DE3249217C2

DE3249217C2 - Elektrischer Schrittmotor

Info

Publication number: DE3249217C2
Application number: DE19823249217
Authority: DE
Inventors: Claude Oudet
Original assignee: Portescap SA
Current assignee: Portescap SA
Priority date: 1981-12-04
Filing date: 1982-12-03
Publication date: 1986-02-13
Also published as: JPS58502081A; CH653493A5; US4518883A; FR2517897A1; GB2123618A; US4629916A; DE3249217T1; WO1983002042A1; GB8320666D0; GB2123618B; FR2517897B1

Description

des magnetisierten Drehteiles, ζ. Β. des Rotors, aufweisen, jede Gruppe ist magnetisch voneinander entkoppelt und weist jeweils eigene Jochstücke auf, so daß das in den magnetischen Kreisen der beiden Gruppen erzeugte magnetische Feld im wesentlichen in Raumbereichen herrscht, die sich jeweils oberhalb der magnetischen Pole auf jeder Fläche des magnetisierten Drehteils erstrecken, demnach im wesentlichen in den Luftspalten zwischen den Polstücken der Statorkreise.

Die magnetischen Verluste dieses Schrittmotors sind sehr gering, die magnetischen Kreise der einzelnen Gruppe sind praktisch voneinander entkoppelt. Das magnetische Feld schließt sich in jedem Statorkreis über die erwähnten Jochstücke, d. h. in Ebenen parallel zu derjenigen des magnetisierten Drehteils bzw. Rotors. Bei dem elektrischen Schrittmotor gemäß der Erfindung sind die magnetischen Kreise sehr kurz und weisen nur eine minimale Eisenmasse auf, so daß die Energieverluste beim Betrieb des Motors reduziert werden können. Das Motorgewicht und der Raumbedarf, insbesondere in radialer Ausdehnung, kann reduziert werden.

Durch die Anordnung von zwei Gruppen von Polstücken in jedem magnetischen Statorkreis wird auch das Restdrehmoment auf den Rotor stark reduziert. Negative Einflüsse von Magnetisierungsfehlern des Rotors können durch bestimmte winkelmäßige Anordnungen der Polstücke der einzelnen Statorkreise kompensiert werden.

Das magnetisierte Drehteil kann im wesentlichen die Form einer dünnen ringförmigen Scheibe aufweisen, die in Axialrichtung des Motors magnetisiert ist wobei die Statorpolstücke wenigstens in demjenigen Raumbereich angeordnet sind, der sich oberhalb der ringförmigen magnetisierten Zone einer der Scheibenoberflächen erstreckt.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Polstücke eines jeden Statorkreises paarweise angeordnet, wobei die Polstücke eines jeden Paares axiale Syrnrnetrieebenen aufweisen, die zusammenfallen bzw. verschoben sind zueinander um einen Winkel von höchstens πΙΖΝ, wobei sich zwei Enden der Polstücke eines jeden Paares derart gegenüberliegen, daß sie einen Spalt bilden, in dem das magnetisierte Teil angeordnet ist, wobei diejenigen Enden, die den den Spalt bildenden Enden gegenüberliegen, miteinander durch entsprechende Jochstücke verbunden sind, wobei Spulen um jede entsprechende Einheit von Polstücken einer gleichen auf der gleichen Seite der magnetisierten Scheibe angeordneten Gruppe herum angeordnet sind.

Die entsprechenden axialen Symmetrieebenen der Polstücke eines jeden Paares können insbesondere zueinander um einen Winkel von πΙΑΝ oder itl5IN verschoben sein. Andererseits können die axialen Symmetrieebenen der Polstücke einer jeden Gruppe derart angeordnet sein, daß die axialen Symmetrieebenen wenigstens zweier aufeinanderfolgender Polstücke, in Umfangsrichtung des Motors, zwischen sich einen Winkel von (2.t±.t/4)//V, (Z.t±.t/5)/N oder von (2χ±π/3)/Ν einschließen. Außerdem können die entsprechenden axialen Symmetrieebenen eines Polstücks der ersten Gruppe und eines Polstücks der zweiten Gruppe, das auf der gleichen Seite des magnetisierten Teils angeordnet ist, zwischen sich einen Winkel von [(2r+ \)sr±irl 4]/N einschließen. Bei einem erfindungsgemäßen Zweiphasenmotor wechseln vorteilhafterweise die ersten und zweiten Gruppen der Polstücke des oder der magnetischen Statorkreise, die mit einer ersten Motorphase verbunden sind, mit entSDrechenderi ersten und zweiten Gruppen der PolstUcke des oder der Kreise ab, die mit der anderen Phase des Motors verbunden sind. Der erfindungsgemäße Motor weist vorteilhafterweise wenigstens einen magnetischen Meßwertgeber auf, der so s ausgelegt ist, daß er von den magnetischen Polen des magnetisierten Teils beeinflußt werden kann und der zwischen den ersten und zweiten Gruppen der Polstükke eines magnetischen zugehörigen Statorkreises angeordnet ist, wobei der Meßwertgeber vorzugsweise eine

