-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Vielpoligen Schrittmotor mit einem Rotor mit permanenter
Magnetisierung und mit N-Polpaaren, die um eine
zentrale Achse verteilt und in einer Richtung parallel
zu dieser Achse magnetisiert sind, und mit einem
magnetischen Statorkreis mit einer Wicklung, die auf einem
Kern montiert ist.
-
Seit langer zeit wird Versucht, vielpolige
Motoren dieser Art zu konstruieren, die eine
verhältnismässig grössere Anzahl von Polpaaren aufweisen
können und bei geringeren Kosten herstellbar und
weniger voluminös sind.
-
Motoren dieser Art sind insbesondere aus den
Veröffentiichungen der Patentschrift CH-599 707, US-
4 713 565 und FR-2 406 907 bekannt der ersten
dieser Veröffentlichungen sind zwei Ausfuhrungsformen
oeschrieben, die einerseits in Fig 1 und 2 und
andererseits in Fig. 5 und dargestellb sind. In dem in Fig.
1 und dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist der
scheibenförmige Rotor in dem Luftspalt angeordnet, der
durch die Polteile 1a und 5, 5a gebildet wird. Die
gesamtheit dieser drei Elemente ist ferner auf einer
zylindrischen Wicklung und auf dem ringförmigen Teil
2 angeordnet. Eine derartige Anordnng bedeutet einen
grossen Raumverlust in der Höhe und eine komplizierte
Montage. In dem in Fig. 5 und 6 dargestellten
Ausführungsbeispiel findet sich dieselbe Übereinanderlagerung
der Polteile 51a und 55a. In der Veröffentlichung der
Patentschrift US-4 713 565 wird ein Motor beschrieben,
dessen Statorpolteile gleichermassen auf verschiedenen
Ebenen zu beiden Seiten jener des Magnets verteilt
sind, was einen Raumverlust in des Höhe bedeutet.
Ferner haben die inneren Statorarme, die mit 14a und 14b
bezeichnet sind, eine Länge, die im wesentlichen jener
eines Rotorpols entspricht. Da die Ihnenstatoren mit
dem Statorträger jeweils nur mit einem Arm verbunden
sind, versteht sich, dass diese Konstruktion in
Anbetracht der geringen Breite, die für die Verbindungsarme
noch zur Verfügung steht, zu Problemen in der
Herstellung wie auch zu Problemen in der mechanischen
Beständigkeit und bei der magnetischer Sättigung führt, wenn
die Anzahl der Rotorpole gross ist.
-
Die vielpoligen Schrittmotoren, die in der
Patentschrift FR-2 406 907 beschrieben sind, gehören
auch zu jener Art mit einem Rotor mit permanenter
Magnetisierung und mit N-Polpaaren, die um eine
zentrale Achse verteilt und in einer Richtung parallel zu
dieser Achse magnetisiert sind, und mit einem
magnetischen Statorkreis mit einer Wicklung, die auf einem
Kern montiert ist. Ferner umfassen sie zwei
Hauptpolteile, die sich einander gegenüberliegend in einer
gleichen Ebene rechtwinklig zur genannten Achse
ausbreiten, wobei jeder dieser Teile mit einem der
Enden des Kernes verbunden ist und einen konkaven Rand
aufweist, der mit polarer zähnen versehen ist, die um
die genannte Achse verteilt sind zu wobei sich der
Rotor in einer Ebene, die parallel zu derjenigen der
Polteile verläuft, erstreckt.
-
Diese Konstruktion beseitigt jedoch die zuvor
erwähnten Nachteile und insbesondere jene der
Ausführungen nach US-4 713 565 nicht in dem gewünschten Masse.
Vor allem ist das Problem der Bestandigkeit des
Fusslagers der Rotorwelle hoch immer nicht auf
zufriedenstellende Weise gelöst.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die
Verbesserung der Konstruktion der bekannten Motoren der
vorher genannten Art so dass die Genauigkeit der
Positionierung des Rotors in bezug auf den Stator und die
Form des magnetischen Flusses, die bei den Impulsen
auftritt, verbessert wird, um einen präzisen und
zuverlässigen Antrieb des Motors zu erhalten. Es kann auch
ein Schrittmotor mit 60 Schritten pro Umdrehung in
einer einfachen Konstruktion und mit geringer Höhe
ausgeführt werden und zwar ohne wesentliche Einschränkung
der Leistungsfähigkeit.
