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Die vorliegende Erfindung hat einen vielpoligen mehrphasigen
Schrittmotor zum Gegenstand, welcher einen scheibenförmigen Rotor aufweist,
welcher N Polpaare aufweist, welche um eine zentrale Achse verteilt sind und
in einer Richtung magnetisiert sind, die parallel zu dieser Achse ist, mit einem
Statormagnetkreis mit mehreren Phasen.
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Mehrphasige Schrittmotoren dieses Typs sind bekannt.
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Im Patent FR-A-2 361 014 ist ein einphasiger einpoliger Schrittmotor
beschrieben, der einen scheibenförmigen Rotor aufweist. Dieser Motor besitzt
eine Spule in Form einer runden Scheibe, welche unter dem Rotor und den
statischen polaren Stücken angeordnet ist. Diese Ausführungsform hat die
Unzulänglichkeit eines grossen Höhenverlustes wegen der Stapelung von
verschiedenen Elementen, aus welchen der Motor zusammengesetzt ist; im
weiteren ist der Motor dieses Typs einphasig, er besitzt nur einen einzigen
bevorzugten Rotationssinn.
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In der Patentschrift CH 653 189 ist ein mehrphasiger vielpoliger
Motor beschrieben, welcher einen scheibenförmigen Rotor besitzt. Jede Phase
dieses Motors besteht aus zwei U-förmigen Teilen (12', 12"), welche einander
gegenüberliegend angeordnet sind und mit einer Phasenspule (13', 13")
gekuppelt sind.
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Eine solche Anordnung kann für einen Motor mit grossen
Ausmassen zweckmässig sein, für einen Motor mit kleinen Ausmassen führt diese
Anordnung zu einem Höhenverlust und einer beträchtlichen Vergrösserung der
mittleren Länge der Spule. Im weiteren sind die Kosten für die Herstellung
eines solchen Motors sehr hoch, da eine Anzahl von einzelnen Stücken mit
Präzision zusammenzusetzen ist.
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Im Patent US-4 634 906 ist ein mehrphasiger vierpoliger Motor
beschrieben, welcher einen scheibenförmigen Magnet besitzt und einen Satz von
Statormagnetkreisen, welche in der gleichen Ebene angeordnet sind. Jeder
Statormagnetkreis ist aus zwei ineinandergreifenden polaren Stücken
zusammengesetzt. Gemäss der in Betracht gezogenen Phase nimmt die Verzahnung
des Stators einen vollständigen Pol in Anspruch (p1 und p4 der Fig. 2) oder
einen Teil des Pols (p5 und p9 der Fig. 2). Diese Konstruktion führt
unausweichlich zu einem Polschuh, der mechanisch sehr schwach ist (geschwächter
Querschnitt in der Ebene des Pols p5 der Fig. 2), vor allem wenn die Anzahl
der Pole des Motors erhöht ist.
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Im Patent CH 683 810 A5 ist ein mehrphasiger vielpoliger Motor
beschrieben, welcher einen scheibenförmigen Magneten aufweist und einen
Statormagnetkreis, welcher aus zwei Hauptpolschuhen besteht (4a, 5a; 4b, 5b),
welche je an einem Ende mit dem Kern der Spule (1a, 1b) verbunden sind und
ein Zwischenposchuh (6a; 6b) sich in der gleichen Ebene befindet. Diese
Anordnung erlaubt die Lösung des Problems des schwachen Querschnitts,
welcher dem Motor des Patentes US-4 634 906 eigen ist; im Gegensatz dazu
besitzt sie die Unzulänglichkeit eines verminderten Kupplungsfaktors zwischen
dem Magneten und der Spule jeder Phase. In der Tat muss bei dieser
Anordnung der Fluss, welcher durch die Statorspule erzeugt wird, zwei
aufeinanderfolgende Zwischenräume durchqueren, nämlich den Zwischenraum
zwischen dem ersten Hauptpolschuh und dem Zwischenpolschuh und dem
zweiten Hauptpolschuh.
