DE69306344T2

DE69306344T2 - Elektrischer Schrittmotor

Info

Publication number: DE69306344T2
Application number: DE69306344T
Authority: DE
Inventors: Gustav Saether
Original assignee: Lyng Motor AS
Current assignee: LYNG MOTOR AS VANVIKAN NO
Priority date: 1992-07-17
Filing date: 1993-07-19
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2013-07-20
Also published as: EP0588478A2; EP0588478A3; DE69306344D1; EP0588478B1; ES2097983T3; US5369324A; ATE146019T1; DK0588478T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor, genauer auf einen Schrittmotor. Grundsätzlich besitzt der Motor ganz allgemeine Anwendungsoptionen, jedoch ist er insbesondere mit der Absicht konstruiert worden, ein Fahrzeug ohne Kraftübertragungsweg, der über eine Kupplung, ein Getriebe, eine Zwischenwelle (möglicherweise einen Riemenantrieb) und ein Differential führt, anzutreiben. Dies wird erreicht, indem der Statorteil des Motors in das Antriebsrad selbst eingebaut wird und indem der Rotorteil zu einem Hauptbestandteil der Radfelge gemacht wird. In Abhängigkeit von der gewünschten Fahrzeugleistung werden ein oder mehrere Räder dieses Typs montiert. Wenn der Motor für andere Zwecke verwendet werden soll, wird der Rotorteil entsprechend an der Außenseite für die in Frage kommende Anwendung entworfen.
Aus dem US-Patent Nr. 4,280,072 ist bereits ein Motor mit einigen Merkmalen bekannt, die eine Ahnlichkeit zur vorliegenden Erfindung aufweisen. Gemäß der in den Fig. 9 und 10 gezeigten Ausführungsforn des US-Patents wird ein äußerer Rotorteil verwendet, der vier innen montierte Magnete enthält, die jeweils einen Winkelbereich von 90º des Gesamtumfangs abdecken. Der innere Statorteil enthält vier Komponenten, die Zahnkränzen ähnlich sind, jedoch enthalten diese Komponenten keine in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilten flußleitende Elemente oder "Finger". Es gibt zwei sogenannte upoleiv an jeder Komponente, wobei jeder der Pole in drei "Zähne" unterteilt ist und jeder dieser Pole einen Bereich von ungefähr 90º abdeckt. Diese "Zähne" erstrecken sich zwischen drei entsprechende "Zähne" einer gegenüberliegenden Komponente, wobei ein entsprechender Satz von zwei Komponenten unmittelbar rechts neben den ersten zwei Komponenten mit einer Verschiebung von 45º bezüglich dem ersten Satz zu finden ist.
Das Vermögen des obenerwähnten Motors, aus dem Stillstand eine nach und nach gleichmäßig ansteigende Drehzahl bis zur gewünschten Drehzahl zu erreichen, muß aufgrund der kleinen Anzahl von Magneten im Rotorteil und der entsprechend kleinen Anzahl von Ttpolentl am Statorteil, d. h. mit nur zwei "Polbereichen" auf jeder zahnkranz-ähnlichen Komponente, ernsthaft in Frage gestellt werden. Das US- Patent scheint jedoch in erster Linie eine Art Asynchrongenerator zu sein, so daß der Motoraspekt eine sekundäre Betrachtungsweise ist, zumindest was die Fähigkeit zur Erzeugung eines hohen Drehmoments betrifft. In der Motorfunktion legt das US-Patent den größten Wert auf einen sanften und "schwingungsfreien" Lauf. Außerdem ist ein Hauptmerkmal des US-Patents, daß der Winkel zwischen den "Schrittintervallen" in den "Polen auf den Statorteil nicht gleich dem Winkel zwischen den Magnetpolmitten auf dem Rotorteil sein soll. Dies ist hinsichtlich der Erreichung eines hohen Drehmoments ein ungünstiges Merkmal.
Die GB-A-1129522 offenbart einen weiteren ähnlichen Schrittmotor des Standes der Technik, bei dem der innere Statorteil nur drei Komponenten umfaßt, von denen die mittlere Zapfen besitzt, die zu beiden Seiten gebogen sind.
Aus der Britischen Patentanmeldung Nr. 2,211,030 ist bereits ein Schrittmotor bekannt, der auf einigen derselben Prinzipien beruht wie die vorliegende Erfindung, der jedoch als Ausgangspunkt eine umgekehrte Konstruktion besitzt, d. h. der Rotor ist in der Mitte angeordnet und der Stator ist außen angeordnet. Daher ist der Motor nicht direkt in der Weise verwendbar, die im ersten Abschnitt dieser Beschreibung angegeben ist. Außerdem ist die Konstruktion der flußleitenden Elemente in Statorteil einer früheren Entwicklungsstufe der vorliegenden Erfindung ähnlicher, die an den ringförmigen Platten axial nach innen gebogene Finger besitzt, die den Fluß der Statorspulen leiten.
Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Motor mit einen hohen Drehmoment zu schaffen. Um dies zu erreichen, weist der Motor jene Merkmale auf, die aus den beigefügten Patentansprüchen hervorgehen.
Die Erfindung soll erläutert werden, indem zuerst die obenerwähnte vorangegangene Entwicklungsstufe beschrieben wird, um ein besseres Verständnis der genauen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die anschließend folgt, zu schaffen, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in welchen:
Fig. 1 ein Beispiel eines Radmotors gemäß der vorangehenden Entwicklungsstufe in einer teilweise aufgeschnittenen Seitenansicht zeigt,
Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie A-A durch denselben Radmotor wie in Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 einen Teil der radial nach außen weisenden Oberfläche des Statorteils mit vier Zahnkränzen zeigt, wobei zwei Zahnkränze in der Mitte Rückseite an Rückseite montiert sind,
Fig. 4 einen Teil des Querschnitts der Fig. 2 zeigt, in dem ein Rotormagnet und die innerhalb angeordneten äußeren, gebogenen Zahnkränze genauer dargestellt sind,
Fig. 5 ein der Fig. 3 entsprechendes Bild zeigt, wobei jedoch die voraussichtlich beste geometrische Ausführungsform der Zähne und der Zwischenräume besonders hervorgehoben ist, und
Fig. 6 eine Skizze ist, die zeigt, wie die Feldänderung oder die Feldumkehr gesteuert wird, während der Motor in Betrieb ist.
Ferner zeigen:
Fig. 7 in einer Skizze ähnlich der Fig. 1 einen Radmotor gemäß der einfachsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, d. h. eine Ausführungsform mit zwei Spulen im Stator,
Fig. 8 einen Querschnitt analog zu Fig. 2 durch einen Teil desselben Radmotors wie in Fig. 7,
Fig. 9 und 10 die Form einer flachen Lamelle, die in der vorliegenden Erfindung die flußleitenden Blöcke in T- und Γ-Form bildet,
Fig. 11 die Lamellenblöcke, die in der lokalen Geometrie der einfachsten Ausführungsform der Erfindung angeordnet sind, d. h. mit zwei Spulen, in einer radial von außen betrachteten Ansicht analog zu Fig. 3,
Fig. 12 die Anordnung der einzelnen Magneten im Rotorteil in der in den Fig. 7, 8 und 11 gezeigten Zweispulen- Ausführungsform, und
Fig. 13 ein Feldumkehrschema für die Zweispulen-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung analog zu dem in Fig. 6 gezeigten Schema.
Der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus einer Stromquelle mit Energie versorgt, die über einen elektrischen Regler den Motorspulen Strom zuführt, wobei dieser Strom sowohl hinsichtlich des Spannungspegels als auch der Frequenz veränderlich gesteuert wird. Der Regler selbst bildet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung, die sich nur auf den Motor an sich bezieht. Jedoch enthält der Motor vorzugsweise Fühler, um dem Regler den aktuellen Motorzustand (Drehzahl, Drehrichtung, Stellung) zu melden, so daß der Regler den Speisestrom entsprechend anpassen kann.
In Fig. 1 ist eine Radmotorausführungsform gezeigt, die ursprünglich während der Entwicklung zur vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wurde, wobei diese ursprüngliche Radmotor-Ausführungsform einen Statorteil besitzt, der drei gezahnte Ringe 1, 2, 3 (siehe auch Fig. 2) enthält, die über Speichen 5 mit einer Nabe 4 verbunden sind. Das Material in den Ringen 1, 2, 3 kann Eisen oder ein anderes magnetisierbares, gesintertes Pulvermaterial sein, das für hohe Frequenzen ausgelegt ist. Zwischen den Zahnringen 1, 2, 3, siehe Fig. 2, sind Wicklungen 6 und 7 koaxial um einen ringförmigen Kern 8 montiert, der ebenfalls koaxial um die Radnabe 4 angeordnet ist. Die Ringe 1, 2, 3 sind im festen Eingriff mit dem Kern 8 montiert oder mit diesem in Bauemheit ausgebildet. Der Kern 8 ist vorzugsweise aus demselben Material hergestellt wie die Zahnringe 1, 2, 3. Die Speichen 5 bilden ein Gehäuse für das Lager 9 für die Rotation der Rotorteilachse 22. Ein Wellenzapfen 10 dient als Montagevorrichtung für den Statorteil. Es werden Bolzen verwendet, um den Statorteil z. B. in den mit den Bezugszeichen 11 bezeichneten Positionen zusammenzuhalten.