ίο Fühlerspule und zwei Teile oder Einheiten von magnetischen Fühlerkreisen aufweist, die mit dieser Spule gekoppelt sind, während diese beiden magnetischen Kreise jeweils einen Spalt aufweisen, in dem das magnetisierte Drehteil eingreift, wobei jeder eine Symmetrieebene aufweist parallel zur Rotationsachse des Motors, wobei die Symmetrieebenen zwischen sich einen spitzen Winkel bilden, der zur Rotationsachse hin offen ist und die Mittelpunkte der Spalte der beiden magnetischen Fühlerkreise einen Winkelabstand aufweisen, der bezüglich der Rotationsachse wenigstens annäherungsweise durch die Beziehung (2π±πΙ'3)ΙΝ definiert ist

Weitere Besonderheiten der Erfindung sowie ihre Eigenschaften und durch sie erzielbare Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele des Motors hervor, die beispielhaft angegeben und in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bedeutet
F i g. 1 eine teilweise Draufsicht des unteren Stator-

teils eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Motors;

F i g. 2 einen Axialschnitt des in F i g. 1 teilweise dargestellten Motors entlang der strichpunktierten Linie A-B-C-D-E-F;

F i g. 3 eine teilweise Draufsicht auf den Rotor und einen Statorteil zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines Meßwertgebers in einem Motor gemäß den Fig. 1 und 2;
F i g. 4 eine Seitenansicht eines magnetischen Kreises des Meßwertgebers von F i g. 3 und

Fig.5 einen teilweisen Axialschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels des in F i g. 1 gezeigten Motors.

Die F i g. 1 und 2 zeigen einen Schrittmotor, dessen Drehteil 1 eine ringförmige Scheibe 2 aus einem harten magnetischen Material aufweist sowie einen Halteflansch 3 aufweist aus einem nicht magnetischen Material, z. B. aus einer leichten Legierung oder einem Kunststoff. Das Drehteil 1 ist an der Achse des Motors 4 befestigt wobei diese Achse von zwei mit dem Gehäuse 7,8 des Motors fest verbundenen Lagern 5,6 getragen wird. Die Scheibe 2 ist axial derart magnetisiert, daß sie auf jeder Seite 2N magnetische Pole abwechselnder Polarität aufweist die regelmäßig entlang der freien ringförmigen Zone der Scheibe verteilt sind, wobei N eine natürliche Zahl ist die z. B. im Fall des Motors der Fig. 1 gleich 50 ist

Der Stator des Motors gemäß den F i g. 1 und 2 weist vier magnetische Statorkreise derselben Form auf, wobei der untere Teil eines einzigen Kreises 9 in F i g. 1 vollständig dargestellt ist und diese Figur außerdem die Hälfte des unteren Teils eines benachbarten Kreises 10 zeigt

Jeder Statorkreis weist mehrere Paare an Polstücken auf, wie z. B. das Paar 116, 126 in F i g. 2, die aus Plättchen aus magnetisch permeablem Material bestehen oder aus einem Zusammenbau von Blechlamellen. Die Polstücke weisen eine axiale Symmetrieebene auf, die durch das Bezugszeichen 100 für das Polstück 116 be-

zeichnet ist, während die freien Enden 13,14 eines Paares von Polstücken, wie z. B. 116,126 einen engen Spalt bilden, in dem sich die magnetisierte Scheibe 2 dreht. Im allgemeinen bilden mehrere Paare von Polstücken, im gewählten Beispiel 4, eine Gruppe von Polstücken, wobei die Polstücke diesseits und jenseits der magnetisierten Scheibe durch entsprechende elektrische Spulen, wie z. B. 152, 162, miteinander gekoppelt sind. Diese Spulen werden jeweils von einem Gestell, wie z. B. 172, 182, getragen, die im übrigen eine Halterung für die zugehörigen Polstücke bilden.

Jeder Statorkreis weist demzufolge eine erste und eine zweite Gruppe von Polstücken auf, wie z. B. die Gruppen 91 und 92 in F i g. 1, in der die entsprechenden unteren Polstücke der Gruppen 111, 112, 113,114 und 115, 116, 117, 118 sichtbar sind. Auf jeder Seite der magnetisierten Scheibe sind diejenigen Enden der PoI-stücke, die denjenigen Enden gegenüberliegen, welche den Spalt bilden, das heißt, die in F i g. 2 sichtbaren Enden 19,20 sind untereinander durch ein entsprechendes jochteil aus einem magnetisch permeablen Material verbunden, z. B. durch die Jochteile 21,22.

Bei dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel des Motors weist jeder Statorkreis 9,10... getrennte Joche auf, die sich zwischen den äußeren Polstücken der Gesamtheit der beiden Gruppen eines jeden Kreises erstrecken, d. h. den Polstücken 111 und 118 für den Kreis 9. Die verschiedenen Jochteile sind am Gehäuse 7, 8 des Motors mittels entsprechenden Befestigungsteilen, wie z. B. 23,24, angeordnet, wobei die Gestelle der Spulen durch herkömmliche Mittel an den entsprechenden Jochteilen befestigt sind. F i g. 1 zeigt ebenfalls das Gestell 171 der unteren Spule 151 der Gruppe 91.

