DE69808705T2

DE69808705T2 - Elektrischer Motor

Info

Publication number: DE69808705T2
Application number: DE69808705T
Authority: DE
Inventors: Chikara Aoshima; Toyoshige Sasaki
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-07-17
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2018-07-10
Also published as: US6046517A; DE69808705D1; EP0892484B1; EP0892484A1; JPH1141902A; JP3517556B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Miniaturmotor, bei dem die Fläche eines Stators in Beziehung zu einer Spule definiert ist.

Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik

Fig. 13 zeigt einen zylindrischen Schrittmotor, der derzeit als Miniaturmotor verfügbar ist. Statorspulen 105 sind koaxial um Spulenträger 101 gewickelt, wobei die Spulenträger 101 wiederum in Richtung der Motorachse von zwei Statorjochen 106 festgeklemmt sind. Die Statorjoche 106 besitzen jeweils Statorzähne 106a und Statorzähne 106b, die abwechselnd kreisförmig um die Innenumfänge der Spulenträger 101 angeordnet sind. Die Statorjoche 106 sind einstückig mit den Statorzähnen 106a und 106b ausgebildet und an einem Gehäusepaar 103 fixiert, wodurch ein Stator 102 gebildet wird.
Ein Gehäuse des Gehäusepaars 103 trägt einen Flansch 115 und ein Lager 108, das andere Gehäuse des Gehäusepaars 103 trägt das andere Lager 108. Ein Rotor 109 enthält einen Rotormagneten 111, der an einer Rotorwelle 110 fixiert ist, und es gibt einen radialen Luftspalt zwischen dem Rotormagneten 111 und dem Statorjoch 106a des Stators 102. Die Rotorwelle 110 wird drehbar von zwei Lagern 108 gehaltert. Der so aufgebaute Miniatur-Schrittmotor dient zum Antreiben eines Kameraobjektivs und ist in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 3-180823 offenbart.
Da der obige herkömmliche Miniatur-Schrittmotor die Gehäuse 103, die Spulenträger 101, die Statorspulen 105, Statorjoche 106 und dergleichen in koaxialer Anordnung um den Rotor herum aufweist, baut der Motor groß. Der von den stromführenden Statorspulen 105 erzeugte Induktionsfluß verläuft hauptsächlich an der Stirnfläche 106a1 des Statorzahns 106a und der Stirnfläche 106b1 des Statorzahns 106b gemäß Fig. 14. Damit kann der Induktionsfluß nicht effizient auf den Rotormagneten 111 einwirken, versagt also bei der Erzeugung einer hohen Motor- Ausgangsleistung.
Auf kompakte Abmessungen und einfache Fertigungsmöglichkeit abzielende Motorausgestaltungen sind in der JP-A-61128762 und JP-A-61128763 offenbart. Sie besitzen becherförmige Magnetkerne, die aus einem flachen Material gefertigt werden können, welches mehrere sich in radialer Richtung ausgehend von einer ringförmigen Basis erstreckende Schenkel aufweist, wobei diese Schenkel rechtwinklig zur Basis in geeignete Form gebogen werden. Auch die US 4 754 183 und die DE 44 23 952 zeigen alternative Ausgestaltungen, ohne allerdings eine zufriedenstellende Lösung des angegebenen Problems zu liefern.
Die US-Patentanmeldung Nr. 08/831,863 (CFO 12034 US) (entsprechend der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 801 459 gemäß Artikel 54(3) EPC), die auf einer Anmeldung der Anmelderin der vorliegenden Erfindung beruht, zeigt eine Methode, die dieses Problem löst.
Der in den vorgenannten Anmeldungen vorgeschlagene Motor enthält einen zylindrischen Rotor, bestehend aus einem Permanentmagneten, dler zu abwechselnden Polaritäten magnetisiert ist, die gleichmäßig und kreisförmig um eine erste Spule beabstandet sind, wobei eine erste Spule, ein Rotor und eine zweite Spule in der Richtung des Rotors angeordnet sind. Ein erster externer Magnetpol und ein erster interner Magnetpol, beide von der ersten Spule erregt, sind so angeordnet, daß sie dem Außenumfang bzw. dem Innenumfang des Rotors gegenüberliegen, und ein zweiter externer Magnetpol und ein zweiter interner Magnetpol, beide von der zweüten Spule erregt, sind so angeordnet, daß sie dem Außenumfang bzw. dem Innenumfang des Rotors gegenüberstehen. Eine Drehwelle steht aus dem zylindrischen Permanentmagneten vor.