Der Rotorteil besteht in der Entwicklungsausführungsform der Radfelge 12 aus inneren Permanentmagneten 13 längs des gesamten Umfangs. Die Breite dieser Magnetflächen in Umfangsrichtung, die entweder durch separate Permanentmagneten oder durch einen abwechselnd magnetisierten Ring gebildet werden, ist ungefähr aleich dem Abstand C zwischen den Zähnen, wie in Fig. 3 gezeigt. Auf der Felge 12 ist ein Reifen 23 montiert.
Jeder Magnet 13 besitzt Pole in Radialrichtung. Die magnetischen Felder von den Permanentmagneten 13 werden überlagert, um mit den Magnetfeldern in den zwischen den Zahnringen 1, 2, 3 auf dem Statorteil vorhandenen Zwischenräumen, d. h. den Zwischenräumen an der Außenseite (in Radialrichtung) der Spulen 6, 7, in Wechselwirkung zu treten. Wie in Fig. 5 deutlich wird, in der die Zähne 17, 18, 19, 20 mit einer 90º-Biegung wie in Fig. 4 gezeigt versehen sind, ist die Entwicklungsausführungsform so konstruiert, daß die Zähne mit einer abgeschrägten Form versehen sind, so daß einander gegenüberliegende Zahnkränze mit einem kleinen seitlichen Zwischenraum "einander ein wenig überlappen". Jedoch sind die Zähne von einem Zahnkranz zum nächsten verschoben, so daß vom äußeren linken Kranz zum nächsten Kranz die Zähne um eine halbe Zahnperiode verschoben sind, während die Rücken an Rücken montierten Zahnkränze in der Mitte eine entsprechende Zahnverschiebung von im wesentlichen einer viertel Zahnperiode aufweisen. Die Verschiebung zwischen zwei Zahnkränzen auf der rechten Seite entspricht derjenigen der linken Seite, nämlich einer halben Zahnperiode.
Die Felge 12 ist mittels einer aus einem festen Material gefertigten Felgenplatte 14 auf der Achse 22 befestigt. Die Felgenplatte 14 besitzt Schlitze, die zur Kühlung der Spulenwicklungen Luft zirkulieren läßt. Die erwärmte Luft wird vom Endrohr 16 gesammelt und kann optional zur Fahrgastraumbeheizung verwendet werden. Der Rotorteil rotiert koaxial um den Stator und wird wie oben erwähnt über eine Achse 22 von einem Lager unterstützt.
Um die Konstruktion z. B. in einem elektrisch getriebenen Fahrzeug praktisch einzusetzen, ist es erforderlich, daß der Motor ein hohes Anlaufdrehmoment entwickelt. Dies wurde bei der Entwicklungsausführungsform erreicht, indem die Anzahl der Permanentmagnetpole 13 so groß wie praktisch durchführbar gewählt wurde und indem die Anzahl der Zähne auf den Außenringen 1 und 3 gleich der Anzahl der Permanentmagnetpole der Polarität N (oder S) gewählt wurde, die mit dem Statorteil zusammen wirken. In einer praktischen Versuchsausführungsform der Entwicklungsausführungsforn wurden 48 Permanentmagnetflächen in einem abwechselnd magnetisierten Ring verwendet.
Auf dem Ring 2, der zwei Zahnkränze enthielt, war die gleiche Anzahl von Zähnen vorhanden wie Permanentmagnetpole der Polarität N und S, die mit dem Statorteil in Wechselwirkung traten. Die abwechselnde Anordnung der Zähne auf den Zahnkränzen ist in Fig. 3 schematisch gezeigt, wobei die Figur zeigt, daß die Zahnbreite B ungefähr gleich dem Abstand C zwischen den Zähnen ist und daß die Verschiebung zwischen den zwei mittleren Zahnkränzen B/2 beträgt. Ferner sind die Zähne der zwei äußeren Zahnkränze so angeordnet, daß sie im wesentlichen auf die Zahnzwischenräume der Kränze auf der Innenseite weisen.
Wenn den zwei Spulen 6, 7 über nicht gezeigte Versorgungsleitungen eine Spannung zugeführt wurde, wurde durch den im Innern angeordneten Kern 8 und durch die Ringe 1, 2, 3 über die Zähne 17, 18, 19, 20 ein magnetischer Fluß aufgebaut. Durch Anderung der Stromrichtungen in den Spulen 6, 7 gemäß einem sorgfältig geregelten Schema wurde eine Kraftwirkung auf den Rotorteil erhalten, so daß sich dieser schrittweise bewegte. In Fig. 6 ist ein Anderungsverlauf gezeigt, um den Rotorteil in einer Richtung vorwärts anzutreiben.