Eine Konstruktionsvariante unter Verwendung von mechanisch durchgehenden Jochteilen besteht darin, zwischen den einzelnen Kreisen sättigbare Isthmen derart vorzusehen, daß die Kreise in magnetischer Hinsicht praktisch getrennt sind.

Die axialen Symmetrieebenen der Paare von Polstükken einer Gruppe bilden zwischen sich einen Winkel von wenigstens annäherungsweise gleich 2ksrlN, mit k als natürlicher Zahl, die vorzugsweise gleich 1 ist, entsprechend der Periodizität der gleichnamigen Pole auf den Flächen der magnetisierten Scheibe des Drehteils. Die entsprechenden axialen Symmetrieebenen eines Polstücks der ersten Gruppe von Polstücken und eines Polstücks der zweiten Gruppe desselben Kreises bilden zwischen sich einen Winkel von wenigstens annäherungsweise gleich (2γ+ 1WN, mit r als natürlicher Zahl; entsprechend einer Winkelverschiebung derart, daß z. B. die Polstücke der ersten Gruppe 91 und die Polstücke der zweiten Gruppe 92 mit entsprechenden ungleichnamigen Polen der magnetisierten Scheibe zusammenwirken und dies für jede Seite der Scheibe. Im Fall der Fi g. 1 nimmt r die Werte von 1 bis 4 an, entsprechend den betrachteten Polstücken einer jeden Gruppe.

In jedem magnetischen Statorkreis werden die Spulen derart erregt, daß das erzeugte magnetische Feld in Axialrichtung des Motors entgegengesetzte Richtung in den beiden Gruppen von Polstückpaaren aufweist Das heißt, daß bei der Draufsicht des unteren Statorteils in F i g. 1, z. B. die Pole N und S auf den mit 13 bezeichneten Seiten der Polstücke des Kreises 9 als erregt anzunehmen sind. Das magnetische Feld schließt sich in jedem Statorkreis durch die zwei Jochstücke, d. h. in Ebenen parallel zu derjenigen der magnetisierten Scheibe.

Das Feld herrscht im wesentlichen in den beiden ringförmigen zylindrischen Abstandsstücken, deren Basis das magnetisierte Teil 2 ist und die beidseits von ihm angeordnet sind.

Die gewählte Ausführung führt also zu magnetischen Kreisen mit minimaler Länge und minimaler Eisenmasse. Daraus folgt, daß die macnetischen Energieverluste durch Hysterese und Foucault'sche Ströme erheblich verringert sind, ebenso wie das Motorgewicht und sein Raumbedarf insbesondere in radialer Ausdehnung. Es sei ebenfalls betont, daß die gewählte Struktur eine volle Ausnutzung des Vorteils einer magnetischen Orientierung der Polstücke eines magnetischen Kreises ermöglicht

Die beschriebene Anordnung ermöglicht weiterhin eine leichte Realisierung der Kompensation eventueller Magnetisierungsfehler durch die z. B. auf derselben Seite der magnetisierten Scheibe eine Reihe von Polen über andere vorherrscht

Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Motor ist ein Zweiphasenmotor, bei dem die magnetischen Statorkreise, die mit einer Phase verbunden sind, derart angeordnet sind, daß sie mit den magnetischen, mit der anderen Phase des Motors verbundenen Kreise abwechseln; beim Ausführungsbeispiel weist jede Phase zwei sich diametral gegenüberliegende Statorkreise auf.

Beim vorliegenden Motor ist das restliche Drehmoment, d. h. das Drehmoment, das auf den Rotor in Abwesenheit von elektrischen Strömen in den Spulen einwirkt, aufgrund der Einwirkung der magnetischen Pole der magnetisierten Scheibe auf die Polstücke des Stators, stark reduziert Seine hauptsächliche Komponente ist nämlich durch die Anordnung von zwei Gruppen von Polstücken in jedem magnetischen Statorkreis kompensiert Die Auswirkungen der zweiten Harmonischen sind durch die Zweiphasenanordnung kompensiert

Ferner kann eine Kompensierung der Komponenten aufgrund der vierten Harmonischen des restlichen Drehmomentes auf unterschiedliche Arten erhalten werden, insbesondere

— innerhalb einer jeden Gruppe von Polstücken durch eine Verschiebung der entsprechenden axialen Symmetrieebenen der Polstücke von Untergruppen, die aus zwei in Umfangsrichtung des Motors aufeinanderfolgenden Polstücken bestehen; diese Verschiebung ist derart daß die axialen Symmetrieebenen von diesen aufeinanderfolgenden Polstücken zwischen sich einen Winkel von (2Λ·±Λ·/4)/7ν" bilden; im Falle, in dem jede Gruppe eine gerade Anzahl von Poistücken in Umfangsrichtung aufweist, bilden alle aufeinanderfolgenden axialen Symmetrieebenen der Polstücke der Gruppe zwischen sich diese Winkel von (2λτ± λγ/4)/Ν;