-
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung dadurch
gekennzeichnet, dass ein Zwischenpolteil zwischen den
Hauptpolteilen angeordnet ist, welcher Zwischenzähne
aufweist, die zu den genannten polaren Zähnen gerichtet
und zwischen diesen im Eingriff sind.
-
In der Folge wird eine Ausführungsform eines
erfindungsgemässen Motors beispielhaft mit Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von
welchen:
-
Fig. 1 eine schematische Draufsicht von oben des
magnetischen Kreises ist,
-
Fig. 2 eine ebenso schematiche Schnittansicht
des Kreises von Fig. entlang der Linie II-II dieser
Figur ist,
-
Fig. 3, 4 und 5 schematische Ansichten in der
Form einer Draufsicht bzw. eines Aufrisses des
magnetischen Kreises und des Rotors des beschriebenen Motors
sind, weche zur Erklärung seiner Funktionsweise
dienen,
-
Fig. 6, 7 und 8 Ansichten in der Form einer
Draufsicht bzw. eines Schnittes entlang der Linie VII-
VII und eines Schnittes entlang der Linie VIII-VIII der
beschriebenen Motorkonstruktion sind,
-
Fig. 9 ein Schema ist, welches die Studie zur
Optimierung der Konstruktionseichenschaften des Motors
erklärt, und
-
Fig. 10 eine andere graphische Darstellung ist,
die sich ebenfalls auf die Studie zur Optimierung der
Eigenschaften bezieht.
-
Der Motor, der nun beschrieben wird, ist ein
vielpoliger Einphasenmotor mit zwei Hauptpolteilen 1
und 2, die magnetisch mit den Enden eines Kernes 3
verbunden sind, der eine Erregerwicklung 4 trägt. In
dem schematischen Beispiel von Fig. 1 sind die Polteile
1 und 2 vollkommen eben und mit dem Kern 3 durch
Überlappung verbunden. Die Verbindung kann durch Schweissen
oder auf andere Weise hergestellt werden. In einer
Variante kann die Bearbeitung eines der Polteile
vorgesehen sein, zum Beispiel durch Ausschneiden eines
Teiles mit dem Kern. In diesem Fall muss der andere
Polteil eine Falzung aufweisen, so dass sein
Verbindungszapfen sich in den Kontakt mit einer der
Stirnflächen des Kernes erstreckt. Das Material der Polteile
1 und 2 sowie des Kernes 3 ist ein ferromagnetisches
Metall mit einer erhöhten Sättigungsgrenze und geringer
Remanenz.
-
Eine elektronische Vorrichtung (nicht
dargestellt) sendet periodisch Impulse mit abwechselnder
Polaritat in die Wicklung 4, so dass jeder dieser
Hauptpolteile 1 und 2 abwechselnd die Rolle des
magnetischen Nordpols und des magnetischen Südpols
übernimmt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die beiden
Hauptpolteile 1 und 2 koplanar. Sie sind einander
gegenüberliegend angeordnet und weisen jeweils einen
konkav verlaufenden Innenrand auf, der mit einem Profil
geschnitten ist, das eine gewisse Anzahl von polaren
Zähnen 5 aufweist. In dem in Fig. 1 dargestellten Fall
weisen die polaren Zähne 5 eine Trapezform auf und sind
durch Zwischenbereiche 6 getrennt, deren Ränder
Kreisbogenabschnitte sind, die auf einer Achse zentriert
sind, die rechtwinklig zu der Ebene der Polteile 1 und
2 liegt. Diese Mittelachse stimmt mit der Achse des
Rotors des Motors überein.