Fig. 6 zeigt die Polarität der jeweiligen Zahnkränze, wie sie durch die elektrische Stromrichtung in der darunterliegenden Spule bestimmt wird. Unten ist eine Anfangssituation gezeigt, in der der linke Kranz die Polarität N, der nächste Kranz 5, der nächste Kranz N und der Kranz auf der rechten Seite die Polarität 5 besitzen. Zum Zeitpunkt t&sub1; wird die Stromrichtung in der Spule 6 geändert, so daß die Polarität der zwei Zahnkränze auf der linken Seite geändert wird. Die zwei Zahnkränze auf der rechten Seite bleiben unverändert.
Zum Zeitpunkt t&sub2; (der vom Regler festgelegt wird und nicht notwendigerweise gleich 2t&sub1; sein muß) wird die Stromrichtung in der Spule 7 umgekehrt, während Spule 6 unverändert bleibt. Somit wird die Polarität der zwei Zahnkränze auf der rechten Seite geändert, während die zwei Kränze auf der linken Seite ihre Polaritäten beibehalten.
Zu einem neuen Zeitpunkt t&sub3; werden die Polaritäten der zwei linken Zahnkränze geändert, während die zwei rechten Kränze ihre Polaritäten behalten, wobei diese Operation fortgesetzt wird. Die Zeitpunkte für die Anderungen werden vom Regler auf der Grundlage der Messung der Stellung, der Drehzahl und der Drehrichtung des Rotorteils angepaßt. Die Messungen werden in der Entwicklungsausführungsform mittels Hall-Elementen 21 durchgeführt, die der Reglersteuerung die aktuelle Stellung der Permanentmagnete anzeigen. Dadurch ist es möglich, festzustellen, welche Polarität für eine gewählte Drehrichtung erforderlich ist. Ferner können die Hall-Elemente 21 zusammen mit einer weiteren elektronischen Schaltung die Drehzahl anzeigen. Bei einem Fahrzeug, das z. B. an beiden Hinterrädern mit einem Antrieb dieses Typs ausgestattet ist, würde z. B. eine Drehzahlverringerung eines Rades in einer Kurveninnenseite eine entsprechende Stromversorgungsfrequenzerhöhung im anderen Rad des Radpaares bewirken, die durch das Zusammenspiel zwischen den Hall- Elementen und den restlichen elektronischen Steuereinrichtungen bewirkt wird.
Durch Steuern der elektrischen Stromrichtung derart, daß die Zahnmagnetisierung einen Verlauf nimmt, wie oben in Verbindung mit Fig. 6 erläutert worden ist, rückt der Motor einen vollen Schritt vor, d. h. um die Strecke von einem Zahn zum nächsten Zahn auf demselben Zahnkranz, wie die Anzeige "ein Schritt" in Fig. 5 und Fig. 6 zeigt.
Durch Wiederholen dieses Verlaufs von Anderungen mit einer hohen Geschwindigkeit (entsprechend der aktuellen Raddrehzahl) könnte das Rad aufgrund der großen Anzahl der Zähne und der Permanentmagneten einen sanften Anlauf und einen gleichmäßigen Lauf aufweisen. Es ist klar, daß durch Vornehmen der Anderungen in einer anderen Reihenfolge der Motor in der entgegengesetzten Drehrichtung läuft.
Wie oben erwähnt ist, wäre es möglich, einen breiteren Motor zu konstruieren, der mehrere dazwischenliegende Zahnkränze besitzt. Die Zahnverschiebung würde dann einem entsprechenden Muster folgen, wie z. B. dem bereits erwähnten Muster, so daß es sehr einfach ist, zu veranschaulichen, daß ein neuer Zahnkranz rechts von demjenigen, der in Fig. 5 gezeigt ist, Rücken an Rücken zu Ring 3 montiert wird und eine Zahnverschiebung von einer viertel Periode aufweist, wobei die Zähne nach rechts hervorstehen. Der nächste Kranz wird rechts an der Außenseite montiert, wobei ein neuer äußerer rechter Zahnkranz als Abschluß Zähne aufweist, die um eine weitere halbe Zahnperiode verschoben sind. Hierbei werden drei Spulen verwendet, wobei die Spulenerregung dann entsprechend einem erweiterten Schema bezüglich des in Fig. 6 gezeigten Schemas geändert wird. In den Fig. 7 bis 13 ist nun die Weiterentwicklung des Motors gezeigt, die die vorliegende Erfindung darstellt. In diesen Figuren werden, soweit möglich, dieselben Bezugszeichen verwendet wie in den vorangegangenen Fig. 1 bis 6. Die Weiterentwicklung der Erfindung hat jedoch zu einigen neuen Elementen geführt, die mit zusätzlichen Bezugszeichen dargestellt sind.