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Eine andere wichtige gemeinsame Unzulänglichkeit der beiden
vorzitierten Motoren ist die Abwesenheit eines
Aufrechterhaltungsdrehmomentes, wenn die Phasenspulen nicht gespiesen sind. Für gewisse Anwendungen,
wie beispielsweise den Antrieb von Nadeln eines Messinstrumentes für eine
analoge Anzeige, kann die Abwesenheit eines
Aufrechterhaltungsdrehmomentes die permanente Speisung der Phasenspule nötig machen, was zu einem
übermässigen Energiekonsum des Instrumentes führt.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein
vielpoliger und mehrphasiger Motor vorgeschlagen wird, welcher reduzierte
Ausmasse, eine einfache Konstruktion, eine erhöhte Energieausbeute besitzt,
dank der Verbesserung des Kupplungsfaktors zwischen dem Magneten und
der Phasenspule und dank dem Aufrechterhaltungsdrehmoment in
Abwesenheit von Strom in den Spulen.
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Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein vielpoliger mehrphasiger
Schrittmotor gemäss den Ansprüchen 1 bis 5 vorgeschlagen.
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Die Erfindung wird anschliessend mittels von Beispielen, mehreren
möglichen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Motors unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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Fig. 1 eine Oberansicht des Magnetkreises einer ersten
Ausführungsform des Motors zeigt.
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Fig. 2 zeigt eine Schnittzeichnung des Kreises der Fig. 1 entlang der
Achse I-I der letzteren.
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Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Rotormagneten.
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Fig. 3' zeigt schematisch die magnetischen Feldlinien, welche durch
den Magneten gemäss Fig. 3 erzeugt werden.
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Fig. 4 stellt eine Oberansicht des Magnetkreises einer zweiten
Ausführungsform des Motors dar.
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Fig. 5 stellt eine dritte Ausführungsform des Motors dar.
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Fig. 6 stellt eine vierte Ausführungsform des Motors dar.
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Die Fig. 7 und 7' stellen eine fünfte Ausführungsvariante des Motors
dar.
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Fig. 1 zeigt eine Oberansicht des Magnetkreises einer ersten
Ausführungsform des Motors. In diesem Beispiel besitzt der Motor sieben Polpaare
und zwei Phasen. Der Mag netkreis jeder Phase ist aus einem externen
Polschuh (1, 1') und einem internen Polschuh (2, 2') zusammengesetzt; wobei
die zwei Polschuhe in der gleichen Ebene parallel zu derjenigen des Rotors 5,
wie in Fig. 2 dargestellt, angeordnet sind. Die beiden Polschuhe jeder Phase
sind je an einem Ende mit einem Spulenkern (3, 3'), die eine Spule tragen (4,
4'), verbunden. Der interne Polschuh (2, 2') besitzt eine Verzahnung, deren
Zahnteilung 2π/7 beträgt. Der externe Polschuh (1, 1') besitzt zwei
unterschiedliche gezahnte Zonen. Die erste gezahnte Zone (d1, d1'), die sich
im Innern befindet, besitzt eine Zahnteilung von 2π/7; die Zähne der ersten
Zone des externen Stators sind mit denjenigen des internen Stators verzahnt.
Diese Struktur schafft unter der Wirkung des Stroms beim Ablauf der Phase
eine Aufteilung der Induktion des Stators in der gleichen Periode wie diejenige,
welche durch den Magneten des Rotors erzeugt wird und aus diesem Grund
ein Wechselwirkungsdrehmoment mit dem Rotormagneten. Die zweite
verzahnte Zone des externen Stators, welche sich ausserhalb der ersten Zone
befindet, besitzt eine Zahnteilung von 2π/14. Diese zweite gezahnte Zone
erzeugt durch Wechselwirkung mit der Induktion des Rotors und unter der
Wirkung der Permeanzvariation ein Aufrechterhaltungsdrehmoment mit einer
Periode, die zweimal kleiner ist als diejenige des Momentes, welches durch
den Strom der ersten Zone erzeugt wird. Man bemerkt, dass die gezahnten
Strukturen der zwei Zonen gegeneinander verschoben sind, dies mit dem Ziel
ein günstiges Startdrehmoment zu erhalten.
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Fig. 3 stellt eine schematische Plandarstellung des Magnetes des
Rotors mit sieben Polschuhen (N, S) dar, welche um eine zentrale Achse
angeordnet sind, rechtwinklig zur Zeichnungsebene.
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Die Verteilung der Magnetfeldlinie des Magneten ist schematisch in
Fig. 3' erläutert.