Ein solcher Motor besitzt verringerte äußere Abmessungen und liefert eine hohe Ausgangsleistung. Allerdings machen es die kleinen radialen Abmessungen der internen Magnetpole schwierig, gezahnte Pole spanabhebend auszubilden. Außerdem besteht Bedarf an einem Motor mit kleinen radialen Abmessungen, der bei geringem Auslauf eine zuverlässige Ausgangsleistung liefert.
Die US-Patentanmeldung Nr. 08/994, 994 (CFO 12486 US) (entsprechend der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 851 560 gemäß Artikel 54(3) EPC), die auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung zurückgeht, offenbart einen Motor mit einem internen Magnetpol, der sich einfach bearbeiten läßt. Außerdem zeigt die US- Patentanmeldung Nr. 09/22474 (CFO 12555 US) (entsprechend der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 859 449 entsprechend Artikel 54(3) EPC), die auf einer Anmeldung der Anmelderin der vorliegenden Erfindung zurückgeht, einen Motor mit einem Rotor, der eine zuverlässige Ausgangsleistung bei geringem Rundlauffehler liefert, und bei dem eine Übersetzungseinrichtung, beispielsweise ein Zahnrad und ein Riemenrad, in einfacher Weise auf einer Drehwelle mit kleinen radialen Abmessungen gelagert wird.
Bedarf steht an einem Miniatur- und Hochleistungsmotor, der den Vorteil einer Relation zwischen Spule und Stator nutzt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist folglich ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Stator auszugestalten, der zu der Gestaltung eines Miniatur- und Hochleistungsmotors beiträgt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Fläche eines äußeren Magnetpols basierend auf der äußeren Umfangsfläche einer Spule festzulegen.
Erfindungsgemäß werden diese Ziele erreicht durch einen Schrittmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche zielen ab auf Weiterentwicklungen der Erfindung.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Motor einen zylindrischen Magneten, eine erste und eine zweite Spule, einen ersten und einen zweiten äußeren 'Teil, einen ersten und einen zweiten äußeren Basisteil, einen ersten und einen zweiten inneren Teil und einen ersten und einen zweiten Verbindungsteil. Der erste Verbindungsteil vereint den ersten äußeren und inneren Teil. Der zweite Verbindungsteil vereint den zweiten äußeren und inneren Teil. Der erste äußere Basisteil befindet sich zwischen der Mitte der ersten Spule und dem ersten Verbindungsteil gegenüber dem Magneten in dessen axialer Richtung. Der zweite äußere Basisteil befindet sich zwischen der Mitte der zweiten Spule und dem zweiten Verbindungsteil gegenüber dem Magneten in dessen axialer Richtung.
Darüber hinaus kann der Motor außerdem eine starr mit dem Magneten verbundene Drehwelle aufweisen.
Weitere Ziele der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der folgenden Ausführungsbeispiele.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht, die einen Motor einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine vergrößerte, perspektivische Ansicht des Stators des Motors nach Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die den Motor nach Fig. 1 im zusammengebauten Zustand zeigt;
Fig. 4A bis 4H zeigen den Drehvorgang des Rotors des Motors nach Fig. 3;
Fig. 5 ist eine vergrößerte, perspektivische Ansicht eines Stators des Motors nach Fig. 1;
Fig. 6 zeigt die Verteilung des Magnetfelds des Motors in einer Ebene C des Stators nach Fig. 5;
Fig. 7 zeigt die Verteilung des Magnetfelds des Motors in einer Ebene D des Stators nach Fig. 5;
Fig. 8 zeigt die Verteilung des Magnetfelds in dem anderen Stator des Motors nach Fig. 1;
Fig. 9 zeigt die Form des Stators des Motors nach Fig. 1;
Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen der Form des Stators und dem Drehmoment in dem in Fig. 1 gezeigten Motor;
Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen der Drehzahl und dem Drehmoment des Rotors, wenn ein äußerer Zylinderendteil sich an den Positionen 8a und 8c in Fig. 9 befindet;
Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht, die die Form des Stators nach Fig. 1 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 13 ist eine Querschnittansicht eines herkömmlichen Schrittmotors; und
Fig. 14 zeigt den Induktionsfluß des herkömmlichen Schrittmotors nach Fig. 13.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im folgenden soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen diskutiert werden.