Während der Entwicklung der vorliegenden Erfindung hat sich gezeigt, daß es notwendig ist, einen anderen Entwurf zu schaffen, um in den "Fingern" oder "Zähnen" der oben als "Zahnkränze" bezeichneten Elemente eine ausreichende Magnetisierung zu erzeugen. Bei der neuartigen Konstruktion hat der Erfinder erkannt, daß es vorteilhaft ist, diese "Finger" aus dünnen Metallblechen mit einer Dicke von vorzugsweise ungefähr 0,3 mm zu fertigen. Es wurden dünne Metallblechprofile unter Verwendung der entsprechenden T- und Γ-Formen, wie in den Fig. 9 und 10 gezeigt, ausgestanzt. Durch Zusammenfügen von vorzugsweise ungefähr 40 bis 50 solcher dünnen Metallbleche zu einem Paket wurde ein Lamellenblock 30 des in Fig. 9 gezeigten Typs bzw. ein Lamellenblock 35 des in Fig. 10 gezeigten Typs erhalten. Jedes T und jedes F besteht im allgemeinen aus einem aufrechten Schaft 24 bzw. 26 und einem oberen Balken 25 bzw. 27.
Anstelle der Zahnkränze, die in der ersten Entwicklungsausführungsform verwendet wurden und die von einem Zahnkranz zum nächsten verschobene Zähne aufwiesen, werden im vorliegenden Fall kreisförmig angeordnete Reihen von radial stehenden T- und Γ-Profilen vorgesehen, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Diese Figur zeigt den Radmotor gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht, wobei in einem "offenen" Quadranten eine Schnittansicht längs der Linie C-C in Fig. 8 gezeigt ist, so daß die radial aufrechten Schäfte 24 der T-Profile 30 zu sehen sind. Am radial äußeren Ende dieser Schäfte sind die oberen Balken 25 angeordnet, wobei in Umfangsrichtung zwischen diesen oberen Balken die oberen Balken 27 der Γ-Profile 35 angeordnet sind. Streng genommen befinden sich diese zuletzt genannten oberen Balken nicht in diesem Querschnitt, da sie nicht bis zu dieser Schnittebene reichen, jedoch sind sie zur Verdeutlichung in der Figur eingezeichnet. Zwischen den Enden der zwei oberen Γ-Balken, die einander zugewandt sind, ist ein Zwischenraum 34 vorhanden. Zwischen den oberen Balken 25 und 27 befindet sich ein Flußspalt 36. Die radial aufrechten Profilschäfte 24, 26 sind mit ihren unteren Enden mit den ringförmigen Kernen 8 im Eingriff.
In Fig. 8 ist eine Ansicht des Radmotors gezeigt, die der in Fig. 2 dargestellten Ansicht ähnlich ist. Hier wird mittels unterschiedlicher Schattierungsarten versucht, darzustellen, daß die Rotormagneten 13 im gezeigten Querschnitt unterschiedliche Polrichtungen besitzen. Dies wird in Fig. 12 deutlich, in der erkennbar ist, daß beim Motor gemäß der vorliegenden Erfindung im Rotor in Axialrichtung verschobene Magnetreihen verwendet werden, d. h. nicht derselbe Magnet, wie z. B. in der ersten Versuchsausführungsform In der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform, d. h. in einer Ausführungsform mit zwei Spulen 6, 7, die auf dem jeweiligen Kern 8 liegen, sind in Übereinstimmung mit den zwei Spulen zwei separate Ringe von Magneten 13 vorhanden, wobei die Magneten von einem Ring zum nächsten um eine halbe Breite verschoben sind, wie in Fig. 12 gezeigt ist. In Fig. 8 wird ferner deutlich, daß die T- und Γ-Profile 30, 35 mit ihren oberen Balken in einer axial geraden Konfiguration angeordnet sind, d. h. nicht mehr mit in Umfangsrichtung verschobenen Zähnen von einem Zahnkranz zum in Axialrichtung nächsten Zahnkranz, wie z. B. in der in Fig. 3 gezeigten ersten Versuchsausführungsform. Die Konfiguration gemäß der Erfindung wird in Fig. 11 am besten deutlich, in der die oberen Profilbalken radial von außen zu sehen sind. Der Zwischenraum 34 zwischen zwei oberen, einander zugewandten Γ-Balken 27 erscheint in dieser Figur ebenso wie der wichtige Flußspalt 36 zwischen zwei oberen Balken, die sich in Parallelrichtung erstrecken. Es ist das Magnetfeld in diesem Flußspalt, das mit dem Magnetfeld vom einzelnen Magneten 13 in den äußeren Magnetringen im Rotor in Wechselwirkung tritt.