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Fig. 4 stellt eine schematische Planansicht des Magnetkreises einer
zweiten Ausführungsform des Motors dar. In dieser Ausführungsform bilden
zwei interne Polschuhe des Motors eine Einheit, was einerseits eine
mechanische Verstärkung dieser Stücke und anderseits eine Erleichterung der
Montage dieser Stücke erlaubt. Im weiteren kann man in diesem einheitlichen
internen Polschuh eine gezahnte Zone d3 schaffen, welche zum gesamten
Aufrechterhaltungsdrehmoment beiträgt.
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Dem gleichen Ziel, jedoch zur Erleichterung der Montage des
Motors, dient eine dritte Ausführungsform des Motors, welche in Fig. 5 dargestellt
ist. In dieser Ausführungsform sind die zwei externen Polschuhe des Stators
miteinander durch Klammern (a) mit reduzierten Querschnitten verbunden, um
ein einheitliches mechanisches Ganzes zu schaffen. Dieses Ganze, welches
leicht durch Pressen erhalten wird, erleichtert die Montage der Polschuhe. Die
Klammern (a) besitzen mit ihrem verminderten Querschnitt nur eine rein
mechanische Funktion und ändern das Funktionieren des Motors nicht.
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Fig. 6 stellt eine Ausführungsform des Motors dar, in welcher die
Spulenkerne ein einheitliches Ganzes mit den externen Polschuhen bilden. In
dieser Ausführungsform ist, um eine Überlagerung des Spulenkerns mit dem
internen Polschuh zu ermöglichen, der letztere an den Stellen p1 und p2
gefaltet.
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Bei gewissen Anwendungen ist es erforderlich, dass der Motor mit
einer erhöhten Frequenz funktioniert. In dieser Optik ist die Reduktion des
Rotordurchmessers zur Verminderung seiner Trägheit wesentlich. Die Schaffung
eines Aufrechterhaltungsmomentes durch eine zweite gezahnte Zone führt zu
einer Erhöhung des Rotordurchmessers um diese Zone abzudecken, was für
gewisse Anwendungen nicht geeignet ist.
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Die Fig. 7 und 7' stellen eine Ausführungsform des Motors mit einem
Rotor mit einem reduzierten Durchmesser dar. In diesem Fall wird ein
Aufrechterhaltungsmoment des Motors erhalten, durch eine Reibung zwischen
dem Rotor und seiner Lagerung, durch Wirkung der magnetischen
Anziehungskraft zwischen dem Rotormagneten und dem statischen
Magnetkreis, anstelle des Systems mit einer doppelten Verzahnung des
externen Stators der vorherigen Ausführungsformen.
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Wenn die magnetische Anziehungskraft einen reduzierten Wert
besitzt, ist ein klassisches Drehsystem nicht ausreichend, um ein genügendes
Aufrechterhaltungsdrehmoment zu erhalten, um die Position des Rotors in
Abwesenheit eines Stroms und unter Wirkung von angulären Stössen, welche bei
einem Messinstrument auftreten können, zu garantieren. In diesem Fall ist es
erforderlich, den Reibungsbereich wesentlich zu vermindern, um den
gewünschten Wert zu erhalten. Die Praxis zeigt, dass der Rotor anguläre Stösse
aushalten muss, die grösser oder gleich 5000 rad/S² sind, um die Präzision des
Instrumentes zu garantieren. Unter diesen Bedingungen soll der
Reibungsbereich zwischen dem Rotor und seiner Achse genügend gross sein, um ein
Reibungsmoment zu erzeugen, welches grösser ist als das anguläre
Beschleunigungsmoment, welches ausgedrückt wird durch:
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Cacc = J dω/dt
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Cacc = Winkelbeschleunigungsmodell
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J = Trägheitsmoment des Rotors
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dω/dt = Winkelgeschwindigkeit = 5000 [rad/S²]
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Die Schaffung eines Aufrechterhaltungsmomentes durch die
Reibung führt effektiv zu einer leichten Verminderung der Ausbeute des Motors; im
Gegensatz kann der Motor bei einer erhöhten Frequenz funktionieren, dank der
Verminderung der Trägheit des Rotors und der Verbesserung der dynamischen
Stabilität, welche durch die Erhöhung der Reibung erzielt wurde. Im weiteren
wird dank der grossen Reibungsoberfläche der spezifische Druck beim Kontakt
reduziert und die Erfahrung bei derartigen Motoren zeigt, dass das Problem der
Abnützung praktisch inexistent ist. Die Fig. 7' zeigt den Rotor (5), die
Kontaktoberfläche (6), den inneren Polschuh (2) und die Spulen (4, 4').