Fig. 1 bis Fig. 4 zeigen einen Schrittmotor einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 1 ist eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht, die den Schrittmotor zeigt, Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht der einander gegenüberstehenden Statoren des Motors, Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die den Motor im zusammengebauten Zustand zeigt, und Fig. 4A bis 4H sind Querschnittansichten des Motors entlang den Linien A-A und B-B.
Auf die Fig. 1 bis 4H bezugnehmend, ist der einen Rotor bildende zylindrische Magnet 1 in n (hier 4) Teile kreisförmig über seinen Außenunifang unterteilt und zu abwechselnden S- und N-Polen magnetisiert, um magnetisierte Zonen 1a, 1b, 1c und 1d zu bilden. Magnetisierte Zonen 1a und 1c sind S-Pole, während magnetisierte Zonen 1b und 1d N-Pole sind. Der Innenumfang des Nlagneten 1 ist mit entgegengesetzter Polarität bezüglich des gegenüberliegenden Außenumfangs magnetisiert. So zum Beispiel sind die Innenumfänge der magnetisierten Zonen 1a und 1c N-Pole, während die Innenumfänge der magnetisierten Zonen 1b und 1d S-Pole sind. Eine Ausgangswelle 7 ist eine Rotorwelle. Die Ausgangswelle 7 ist starr mit dem Magneten 1 gekoppelt, und die Ausgangswelle 7 und der Magnet 1 bilden den Rotor. Zylindrische Spulen 2 und 3 sind bezüglich des Magneten 1 colinear und halten den Magneten 1 zwischen sich in Richtung von dessen Achse. Die Spulen 2 und 3 besitzen einen Außendurchmesser, der etwa demjenigen des Magneten 1 gleicht.
Ein erster Stator 18 und ein zweiter Stator 19 bestehen aus weichmagnetischem Material. Der erste Stator 18 und der zweite Stator 19 sind mit einer Differenz von 180º/n, das sind hier 45º bei dieser Ausführungsform, angeordnet. Sowohl der erste Stator 18 als auch der zweite Stator 19 sind aus einem Innenzylinder und einem Außenzylinder gebildet. Die Spule 2 befindet sich zwischen dem Innenzylinder und dem Außenzylinder des ersten Stators 18. Fließt ein Strom durch die Spule 2, wird der erste Stator 18 erregt.
Fig. 2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des ersten Stators 18 und des zweiten Stators 19. Der erste Stator 18 besitzt an den Enden seines äußeren Zylinders und seines inneren Zylinders äußere Magnetpole 18a und 18b bzw. innere Magnetpole 18c und 18d. Die inneren Magnetpole 18c und 18d sind um 360º/(n/2), das heißt hier um 180º, gegeneinander versetzt, demzufolge die inneren Magnetpole 18c und 18d in Phase sind. Der innere Magnetpol 18c steht dem äußeren Magnetpol 18a gegenüber, während der innere Magnetpol 18d dem äußeren Magnetpol 18b gegenübersteht. Die zylindrischen Teile des Außenzylinders und des Innenzylinders des ersten Stators werden als Außenzylinderteil 18f bzw. als Ilnnenzylinderteil 18g bezeichnet, die Endbereiche des äußeren Zylinderteils 18f in der Nähe des Magneten 1 werden als Außenzylinder-Endabschnitt 18h bezeichnet, und der Bereich, der den Innenzylinderabschnitt 18g mit dem Außenzylinderabschnitt 18f verbindet, wird als Verbindungsteil (oder -abschnitt) 18j für die In nen- und Außenzylinderabschnitte bezeichnet. Der Teil 18h läßt sich auffassen als Basissteil der Außenmagnetpole 18a und 18b.
Bezugnehmend auf Fig. 1, wird der erste Stator 18 derart zusammengebaut, daß die Außenmagnetpole 18a und 18b dem Außenumfang des Magneten 1 gegenüberstehen, und die Innenmagnetpole 18c und 18d dem Innenumfang des Magneten 1 gegenüberstehen, derart, daß eine Seite des Magneten 1 zwischen den Außenmagnetpolen 18a und 18b und den Innenmagnetpolen 18c und 18d liegt. Ein Ende der Ausgangswelle 7 steht in Dreheingriff mit einem Loch 18e des ersten Stators 18.