— im Bereich eines jeden Statorkreises durch Verschiebung zweier ihn bildender Gruppen von Polstücken. Diese Verschiebung von zwei Gruppen, deren jede insgesamt betrachtet wird, zueinander resultiert darin, daß die entsprechenden axialen Symmetrieebenen eines Polstücks der ersten Gruppe, wie z.B. 111 und eines Polstücks der zweiten Gruppe, das auf der gleichen Seite des magnetisierten Teils angeordnet ist, wie z. B. 115, zwischen sich einen Winkel von [(2r

Eine derartige Kompensation benachteiligt allerdings die Kompensation der Auswirkung der hauptsächlichen Komponente, wozu ein genauer Winkel von (2r+ \)πΙΝ

32 49 217

9 10

erforderlich wäre; den F i g. 1 und 2 dargestellte Motor mit magnetischen

:'_f; Meßwertgebern versehen, wie sie ζ. B. in F i g. 1 punk-

^:l — bezüglich der beiden Motorhälften im Fall, in dem tiert dargestellt sind und die aus einem Magnetkreis 25

U dieser zwei Paare von Polstücken, wie das Paar 116, und einer Fühlerspule 26 bestehen, die mit diesem Kreis

>. 126 der F i g. 2, aufweist; die Polstücke diesseits und 5 gekoppelt ist Der magnetische Kreis 25 kann in axialer

^;:i jenseits der Ebene der magnetisieren Scheibe kön- Ebene eine herkömmliche C-Form aufweisen und einen

ι ν nen derart angesehen werden, als wenn sie Halb- Spalt bilden, der derart angeordnet ist, daß er mit der

·■:' Statoren bilden würden; man erhält dann die ge- magnetischen Zone der Scheibe 2 zusammenwirkt, wo-

■^:', wünschte Kompensation der Komponenten der bei die Polstücke des Kreises diesseits und jenseits der

.-j vierten Harmonischen durch Verschiebung der bei- 10 Scheibe angeordnet sind.

i| den Halbstatoren, d. h. mit anderen Worten, der Der Kreis 25 und die Spule 26 bilden demzufolge

|| entsprechenden axialen Symmetrieebenen der Pol- einen magnetischen Meßwertgeber, in dem Signale

ψ stücke eines jeden Paares zueinander um einen durch Induktion beim Vorbeigang der magnetischen

Winke! von ±,t/4.V. Pole der Scheibe 2 erzeugt werden. Ein wichtiger Vor-

§» is teil des Aufbaus des Motors gemäß den F i g. 1 und 2

Diese letzte Art von Kompensation kann auch zur liegt in der Tatsache, daß der magnetische Meßwertge- Kompensation von Komponenten anderer Harmoni- ber zwischen den beiden Gruppen von Polstücken eines

scher der Größenordnung 3 oder 5 des zum elektrischen magnetischen Statorkreises angeordnet sein kann, d. h.

f) Strom gehörenden Momentes verwendet werden. In in einem Bereich, in dem praktisch kein Magnetfeld

diesem Fall werden die beiden Halbstatoren um ±λ-/3Ν μ herrscht, das die Wirkungsweise des Meßwertgebers

&j oder um ±/rl5N verschoben, entsprechend der dritten beeinflussen kann. Aus Fi g. 1 geht ferner hervor, daß

foder fünften Harmonischen, deren Auswirkung korn- ein derartiger Meßwertgeber leicht am angegebenen

pensiert werden solL Ort angeordnet werden kann, wobei der Kreis und die

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des Mo- Spule verringerte Abmessungen aufweisen können, so

|| tors werden die Komponenten der dritten und fünften 25 daß ein Meßwertgeber in der Praxis den Raumbedarf

,jjj Harmonischen im Inneren einer jeden Gruppe von Pol- des gesamten Motors nicht erhöht

stücken kompensiert, wobei diese Kompensation im Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ei-

übrigen vorteilhafterweise mit einer Kompensation der nes Meßwertgebers oder Meßfühlers ist in den F i g. 3

Komponenten der vierten Harmonischen des restlichen und 4 dargestellt In F i g. 3 ist ein Teil des Motors in Drehmomentes durch die obengenannte Verschiebung 30 Draufsicht dargestellt, wobei insbesondere der magneti-

der Halbstatoren kombiniert werden kann. sierte Teil des Rotors 2 mit seiner Halterung 3 und die

Zur Kompensation der dritten und fünften Harmoni- Gestelle 171,172 der beiden Spulen des Kreises 9 von

sehen im Inneren einer Gruppe von vier Polstücken, wie F i g. 1 dargestellt sind. Der Meßwertgeber weist eine

z. B. 92, werden die axialen Symmetrieebenen von in gestrichelt dargestellte Spule 326 in einem Gestell 334