-
In der hier beschriebenen Ausführungsform bilden
die polaren Zähne jedes der beiden Teile 1 und 2 eine
Gruppe von sieben Zähnen mit einen polaren
Statorschritt αs. Die Zähne 5, die an den beiden Enden der
Gruppe jedes der Polteile 1 und 2 angeordnet sind,
sind, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, gegenüber einem
entsprechenden Zahn 5 des entgegengesetzten Polteiles
angeordnet, und jedes dieser entsprechenden Zahnpaare 5
begrenzt einen Luftspalt mit einer gewissen Breite. Wie
aus Fig. 1 hervorgeht, weisen die beiden fraglichen
Luftspalte nicht dieselbe Breite auf, aber diese
Anordnung ist zur Lösung der gestellten Aufgabe nicht
wesentlich. Es wird freilich festgestellt, dass ein
Zwischenpolteil 7, der auch eine ebene Platte mit
derselben Dicke wie die Teile 1 und 2 ist und ebenfalls
aus einem ferromagnetischen Material mit geringer
magnetischer Remanenz und erhöhter Sättigungsgrenze
besteht, zwischen den beiden Polteilen 1 und 2 angeordnet
ist. Dieser zwischenteil ist allgemein kreisförmig mit
zwei Zwischenzahngruppen 8 an seinem Umfangsrand, die
eine komplementäre Kontur zu jener der polaren Zähne 5
aufweisen und die zwischen den polaren zähnen 5
verzahnt sind, so dass zwischen dem Teil 7 und jedem der
Teile 1 und 2 gewundene Luftspalte mit im wesentlichen
konstanter aber geringer Breite begrenzt werden, die in
Fig. 1 mit 9 bzw. 10 bezeichnet sind.
-
Das magnetische Feld, das sich in dem
angrenzenden Raum der Luftspalten 9 und 10 zum zeitpunkt der
Impulse erstreckt wirkt mit einem Dauermagnet-Rotor 11
Zusammen, der aus einer Scheibe oder einem flachen Ring
besteht, der eine vielpolige Magnetisierung mit den
abwechselnden Nord- und Südpolen darstellt, die am Umfang
des Rotors in eine Magnetisierungsrichtung verteilt
sind, die parallel zur Achse liegt das heisst,
rechtwinklig zur Ebene des magnetischen Kreises 1, 7, 2, 3.
-
Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen, wie der Rotor 11,
der schematisch dargestellt ist, mit den Polteilen 1
und 2 zusammenwirkt. Aus Fig. 4 und 5 ist ersichtlich,
dass die Magnetisierung des Rotors 11 derart angelegt
ist, dass alle Pole 12 auf einer der Flächen 13 des
Rotors sichtbar sind. Entlang des Randes dieser Fläche
13 sind somit die Nord- und Südpole abwechselnd
verteilt, wobei ein Polschritt den Wert αr besitzt. In
dem in der Zeichnung dargestelltem Beispiel ist der
Rotor 11 mit 32 Polen magnetisiert, das heisst sechzehn
Polpaaren, so dass der Winkelschritt, αr gleich 2π/16
ist. Der Verlauf des magnetischen Feldes, das in dem
Raum durch die Pole 12 entwickelt wird, ist in Fig. 5
schematisch dargestellt.
-
Fig. 3 zeigt eine fakultative Eigenschaft des
beschriebenen Motors. Während der Winkelschritt der
Polpaare des Rotors 11 gleich αr ist, wie aus Fig. 4
ersichtlich, unterscheidet sich dem Winkelschritt as der
polaren zähne jedes der Teile 1 und 2 geringfügig von
dem Polschritt αr. Wie in der Folge offensichtlich
wird, kann tatsächlich ein Wert gewählt werden, der im
allgemeinen zwischen 0,8 und 1,2 x αr beträgt, um die
Störmomente, die sonst die Funktionsweise des Motors
beeinträchtigen könnten, in dem gewünschten Ausmass zu
verringern.
-
Im Prinzip ist die Funktionsweise wie folgt. Wenn
ein Impuls mit langer Dauer angenommen wird, der den
Teil 2 im Nordpol und den Teil 1 im Südpol magnetisiert
(Fig. 3), wird der Rotor 11 (Fig. 4 in einer Position
angehalten, so dass eine magnetische Rotorachse, die
zum Beispiel durch eine diametrale Linie zwischen zwei
entgegengesetzten Polen Sa und Sb definiert wird,
symmetrisch in bezug auf die magnetische Statorachse
der Polteile 1 und 2 angeordnet wird. Wie bekannt ist,
muss bei einem Motor dieser Art bei einer
Schrittfunktion dafür gesorgt werden, dass sich der Rotor bei
fehlendem Impuls sofort in eine andere Richtung als
diese Richtung im angehaltenen Zustand ausrichtet.