Die Spule 3 ist zwischen dem Innenzylinder und dem Außenzylinder des zweiten Stators 19 angeordnet. Bei einem Stromfluß durch die Spule 3 wird der zweite Stator 19 erregt. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, besitzt der zweite Stator 19 an den Enden seines Außenzylinders und Innenzylinders Außenmagnetpole 19a und 19b bzw. Innenmagnetpole 19c und 19d. Die Innenmagnetpole 19c und 19d sind um 360º/(n/2), das heißt hier um 180º, gegeneinander versetzt, demzufolge die Innenmagnetpole 19c und 19d in Phase sind. Der Innenmagnetpol 19c steht dem Außenmagnetpol 19a gegenüber, während der Innenmagnetpol 19d dem Außenmagnetpol 19b gegenübersteht. Die Zylinderteile oder -abschnitte des Außenzylinders und des Innenzylinders des zweiten Stators werden als Außenzylinderteil 19f bzw. als Innenzylinderteil 19g bezeichnet, und die Endbereiche des Außenzylinders 19f in der Nähe des Magneten 1 wird als Außenzylinder-Endteil 19h bezeichnet, während der den Innenzylinderteil 19g mit dem Außenzylinderteil 19f verbindende Abschnitt als Verbindungsteil 19j für Innen- und Außenzylinderteil bezeichnet wird. Der Teil 19h läßt sich auffassen als Basisteil für die Außenmagnetpole 19a und 19b.
Bezugnehmend auf Fig. 1 ist der zweite Stator 19 so zusammengesetzt, daß die Außenmagnetpole 19a und 19b dem Außenumfang des Magneten 1 gegenüberlie gen und die Innenmagnetpole 19c und 19d dem Innenumfang des Magneten 1 gegenüberstehen, derart, daß ein Ende des Magneten 1 zwischen den Außenmagnetpolen 19a, 19b und den Innenmagnetpolen 19c, 19d liegt. Das andere Ende der Ausgangswelle 3 steht in Dreheingriff mit einem Loch 19e des zweiten Stators 19. Mit dieser Anordnung kreuzt der von der Spule 2 erzeugte Induktionsfluß den Magneten 1, da sich der Rotor zwischen den Außenmagnetpolen 18a und 18b und den Innenmagnetpolen 18c und 18d befindet, um wirksam auf den Magneten 1 einzufließen, und der von der Spule 3 erzeugte Induktionsfluß kreuzt den Magneten 1, der zwischen den Außenmagnetpolen 19a und 19b und den Innenmagnetpolen 19c und 19d liegt, und wirkt in effizienter Weise auf den Magneten 1 als Rotor ein. Die Ausgangsleistung des Motors wird auf diese Weise gesteigert.
Ein Verbindungsring 20 in Form eines Zylinderglieds besteht aus nicht magnetischem Material und besitzt an einem Endbereich seines Innenumfangs Schlitze 20a und 20b, am anderen Endbereich seines Innenumfangs besitzt er Schlitze 20c und 20d, die gegenüber den Schlitzen 20a und 20b um 45º versetzt sind. Die Außenmagnetpole 18a und 18b des ersten Stators 18 stehen in Eingriff mit den Schlitzen 20a bzw. 20b, und die Außenmagnetpole 19a und 19b des zweiten Stators 19 arbeiten mit den Schlitzen 20c bzw. 20d zusammen. Ein Klebstoff ist in den Eingriffsflächen zwischen dem Verbindungsring 20 und dem ersten und dem zweiten Stator 18 und 19 aufgebracht, um die Teile zusammenzuhalten. Der erste Stator 18 und der zweite Stator 19 stehen innerhalb des Verbindungsrings 20 derart miteinander in Eingriff, daß die Außenmagnetpole 18a und 18b den Außenmagnetpolen '19a bzw. 19b gegenüberstehen, wobei vorstehende Bereiche 20e und 20f im Innenumfang des Verbindungsrings 20 einen vorbestimmten Abstand zwischen den Teilen ermöglichen, während die Innenmagnetpole 18c und 18d den Innenmagnetpolen 19c bzw. 19d mit einem vorbestimmten Zwischenabstand gegenüberstehen.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht des Schrittmotors, Fig. 4A bis 4D sind Querschnittansichten entlang einer Linie A-A in Fig. 3, und die Fig. 4E bis 4H sind Querschnittansichten entlang einer Linie B-B in Fig. 3. Fig. 4A und 4E zeigen einen Zustand des Motors im gleichen Betriebs-Augenblick, Fig. 4B und 4F zeigen einen weiteren Zustand des Motors zur gleichen Zeit, Fig. 4C und 4 G zeigen einen noch weiteren Zustand des Motors zur gleichen Zeit, und Fig. 4D und 4H zeigen wiederum einen weiteren Zustand des Motors zur gleichen Zeit.