Weitere Einzelheiten in Fig. 8, die erwähnt werden sollten, sind neben den Profilen oder Lamellenblöcken 30 und 35 die Seitenplatten 28, die den Stator zusammenhalten, wobei die Seitenplatten Lagergehäuse 29 mit Wellenlagern 9 enthalten und durch Schrauben/Bolzen 11 zusammengehalten werden. Der Motor wird mittels Befestigungsschrauben 31 angebracht.
Als Alternative zu den Hall-Elementen, die vorher in der Beschreibung in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 erwähnt worden sind und die ebenfalls in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, ist in Fig. 8 eine Indexscheibe 32 gezeigt, die gemeinsam mit einem Optokoppler 33 dazu dient, die Rotorstellung und die Drehzahl zu messen, um Daten für die Steuerelektronik zur Verfügung zu stellen. Damit sich der Motor wie in Fig. 11 gezeigt einen Schritt bewegt, ist es erforderlich, daß in den Profilen oder Lamellenblöcken 30, 35 ein Magnetisierungsverlauf stattfindet, wie er in Fig. 13 gezeigt ist. Dieser Verlauf ist dem in Fig. 6 gezeigten Verlauf sehr ähnlich und kann wie folgt beschrieben werden: In Fig. 13 sind die Polrichtungen für die zwei Spulen gezeigt, die jeweils als linke Spule und rechte Spule bezeichnet werden. Die Polaritäten werden durch die Richtungen der elektrischen Ströme in den Spulen bestimmt. Eine Ausgangssituation ist unten gezeigt, in der die linke Spule in einer Richtung polarisiert ist, d. h. ihr Südpol weist nach rechts, während die rechte Spule in diesem Augenblick in dieselbe Richtung polarisiert ist, d. h. ihr Südpol weist nach rechts. Zu einem Zeitpunkt t&sub1; wird die Stromrichtung in der linken Spule geändert, so daß die Polrichtungen geändert werden. Zu diesem Zeitpunkt, d. h. zu t&sub1;, findet in der rechten Spule keine Anderung statt.
Zu einem Zeitpunkt t&sub2; (der vom Regler bestimmt wird und nicht notwendigerweise gleich 2t&sub1; sein muß) wird die Stromrichtung in der rechten Spule umgekehrt, während die linke Spule unverändert bleibt. Somit ändert sich die Polrichtung für die rechte Spule, während die linke Spule ihre Polrichtung beibehält.
Zu einem neuen Zeitpunkt t&sub3; wird erneut die Polrichtung für die linke Spule umgekehrt, während die Polrichtung der rechten Spule erhalten bleibt, wobei dies fortgesetzt wird. Die Änderungszeiten werden vom Regler auf der Grundlage der Messung der Stellung, der Drehzahl und der Drehrichtung des Rotorteils angepaßt.
Das Bezugszeichen 37 bezieht sich auf Ringe mit Kerben auf der Außenseite und der Innenseite zum Befestigen und Halten der Lamellenblöcke 30, 35.
Die Art der Anordnung der Profile, die gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, bewirkt, daß der magnetische Fluß in den Flußspalten 36 eine Richtung annimmt, die der Drehrichtung des Motors entspricht und nicht im wesentlichen in schräger Richtung verläuft, was bei der vorangegangenen Versuchsausführungsform der Fall war.
Die ringförmigen Kerne 8 unter den Spulen 6, 7 bestehen vorzugsweise aus einer gewickelten Spule auf dünnem Metallblech, das beide Zwischenräume ausfüllt, die sich zwischen den unteren Teilen der T- und Γ-Profile befinden.
Die Operationsweise des Motors gemäß der Erfindung ist derjenigen sehr ähnlich, die oben mit Bezug auf die Entwicklungsausführungsform beschrieben worden ist, und muß nicht wiederholt werden. Ferner ist es auf dieselbe Weise wie in Verbindung mit der Entwicklungsausführungsform erwähnt möglich, einen breiteren Motor zu konstruieren, der mehrere Spulen und mehrere zugehörige T-Profile besitzt, die zwischen diesen angeordnet sind. An jeder Außenseite sind immer Γ-Profile angeordnet, deren obere Balken nach innen weisen. Ansonsten stehen zwischen den Spulen T-Profile. Die Operationsweise zum Erregen der Spulen folgt dann in derselben Weise wie oben erwähnt einem erweiterten Schema.
Ein wichtiges zusätzliches Merkmal des hier beschriebenen Motors ist, daß er dann, wenn er in einem Fahrzeug verwendet wird, fähig ist, in einer umgekehrten Betriebsart bei Bergabfahrt die Batterien aufzuladen, d. h. er ist fähig, als Generator zu arbeiten. Somit kann dieser Motor ferner als magnetische Bremsvorrichtung verwendet werden.