Daher werden zum Beispiel in den Räumen, die Von den
Teilen 1, 2 und/oder 7 begrenzt werden, Öffnungen oder
Elemente mit asymmetrischer Kontur vorgesehen, so dass
der Rotor eine Ruheposition einnimmt, die sich etwas
von jener unterscheidet, die in Fig. 3 dargestellt ist.
Es ist klar, dass bei dem folgenden Impuls, wenn der
Teil 1 im Nordpol und der Teil 2 im Südpol polarisiert
wird, der Rotor ein Drehmoment erfährt, das ihn um
einen Schritt dreht, das heisst, um einen Winkel gleich
1/2 αr = 2π/2N, so dass der Pol Sb symmetrisch auf
einem der Zähne des Teiles 1 angeordnet wird.
-
Da der Winkelschritt der Zähne des Stators etwas
anders, hier etwas grösser, als der Winkelschritt der
Polpaare des Rotors ist, befinden sich deren
benachbarte
Pole, die in Fig. 4 mit Sa und Sb bezeichnet
sind, in bezug auf die Zähne 5 der Polteile 1 und
(Fig. 3), die sie überdecken, nicht in symmetrischen
Positionen. Diese Anordnung bewirkt eine Abschwächung
oder sogar Unterdrückung gewisser Störmomente, wie in
der Folge offensichtlich wird.
-
Bevor die Bestimmung der Bedingungen näher
erklärt wird, welche die Kontrolle dieser Störmomente
ermöglichen, wird in der Folge mit Bezugnahme auf die
Figuren 6, 7 und 8 rasch ein Anwendungsbeispiel des
beschriebenen Motors in einem praktischen Fall erklärt.
Die beiden Polteile 1 und 2 sind durch Schraubfüsse 15
und 16 an einer Grundplatte 14 befestigt, so dass sie
sich in derselben Ebene, parallel zu jener der Platte
14 befinden. Sie sind auf dieselbe Weise wie in Fig. 1
und 3 angeordnet, und die Schraubfusse 16 befestigen
ebenso den Kern 3, auf dem die Erregerspule 4 montiert
ist, in bezug auf die Platte 14. Das polare
Zwischenstück 7 ist auf einem mehrteiligen Träger 17 befestigt,
der in einem Mittelloch der Platte 14 sitzt und
gleichzeitig die Aufgabe des Lagers für eine Welle 18 des
Rotors 21 und des Halterungsteiles für den Zwischenteil
7 erfüllt. Ein anderes Lager 19, welches die Welle 18
führt, ist an einer rechteckigen Abdeckplatte 20
befestigt, die durch die Schraubfüsse 15 in einem Abstand
zu der Grundplatte 14 gehalten wird.
-
Die Rotoranordnung 21 des beschriebenen Motors
umfasst einen Anker 22, dessen Kontur in Fig. 8
ersichtlich ist, den die Welle 18 durchquert und in dem
der Magnetkern 11 des Rotors eingefalzt ist. Die Welle
18 erstreckt sich von der Platte 20 freistehend nach
oben und kann ein Kupplungselement aufnehmen, das
irgendein Element trägt das von dem Rotor angetrieben
werden soll. In einer serienmässigen Ausführung kann
die mit 21 bezeichnete Rotoranordnung als ganzes oder
teilweise durch einen Einspritzvorgang eines
magnetischen Materials wie zum Beispiel Plastoferrit
hergestellt werden.
-
Es wird nun neuerlich auf ein der beschriebenen
Konstruktionseigenschaften eingegangen, dank derer die
freie Bestimmung gewisser Konstruktionsparameter
abhängig von der gewünschten Leistungsfähigkeit möglich ist.
-
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist der magnetische
Fluss, der sich in dem Raum zum Zeitpunkt der Impulse
entwickelt, aufgrund der Gegenwart des polaren
Zwischenteiles, durch den gewundenen Luftspalt 9
streng reguliert.