Umfangsrichtung des Motors aufeinanderfolgenden 35 und zwei magnetische Kreise 325,327 auf, die mit dieser Polstücken zueinander verschoben, so daß Untergrup- Spule gekoppelt sind. Diese Kreise bestehen aus BIe-

pen 115,116 und 117,118 aus je zwei Stücken gebildet chen oder aus einem Blechaufbau mit C-Form, wie es in

werden, wodurch die Auswirkungen der fünften Har- F i g. 4 für den Kreis 325 dargestellt ist Jeder C-förmige

monischen kompensiert sind und andererseits die bei- Kreis besteht aus zwei Teilen, um bei diesem Ausfüh-

den Untergruppen zueinander derart verschoben wer- 40 rungsbeispiel das Anordnen des Spulengestells 324 zu

den, daß die Auswirkungen der dritten Harmonischen ermöglichen, wobei die Spule 326 die senkrechten

kompensiert sind. Mit anderen Worten, man verschiebt durchgehenden Arme des C umgeben, wie es in Fi g. 3

die Symmetrieebenen der Polstücke 115, 116 und 117, dargestellt ist während die offenen Arme des C zwei

118 um ±π/5Νbezüglich ihrer theoretischen Stellung Polstücke bilden, z.B. das obere, mit dem Bezugszei-

entsprechend einem Winkel von 2πΙΝ zwischen den 45 chen 328 in F i g. 4 bezeichnete Polstück. Die Polstücke

Symmetrieebenen und man verschiebt die axialen Sym- bilden einen Spalt, durch den ein Teil des magnetisierten

metrieebenen der Untergruppen 115,116 und 117,118, Teils 2 des Rotors durchläuft

die jeweils als Ganzes betrachtet werden, zueinander Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden maum einen Winkel von ±jt/3N. Die Gesamtheit dieser gnetischen Kreise 325 und 327, die jeweils eine Symme-Verschiebungen wird derart durchgeführt daß die Ab 50 trieeber.e parallel zur Rotorachse aufweisen, derart anstände bezüglich der theoretischen Stellung der Polstük- geordnet, daß die Symmetrieebenen einen spitzen Winke die kleinsten sind. Beim gewählten Ausführungsbei- kel 332 bilden, der in Richtung zur Achse hin offen ist spiel wählt man also die Vorzeichen der Verschiebewin- wobei dieser Winkel symmetrisch bezüglich einer Axialkel derart daß die Polstücke im Inneren einer jeden ebene ist und wie folgt gewählt wird. Bezeichnet man Untergruppe sich annähern und die beiden Untergrup- 55 mit 330 und 331 die entsprechenden Mitten der Polfläpen zueinander angenähert werden, wodurch entspre- chen, wie z. B. 328 und 329 der Kreise 325 und 327, so ist chende Winkel von (2π—π/5)Ν,(2π—π/3+π/5)/Ν[ΐηά der Winkelabstand 333, zwischen diesen Mitten defi-(2π—πΙ5)ΙΝ zwischen den aufeinanderfolgenden Sym- niert durch den mit der Rotorachse gebildeten Winkel, metrieebenen im Inneren der Gruppen von vier Pol- wenigstens annäherungsweise gleich (2λ·±λ/3)/Λ/. Dies stücken entstehen. 60 ermöglicht die Realisierung einer ausreichenden Kom-

Für den Fachmann ist klar, daß die gewünschte Korn- pensation der dritten Harmonischen, der in der Spule

pensation in ähnlicher Weise auch für den Fall durchge- 226 induzierten elektromotorischen Kraft Andererseits

führt werden kann, in dem eine unterschiedliche Anzahl ist die Neigung der Symmetrieebene der magnetischen

von Polstücken vorliegt und daß eine optimale Korn- Kreise bezüglich einer axialen Referenzebene derart

pensation erhalten wird, wenn eine gerade Anzahl von &, bestimmt daß die fünfte Harmonische ebenfalls erheb-

Untergruppen und eine gerade Anzahl von Polstücken Hch reduziert ist, durch Kompensation zwischen den

in jeder Untergruppe vorliegt beiden magnetischen Kreisen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der in Natürlich können auch andere magnetische Meß-

11

wertgeber, wie ζ. B. Hall-Generatoren mit dem gleichen Vorteil eingesetzt werden, der aus der Anordnung in einer magnetisch neutralen Zone des Stators resultiert

F i g. 5 zeigt einen Axialschnitt eines Motorgehäuses mit zwei Teilen 507,508, ähnlich denjenigen von F i g. 2, mit einem Drehteil, dessen Gesamtheit mit 501 bezeichnet ist Die magnetischen Statorkreise und die Spulen sind zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt Die Motorachse 504 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in Form eines zylindrischen Rohres dargestellt das im Gehäuse durch die Lager 505,506 gehalten ist.