Claims

1. Elektrischer Schrittmotor mit einem Statorteil und einem Rotorteil von im wesentlichen zylindrischer Gestalt, wobei der Statorteil wenigstens zwei um jeweilige ringförmige Kerne (8) gewundene ringformige Spulen (6, 7) umfaßt, wobei die Kerne (8) parallel zueinander und mit einer die Motorachse bildenden gemeinsamen Achse angeordnet sind, wobei den Spulen (6, 7) gesondert Wechselstrom aus einer elektronisch gesteuerten Stromquelle zugeführt wird, um alternierend eine Anzahl flußleitender Elemente (30, 35) zu magnetisieren, welche der Statorteil aufweist und welche aufeinanderfolgend entlang der Richtung des Zylinderumfangs angeordnet sind, um eine Reihe Flußspalte (36) mit Flußrichtungen entlang der Umfangsrichtung zwischen den Elementen zu bilden, wobei die Elemente (30, 35) mit den Spulenkernen (8) in Eingriff stehen, um magnetischen Fluß von diesen weg und zu den Flußspalten (36) hin und durch diese hindurch zu leiten, und wobei der Rotorteil durch ein Rad gebildet ist, welches an der Außenseite des Statorteils konzentrisch angeordnet ist, wobei das Rad an seiner radial inneren Seite mit Magneten (13) zur Wechselwirkung mit den magnetischen Feldern des Stators versehen ist, wobei die Magnete (13) nur einen kleinen Abstand zu der radial äußeren Fläche des Stators aufweisen und mit radial gerichteter Polrichtung und, in Umfangsrichtung gesehen, mit alternierendem Nord- und Südpol zum Stator hin angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die flußleitenden Elemente im wesentlichen T- und Γ-förmige Profile (30, 35) sind, welche so angeordnet sind, daß das untere Ende jedes T-Profilschafts (24) zwischen zwei Nachbarkernen (8) angeordnet ist und mit diesen in Eingriff steht und das untere Ende jedes Γ- Profilschafts (26) an der Außenseite eines der beiden äußeren Kerne (8) angeordnet ist und mit diesem in Eingriff steht, wobei sich die Profilschafte (24, 26) jeweils in einer Radialrichtung über die Spulen (6, 7) hinaus erstrecken und in kreisförmig angeordneten Reihen zwischen den Spulen (6, 7) und an deren axial äußeren Seite gleichförmig verteilt sind, wobei die oberen Balken (25, 27) sowohl der T-Profile (30) als auch der Γ-Profile (35) in eine Richtung parallel zu der Achse weisen, wobei die oberen F-Balken (27) zur gegenüberliegenden axial äußeren Seite weisen und jeweils eine radial äußere Begrenzungsfläche aufweisen, welche im wesentlichen bündig mit der äußeren Zylinderfläche des Statorzylinders ist, wobei die Profilschafte (24, 26) von einer kreisförmig angeordneten Reihe zu der nächsten in einer derart versetzten Reihenfolge angeordnet sind, daß jede äußere Spule (6, 7) an ihrer radial äußeren Seite in gleichen und gleichförmig verteilten aufeinanderfolgenden Sektoren alternierend durch einen oberen F-Balken (27) und einen oberen T-Balken (25) überdeckt ist, wobei ein in Umfangsrichtung sich erstreckender Flußspalt (36) dazwischen besteht, sowie auf solche Weise angeordnet sind, daß jede axial innere Spule auf eine entsprechende Weise durch obere Balken (25) überdeckt ist, welche zu T-Profilen (30) mit Schaften (24) gehören, welche alternierend auf der einen und der anderen axialen Seite der betreffenden Spule angeordnet sind, wobei derselbe in Umfangsrichtung sich erstreckende Flußspalt auch zwischen diesen oberen Balken (25) vorgesehen ist, und wobei obere Balken (25, 27) von Γ- und T-Profilen (30, 35) in einer Richtung parallel zu der Achse aufeinander zu weisen, wobei sie längs geschnitten sind, um axiale Zwischenräume (34) dazwischen vorzusehen, und daß

b) die Magnete (13) in dem Rotorteil in Umfangsrichtung jeweils eine Ausdehnung aufweisen, welche dem Zentrumsabstand in Umfangsrichtung zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten oberen Balken (25, 27) in der äußeren Zylinderfläche des Stators im wesentlichen entspricht, und in einer nahe beieinander liegenden Anordnung liegen, um einen Magnetring zu bilden, wobei die der Anzahl der Spulen (6, 7) in dem Stator gleiche Anzahl derartiger Magnetringe in einer Richtung parallel zu der Achse nahe aneinander vorgesehen ist, wobei jedoch jeder aufeinanderfolgende Magnet (13) in dem Ring in Umfangsrichtung um einen halben Magnetsektor bezüglich der Magneten (13) des Nachbarrings versetzt ist.