-
Die graphische Darstellung von Fig. 9 zeigt den
Verlauf der verschiedenen Momente, die zum Bemessen des
Motors berücksichtigt werden müssen. Die Kurve des
Moments Mi stellt das Kraftmoment dar, das auf den
Rotor zum zeitpunkt des Impulse abhängig von seiner
Winkelstellung zu dem Stator ausgeübt wird. Es ist dies
eine periodische Kurve, deren Periode gleich αs = 2π/N
ist. Die Kurve Mp stellt das Blockierungsmoment dar,
welches die Positionierung des Rotors während der
Perioden zwischen den Impulsen gewährleistet. Seine Periode
ist gleich αs/2, gleich 2π/2N. Das mit Mpar
bezeichnete Moment stellt eines der zahlreichen Störmomente
dar, deren Gegenwart von der Form der polaren Zähne und
dem Schritt dieser Zahngruppen abhängt, die in Fig. 1
mit 5 bezeichnet sind. Der Verlauf dieser Kurve kann
durch die richtige Wahl des Parameters k verändert
werden, der das Verhältnis zwischen derr Schritt der
polaren zähne und dem Schritt der Rotorpole angibt. Diese
Störmomente sind die höheren Harmonischen des
Positioniermoments Mi. Je nach Fall kann die Beseitigung der
Harmonischen 2 oder der Harmonischen 4 erwünscht sein.
Dieses Ergebnis kann durch die richtige Wahl des
Verhältnisses k erzielt werden. Die Linie Mr zeigt
schliesslich das Moment des durch das Lager
hervorgerufenen Reibwiderstandes. Das Moment Mm stellt die Summe
der äusseren mechanischen Momente dar, die auf den
Rotor wirken, wie zum Beispiel das Reibmoment in dem
Getriebe, das Unbalanzmoment der Zeiger usw..
-
Es wurden experimentelle Studien an einem
Prototyp durchgeführt und haben gezeigt dass in bezug auf
einen bestimmten Prototyp eine Graphik jener Art, die
in Fig. 10 dargestellt ist, erstellt werden kann, die
den Verlauf der Amplitudenänderung der Momente Mi und
Mpar abhängig von dem Wert, der für den Parameter k
gewählt wird, angeben. In dem Fall, der in Fig. 10
dargestellt ist, ist das Störmoment Mpar das Moment der
Harmonischen 2 von Mp, und es ist zum Beispiel
ersichtlich, dass dieses Störmoment durch die Wahl eines
Wertes 1,04 für den Koeffizienten K beseitigt werden
kann. Während die Wahl dieses Koeffizienten zu einer
leichten Verringerung der Amplitude Von Mi führt, ist
diese Verringerung jedoch nicht wesentlich.
-
So ermöglicht die oben beschriebene Anordnung
nicht nur die Ausführung eines Motors mit geringen
Abmessungen und insbesondere geringer Höhe, der leicht
mit einer grösseren Anzahl von Schritten pro Umdrehung
konstruiert werden kann und vor allem ermöglicht, dass
ein Wert von sechzig Schritten pro Umdrehung leicht
erzielt werden kann, sondern auch, dass die Abmessung
dieses Motor so untersucht werden kann, dass die
Betriebsbedingungen optimal sind, insbesondere dass der
Stromverbrauch so Weit wie möglich verringert werden
kann. Dieser Motor ermöglicht insbesondere die
Ausführung von Uhrenteilen, bei welchen der Sekundenzeiger
direkt an der Motorwelle befestigt werden kann, wodurch
die Bedeutung der notwendigen Zahnradvorgelege deutlich
verringert wird.
-
Wie aus Fig. 5 hervorgeht, bewirkt die
Magnetisierung des Rotors in der beschriebenen
Ausführungsform, dass alle Pole auf derselben Fläche des
magnetisierten Ringes aufeinanderfolgen. Es kann jedoch
eine andere Ausführungsform in Erwägung gezogen werden,
welche einen Rotor umfasst, dessen Magnetisierung nur
parallel zur Achse ist, das heisst, dessen beide
Flächen magnetisiert werden und die Polabschnitte einer
der Flächen immer direkt den Polabschnitten mit
entgegengesetzter
Bezeichnung an der anderen Fläche
entgegengesetzt sind. In einer anderen Variante können die
Blockierungsmittel des Rotors, die dazu bestimmt sind,
diesen zwischen den Impulsen anzuhalten, durch
ferromagnetische Elemente gebildet werden, die dem Rand des
Rotors oder seiner Stirnfläche, die den Polteilen
entgegengesetzt ist, gegenüberliegend angeordnet sind. Es
sind zahlreiche Varianten der beschriebenen Ausführung
möglich. Insbesondere umfasst der Rotor in einer
Ausführungsform der Erfindung dreissig Polpaare, die auf
einer seiner Stirnflächen verteilt sind.