Im folgenden wird die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Schrittmotors erläutert. Bei dem in den Fig. 4A und 4E gezeigten Zustand werden bei durch die Spulen 2 und 3 fließenden Strömen die Außenmagnetpole 18a und 18b des ersten Stators 18 zu N-Polen magnetisiert, und die Innenmagnetpole 18c und 18d werden zu S-Polen magnetisiert, die Außenmagnetpole 19a und 19b des zweiten Stators 19 werden zu S-Polen, und die Innenmagnetpole 19c und 19d zu N-Polen magnetisiert. Der Magnet 1 des Rotors dreht sich im Gegenuhrzeigersinn um 45º in den Zustand, der in den Fig. 4B und 4F gezeigt ist.
Wird der Stromfluß durch die Spule 2 umgekehrt, so werden die Außenmagnetpole 18a und 18b des ersten Stators 18 zu S-Polen magnetisiert, und die Innenmagnetpole 18c und 18d werden zu N-Polen magnetisiert, die Außenmagnetpole 19a und 19b des zweiten Stators 19 werden zu S-Polen und die Innenmagnetpole 19c und 19d werden zu N-Polen magnetisiert. Der Magnet 1 des Rotors dreht sich weiter im Gegenuhrzeigersinn um 45º in den in den Fig. 4C und 4 G gezeigten Zustand.
Wenn der Stromfluß durch die Spule 3 umgedreht wird, werden die Außenmagnetpole 19a und 19b des zweiten Stators 19 zu N-Polen, die Innenmagnetpole 19c und 19d zu S-Polen, die Außenmagnetpole 18a und 18b des ersten Stators 18 zu S-Polen, und die Innenmagnetpole 18c und 18d zu N-Polen magnetisiert. Der Magnet 1 des Rotors dreht sich weiter im Gegenuhrzeigersinn um 45º, um den in den Fig. 4D und 4H dargestellten Zustand einzunehmen. Die Richtung des Stromflusses zu den Spulen 2 und 3 wird also gewechselt, und der Magnet 1 des Rotors dreht sich in die Stellung, die der Phase der geführten Ströme entspricht.
In dem so aufgebauten Motor besteht die Ausgangswelle 7 vorzugsweise aus weichmagnetischem Material, um ein großes Drehmoment zu erreichen. Um gleichzeitig Anforderungen an Drehmoment und Robustheit zu erfüllen, sind die Außenzylinder-Endteile 18h vorzugsweise an der Seite der Verbindungsteile 18j von Innen- und Außenzylinderteilen bezüglich der Mitte der Spule in Richtung der Rotorwelle angeordnet. Die Außenzylinder-Endteile 19h des zweiten Stators 19 sind vorzugsweise an der Seite des Innen- und Außenzylinder-Verbindungsteils 19j der Innen- und Außenzylinderteile bezüglich der Mitte der Spule angeordnet. Eine weitere Beschreibung dieser Ausgestaltung erfolgt unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 11.