2. Elektrischer Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder obere Balken (25) eines T-Profils axial etwas über die Breite der Spulen (6, 7) an den beiden Nachbarkernen (8) neben dem Schaft (24) des Profils hinausragt und daß jeder obere Balken (27) eines Γ-Profils axial etwas über die Breite seiner benachbarten äußeren Spule (6, 7) hinausragt.

3. Elektrischer Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2 mit zwei Spulen in dem Statorteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jedes oberen Balkens (25) eines T- Profils die axiale Ausdehnung des Statorteils definiert, wobei der Statorteil nur eine einzige kreisförmig angeordnete Reihe von T-Profilschaften und zwei axial äußere kreisförmig angeordnete Γ-Profilschaftreihen aufweist,

wobei jeder obere F-Balken (27)

direkt zu einem gegenüberliegend angeordneten oberen Γ-Balken (27) hinweist.

4. Elektrischer Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2 mit drei Spulen in dem Statorteil, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Paare mit einem Γ- und einem T-Profil (35, 30) an dem Statorteil in Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei die beiden oberen Balken (27, 25) eines Paars in Axialrichtung gerade aufeinander zu weisen, wobei die Reihenfolge hinsichtlich der Γ- und T-Profile für jedes aufeinanderfolgende Paar umgekehrt ist und die axiale Ausdehnung des Statorteils durch die Summe der Länge eines oberen T-Balkens (25) und eines oberen F-Balkens (27) plus dem Zwischenraum (34) definiert ist.

5. Elektrischer Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2 mit vier oder mehr Spulen in dem Statorteil, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnete achsparallele Reihen von T-Profilen (30) an dem Statorteil angeordnet sind, wobei die T-Profile jeder nachfolgenden Reihe bezüglich der vorhergehenden Reihe um einen Abstand versetzt sind, welcher gleich dem axialen Zentrumsabstand zwischen den Spulen ist, und in jeder zweiten nachfolgenden achsparallelen Reihe an einem oder an beiden äußeren Enden von dieser der obere Balken (27) eines Γ-Profils (35) angeordnet ist, wobei die axiale Ausdehnung des Statorteils durch die Summe der Längen der oberen T-Balken (25) plus (einem) möglichen oberen Γ-Balken (27) plus Zwischenräumen (34) zwischen diesen in einer achsparallelen Reihe definiert ist.

6. Elektrischer Schrittmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (13) in dem Rotorteil separate Permanentmagnete sind.

7. Elektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (13) in dem Rotorteil separat magnetisierte Bereiche eines magnetisierbaren Rings sind.

8. Elektrischer Schrittmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die T- und Γ-Profile (30, 35), die Statorspulen (6, 7) und eine elektronische Regeleinrichtung dazu ausgelegt sind, miteinander die oberen Balken (25, 27) der Profile auf solche Weise zu magnetisieren, daß die Feldrichtung in den Flußspalten (36) zwischen in Umfangsrichtung benachbarten oberen Balken (25, 27) in axial aufeinanderfolgender Reihenfolge oberhalb jeder zweiten Spule einzeln invertiert wird, um damit in einer Axialrichtung aufeinanderfolgend einen Zyklus von Feldrichtungsumkehrungen in den Flußspalten (36) vorzusehen, wobei der Zyklus mit einer Frequenz wiederholt wird, welche an die momentane Drehgeschwindigkeit des Rads angepaßt ist.

9. Elektrischer Schrittmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer elektronischen Regeleinrichtung signalmäßig verbundene Hall-Elemente (21) dazu ausgelegt sind, die Rad-Drehgeschwindigkeit und die Stellungen der Magnete (13) zu erfassen, um die Magnetfelder des Statorteils zu steuern.

10. Elektrischer Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor mit einer Indexscheibe (32) mit Aussparungen versehen ist, welche durch wenigstens einen Optokoppler (33) läuft, welcher mit einer elektronischen Regelvorrichtung verbunden ist, damit die Radgeschwindigkeit und die Stellungen der Magnete (13) erfaßt werden, um die Magnetfelder des Statorteils zu steuern.