifende, aus Lappen des stationären Eisenkreises gebildete, über den weichmagnetischen Spulenkern und den Spulenmantel magnetisch miteinander verbundene Statorpolpaare angeordnet sind, wobei der Rotor einen der Gestalt der trichterähnlichen Erweiterung angepaßten und zugeordneten Abschnitt aufweist, und an seinei den Statorpolpaaren zugekehrten Seite eine gleiche Anzahl von Rotorpolpaaren aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) nahezu vollständig yon der Erregerwicklung (1) umschlossen ist und auf der den Statorpolpaaren (5a, 6a) zugekehrten Seite als Rotationsellipsoid ausgebildet ist

2. Elektrischer Schrittmotor mit einem aus dauermagnetischem Material bestehenden Polpaare aufweisenden Rotor und einer konzentrisch zum Rotor angeordneten Erregerspule, deren axialer Freiraum kleinsten Querschnitts an einer Stirnseite eine trichterähnliche Erweiterung aufweist, in der kammartig ineinandergreifende, aus Lappen des stationären Eisenkreises gebildete, über den weichmagnetischen Spulenkern und den Spulenmantel magnetisch miteinander verbundene Statorpolpaare angeordnet sind, wobei der Rotor einen der Gestalt der trichterähnlichen Erweiterung angepaßten und zugeordneten Abschnitt aufweist, und an seiner den Statorpolpaaren zugekehrten Seite eine gleiche Anzahl von Rotorpolpaaren aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) nahezu vollständig von der Erregerwicklung (1) umschlossen ist und tuf der den Statorpolpaaren (5a, 6a) zugekehrten Seite halbkugelförmig ausgebildet ist.

3. Elektrischer Schrittmotor mit einem aus dauermagnetischem Material bestehenden, Polpaare aufweisenden Rotor und einer konzentrisch zum Rotor angeordneten Erregerspule, deren axialer Freiraum kleinsten Querschnitts an einer Stirnseite eine trichterähnliche Erweiterung aufweist, in der kammartig ineinandergreifende, aus Lappen des stationären Eisenkreises gebildete, über den weichmagnetischen Spulenkern und den Spulenmantel magnetisch miteinander verbundene Statorpolpaare angeordnet sind, wobei der Rotor einen der Gestalt der trichterähnlichen Erweiterung angepaßten und zugeordneten Abschnitt aufweist, und an seiner den Statorpolpaaren zugekehrten Seite eine gleiche Anzahl von Rotorpolpaaren aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) nahezu vollständig von der Erregerwicklung (1) umschlossen ist und auf der den Statorpolpaaren (5a, 6a) zugekehrten Seite aus mindestens zwei Kegelstümpfen unterschiedlicher Konizität ausgebildet ist.

4. Elektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehrichtungsbestimmung des Rotors (1) die Lappen der Statorpolpaare (5a, 6a^zur Mantelfläche des Rotors (1) leicht geschrägt und an ihren Enden zusätzlich entsprechend abgeschrägt sind. $

5. Elektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lappen der Statorpolpaare (5a, 6a) von der Fallinie der trichterähnlichen Erweiterung (11) mit einem Winkkel abweichend angeordnet sind.