Das Innere des Rohrs 504 ist mit einem endlosen Schraubengewinde 510 versehen. Die Rohrachse 504 ist dazu bestimmt mit einer Achse 511 zusammenzuwirken, die mit einem an das Gewinde 510 angepaßten Gewinde 512 versehen ist und die durch nicht dargestellte Mittel, die jedoch dem Fachmann geläufig sind, in Längsrichtung derart geführt wird, daß sie sich nicht um ihre Achse drehen kann. Während einer Drehung der rohrförmigen Achse 504 des Motors erhält man demzufolge eine Längsverschiebung der Achse 511. Der in den verschiedenen obenstehenden Ausführungsbeispielen beschriebene Motor ist insbesondere für eine derartige Verwendung seiner Achse geeignet da die aktiven Teile des Motors nur einen von der Achse relativ weit entfernten Raum einnehmen, so daß die Achse einen ausreichend großen Durchmesser aufweisen kann, ohne Erhöhung der Außenabmessungen des Motors.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

35

40

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Schrittmotor, der einerseits ein magnetisiertes Drehteil aufweist, das an der Motorachse befestigt ist und rotationssymmetrisch zu dieser Achse ist, wobei das Teil eine geringe Dicke bezüglich seines Außendurchmessers aufweist und in Richtung seiner Dicke derart magnetisiert ist, daß auf jeder der sich gegenüberliegenden Flächen 2N ma- ίο gnetische Pole abwechselnder Polarität vorhanden sind, wobei N eine natürliche Zahl ist und die Pole regelmäßig entlang einer Ringzone verteilt sind, und der andererseits wenigstens einen mehrere Polstükke aufweisenden magnetischer. Statorkreis sowie wenigstens zwei elektrische Spulen aufweist, die mit dem Statorkreis gekoppelt sind, wobei der Statorkreis wenigstens einen Luftspalt aufweist, in dem das magnetisierte Teil angeordnet ist, wobei die Polstükke jeweils axiale Symmetrieebenen aufweisen und derart angeordnet sind, daß sie mit den magnetischen Polen des magnetisierten Teils zusammenwirken, wobei die axialen Symmetrieebenen benachbarter Polstücke jedes Statorkreises zwischen sich, wenigstens annäherungsweise, einen Winkel 2hr/N einschließen, mit k als natürlicher Zahl, dadurch gekennzeichnet, daß jeder magnetische Statorkreis (9, 10 ...) eine erste Gruppe (91) und eine zweite Gruppe (92) von Polstücken aufweist, deren jede wenigstens zwei Polstücke (111,112; 115,116) aufweist, wobei die entsprechenden axialen Symmetrieebenen eines Polstückes (111) der ersten Gruppe und eines Polstücks (115) der zweiten Gruppe zwischen sich, wenigstens annäherungsweise, einen Winkel (2r+ ΫμτΙΝ einschließen, mit r als natürlicher Zahl, und die Polstücke der ersten Gruppe mit wenigstens einer der Spulen (151) gekoppelt sind und die Polstücke der zweiten Gruppe mit wenigstens einer anderen der Spulen (152) gekoppelt sind, wobei die mit den entsprechenden Polstücken der beiden Gruppen gekoppelten Spulen derart angeordnet sind, daß sie unter der Einwirkung eines gegebenen Erregungsstromes Magnetfelder erzeugen, die für jede der beiden Gruppen entgegengesetzte Richtungen in Querrichtung des magnetisierten Teils aufweisen, wobei jeder magnetisierte Statorkreis zwei Jochstücke (21, 22) aufweist oder mit ihnen gekoppelt ist, welche beiderseits des magnetisierten Teils (2) derart angeordnet sind, daß das in diesen Kreisen erzeugte magnetische Feld im wesentlichen in den beiden Raumbereichen herrscht, die sich jeweils oberhalb der magnetischen Pole auf jeder Fläche des magnetisierten Teils erstrecken.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisierte Teil im wesentlichen die Form einer dünnen ringförmigen Scheibe (2) aufweist, die in Axialrichtung des Motors magnetisiert ist und daß die Statorpolstücke (111 ..., 115...) wenigstens in demjenigen Raumbereich angeordnet sind, der sich oberhalb der ringförmigen magnetisierten Zone einer der Scheibenoberflächen erstreckt.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke eines jeden Statorkreises paarweise angeordnet sind, wobei die Polstücke eines jeden Paares (...; 116,126;...) axiale Symmetrieebenen aufweisen, die zusammenfallend bzw. zueinander verschoben sind, um einen Winkel von höchstens λ/3Ν und zwei Enden (13, 14) der Polstücke eines jeden Paares sich derart gegenüberliegen, daß sie einen Spalt bilden, in dem das magnetisierte Teil (2) angeordnet ist, daß diejenigen Enden (19,20), die den den Spalt bildenden Enden gegenüberliegen, miteinander durch entsprechende Jochstücke (21, 22) verbunden sind und daß Spulen (152, 162) um jede entsprechende Einheit aus Polstücken einer gleichen auf der gleichen Seite der magnetisierten Scheibe angeordneten Gruppe herum angeordnet sind.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden axialen Symmetrieebenen der Polstücke eines jeden Paares zueinander um einen Winkel von λ/4 Ν verschoben sind.

5. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden axialen Symmetrieebenen der Polstücke eines jeden Paares zueinander um einen Winkel von λτ/5Ν verschoben sind.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1,2,3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Symmetrieebenen der Polstücke einer jeden Gruppe derart angeordnet sind, daß die axialen Symmetrieebenen wenigstens zweier aufeinanderfolgender Pulstücke, in Umfangsrichtung des Motors, zwischen sich einen Winkel von (2π±πΙΑ)ΙΝeinschließen.

7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruope eine gerade Anzahl von Polstücken in Umfangsrichtung des Motors aufweist und daß die axialen Symmetrieebenen der aufeinanderfolgenden Polstücke zwischen sich einen Winkel von (2^r±^r/4)/Neinschließen.

8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Symmetrieebenen der Polstücke einer jeden Gruppe derart angeordnet sind, daß die axialen Symmetrieebenen wenigstens zweier aufeinanderfolgender Polstücke, in Umfangsrichtung des Motors, zwischen sich einen Winkel von (2,r±.aV5)/A/einschließen.

9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe eine gerade Anzahl von Polstücken in Umfangsrichtung des Motors aufweist und daß die axialen Symmetrieebenen der aufeinanderfolgenden Polstücke zwischen sich einen Winkel von (2π±πΙ5)ΙΝ einschließen.

10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Symmetrieebenen der Polstücke einer jeden Gruppe derart angeordnet sind, daß die axialen Symmetrieebenen wenigstens zweier aufeinanderfolgender Polstücke, in Umfangsrichtung des Motors, zwischen sich einen Winkel von (2π+ π/3)/Ν einschließen.

11. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe vier Polstücke in Umfangsrichtung des Motors aufweist und daß die axialen Symmetrieebenen einer jeden Gruppe von vier aufeinanderfolgenden Polstücken zwischen sich die Winkel (2π—π/5)ΙΝ bzw. (2π-πΙ-3 + /TlS)N bzw. (2,ar-;r/5)/yVeinschließen.

12. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden axialen Symmetrieebenen eines Polstückes (111) der ersten Gruppe und eines Polstücks (115) der zweiten Gruppe, das auf der gleichen Seite des magnetisierten Teils angeordnet ist, zwischen sich einen Winkel von [(2γ+1)λγ±λτ/4]/Λ/einschließen.

13. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen Zweiphasenmotor bildet, dadurch

3 4

gekennzeichnet daß er wenigstens zwei magne- Motors ausüben.

tische Statorkreise pro Phase aufweist wobei die Aus der US-PS 33 92 293 ist ein einphasiger Schrittmagnetischen, einer der Motorphasen 2 ugeordneten motor bekannt bei dem auf jeder Seite des in diesem Kreise derart angeordnet sind, daß sie mit den der Falle nichtmagnetisierten Rotors Elektromagnete voranderen Motorphase zugeordneten magnetischen 5 gesehen sind, wobei sich der Magnetfluß dieser magne-Kreisen abwechseln. tischen Kreise durch die axial gegenüberliegenden Elek-

14. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- tromagnete und über die magnetischen, jedoch nicht net daß sich die Jochstücke zwischen den äußerten permanentmagnetischen Speichen des Rotors schließt. Polstücken der beiden Gruppen von Polstücken ei- Jeder Statorkreis weist mehrere paarweise angeordnete nes jeden zugehörigen magnetischen Statorkreises io Elektromagnete auf, die wiederum in Gruppen von z. B. erstrecken. 3 Elektromagnetpaaren angeordnet sind. Die bei der

15. Motor nach Anspruch 14, dadurch gekenn- Betätigung dieses Schrittmotors auftretenden geschloszeichnet daß die Jochteile einen lamellenförmigen senen magnetischen Schleifen sind relativ groß, so daß Aufbau aufweisen. sich auch dementsprechende Verluste einstellen und der

16. Motor nach einem der vorhergehenden An- 15 Schrittmotor nicht optimal genutzt werden kann. Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens In der EP-A-I 00 15 764 ist ein weiterer Schrittmotor einen magnetischen Meßwertgeber (25,26) aufweist beschrieben, der in Verbindung mit einem Diskettenander derart angeordnet ist daß er von Jen magne- trieb verwendet werden kann. Der Rotor dieses Schritttischen Polen des magnetisierten Teils beeinflußt motors ist kein aktiver, d. h. längs einer Ringzone abwerden kann und zwischen den ersten und zweiten 20 wechselnd magnetisierter Rotor, sondern ein Rotor Gruppen von Polstücken (91,92) eines zugehörigen ähnlich demjenigen bei dem Schrittmotor gemäß der magnetischen Statorkreises angeordnet ist US-PS 33 92 293. Der Rotor mit seinen Speichen dreht

17. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekenn- im Luftspalt zwischen Elektromagnetspulen eines Stazeichnet daß der Meßwertgeber eine Fühlerspule tors, die sukzessive eingeschaltet werden, so daß der (326) und zwei Teile oder Einheiten von magne- 25 Rotor angetrieben wird. Die magnetischen Verluste bei tischen Fühlerkreisen (325,327) aufweist die mit die- diesem elektrischen Schrittmotor sind relativ hoch, so ser Spule gekoppelt sind, wobei die beiden magne- daß auch der Wirkungsgrad nicht optimal ist

tischen Kreise jeweils einen Spalt bilden, durch den Aus der DE-OS 16 38 244 ist ein elektrischer Schritt-

das magnetisierte Drehteil (2) läuft, wobei jeder eine motor bekannt bei dem ein aktiver, d. h. längs einer Symmetrieebene parallel zur Rotationsachse des 30 Ringzone am Umfang abwechselnd magnetisierter Ro-Motors aufweist wobei die Symmetrieebenen zwi- tor verwendet wird. Für die auf beiden Seiten des Roschen sich einen spitzen Winkel (332) einschließen, tors gelegenen Polstücke sind jeweils gemeinsame der zur Rotationsachse offen ist und daß die Mitten Ringspulen vorgesehen. Die magnetischen Einzelkreise (330,331) der Spalte der beiden magnetischen Füh- des Stators sind magnetisch nicht voneinander getrennt, lerkreise einen Winkelabstand (333) voneinander 35 so daß hier eine Kopplung auftritt, die gegebenenfalls aufweisen, der bezüglich der Rotationsachse wenig- sogar über benachbarte Motorstufen verlaufen kann, stens annäherungsweise durch den Wert {2π±πΙ Hierdurch wird der Wirkungsgrad dieses Schrittmotors 3)/Ndefiniert ist. erniedrigt Außerdem beeinflußt der magnetisierte Ro

tor die Spulen des Stators im Ruhezustand, d. h. bei

40 ausgeschalteten Elektromagnetspulen, so daß ein gewisses Restdrehmoment verbleibt.

Bei derartigen Schrittmotoren ist es außerdem in der

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Regel notwendig, einen Meßwertgeber für die Drehstel-Schrittmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentan- lung des Rotors vorzusehen, Bei den bekannten Schrittspruches 1. Ein derartiger Motor ist aus der DE-OS 45 motoren werden jedoch magnetische Meßwertgeber 49 234 der Anmslderin bekannt Dieser Schrittmotor durch die Magnetfelder des Statorkreises beeinflußt, so weist einen dünnen scheibenförmigen Rotor auf, der daß deren Meßwerte durch Störungen überlagert sind, entlang einer Ringzone in axialer Richtung magnetisiert sofern keine besonderen Abschirmmaßnahmen ergrifist, so daß sich insgesamt 2N magnetische Pole abwech- fen werden. Auch dieses vergrößert unnötig die Baugröselnder Polarität ergeben. Der bekannte elektrische 50 ße der Schrittmotoren.

Schrittmotor weist ferner wenigstens einen, mehrere Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lei-

Polstücke aufweisenden magnetischen Statorkreis und stung und den Wirkungsgrad eines in Rede stehenden mit dem Statorkreis gekoppelte elektrische Spülen auf. elektrischen Schrittmotors durch Verringerung der Ver-Zwischen den Polstücken ist ein Luftspalt gegeben, in luste in den magnetischen Kreisen und durch einen Ausdem sich der magnetisierte Rotor dreht Die axialen 55 gleich des Einflusses der magnetischen Pole des magnet-Symmetrieebenen benachbarter Polstücke jedes Stator- isierten Teiles, d.h. des Rotors, zu verbessern. Außerkreises schließen zwischen sich wenigstens annähe- dem soll der Schrittmotor ein geringes Gewicht und rungsweise einen Winkel 2hr/N ein, mit k als natürli- einen geringen Raumbedarf auch bei Einbau eines Meßcher Zahl. Die Ausgestaltung der magnetischen Kreise wertgebers aufweisen und soll in Großserie mit gerindieses bekannten Schrittmotors erlaubt zwar die Erzie- 60 gen Kosten hergestellt werden können, lung sehr kurzer magnetischer Kreise, in denen die v»r- Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die in

luste an magnetischer Energie reduziert werden kön- dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 annen, erlaubt jedoch im allgemeinen nicht einen optima- gegebenen Merkmale gelöst.

len Wirkungsgrad zu erzielen oder ein optimales Ver- Jeder Statorkreis weist demnach zwei Gruppen aus

hältnis zwischen Wirkungsgrad, Herstellungspreis und 65 jeweils mehreren Pclstücken auf. Jede Gruppe ist mit Raumbedarf des Motors. Andererseits können fehler- Spulen derart gekoppelt, daß die bei der Einschaltung hafte Magnetisierungen des Drehteiles einen negativen der Spulen erzeugten Magnetfelder für jede der beiden Einfluß auf die Genauigkeit der Funktionsweise des Gruppen entgegengesetzte Richtungen in Querrichtung