Fig. 5 bis 8 zeigen die Verteilung des Magnetfelds des Stators 19 in Schnitt- und Perspektivdarstellung. Fig. 5 ist die perspektivische Darstellung des zweiten Stators 19 und zeigt, an welchen Stellen die Schnittansichten der Fig. 6 und 7 angesetzt sind. Fig. 6 ist eine Schnittansicht entlang der Ebene C, in der die Mittelachse des Rotors, die Längsmittellinien der Außenmagnetpole 19a und 19b und der Innenmagnetpole 19c und 19d des zweiten Stators 19 liegen. Fig. 7 ist die Schnittansicht entlang einer Ebene D, die im Winkel um die Mittelachse des Rotors um 80º gegenüber der Ebene C versetzt ist. Da die Verteilung des Magnetfelds symmetrisch bezüglich der Mittelachse des Rotors in beiden Ebenen ist, ist die Verteilung des Magnetfelds auf einer Seite des Rotors lediglich in Bezug auf diese Mittelachse dargestellt. Fig. 8 zeigt die Verteilung des Magnetfelds in perspektivischer Ansicht für den Stator 19, wobei nur die Hälfte des Stators dargestellt ist, weil die Verteilung des Magnetfelds in dem zweiten Stator 19 symmetrisch ist.
Wie am besten aus Fig. 6 ersichtlich ist, bildet das von der Spule 3 erzeugte Magnetfeld eine Schleife, die durch den Innenzylinderteil 19g, den Verbindungsteil 19j von Innen- und Außenzylinder, den Außenzylinderteil 19f und den Außenmagnetpol 19a, die den Magneten 1 umgebende Lücke und den Innenmagnetpol 19c durchläuft, um anschließend zu dem Innenzylinderteil 19g zurückzukehren. Der Teil des Induktionsflusses, der den Magneten 1 des Rotors kreuzt, trägt zum Erzeugen von Drehmoment bei.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, geht der von der Spule 3 erzeugte Induktionsfluß durch den Innenzylinderteil 19g, den Verbindungsteil 19j von Innen- und Außenzylinder und den Außenzylinderteil 19f des zweiten Stators 19, und ein Teil des Induktionsflusses geht von dem Außenzylinderteil 19f durch die Spule 3 zu dem Innenzylinderteil 19g. Wie aus Fig. 8 entnehmbar ist, geht ein Teil des Induktionsflusses von dem Innenzylinderteil 19g über den Verbindungsteil 19f von Innen- und Außenzylinder zu dem Außenzylinderteil 19f und vereint sich mit dem Induktionsfluß, der durch den in Fig. 6 gezeigten Außenzylinderteil 19f geht, wobei der summierte Induktionsfluß den Außenmagnetpol 19a erreicht und zum Drehen des Rotors beiträgt.
Die auf diese Weise durch den zweiten Stator 19 fließenden Magnetflüsse sind in dem Innenmagnetpol 19c und dem Innenzylinderteil 19g aufgrund der kleinen Querschnittsflächen des magnetischen Wegs Gegenstand magnetischer Sättigung. Magnetische Sättigung wird dadurch vermieden, daß man ein weichmagnetisches Material für die Rotorwelle 7 verwendet, beispielsweise magnetischen Stahl oder magnetisches Eisen der Serie SUS. Die Rotorwelle 7 bildet einen Bypass für den magnetischen Weg des Innenmagnetpols 19c und des Innenzylinderteils 19g. Im Ergebnis nimmt der magnetische Widerstand des gesamten magnetischen Wegs ab, und der den Magneten 1 in Fig. 6 kreuzende Induktionsfluß nimmt zu, was das Drehmoment des Motors erhöht.
Eine vollständige Beherrschung der magnetischen Sättigung ist deshalb unmöglich, weil ein Zwischenraum zwischen dem Innenmagnetpol 19c und dem Innenzylinderteil 19g und der Rotorwelle 7 unvermeidlich ist, und weil die Querschnittsfläche der Rotorwelle 7 zwecks Miniaturisierung klein sein soll.
Um die Dreheigenschaften des Rotors zu verbessern, muß die Ausnutzung des Induktionsflusses groß sein. Für eine starke Magnetflußausnutzung muß der Induktionsfluß durch den Innenmagnetpol 19c, den Innenzylinderteil 19g und die Rotorwelle 7 den Magneten 1 möglichst viel durchsetzen. Zu diesem Zweck ist die Lage des Außenzylinder-Endteils 19h in der Nähe des Verbindungsteils 19j von Innen- und Außenzylinder gewählt.
Der die Spule 3 in Fig. 7 kreuzende Induktionsfluß (dieser Induktionsfluß hat keinerlei Beitrag zur Drehung des Rotors, da er den Magneten 1 nicht kreuzt) wird verringert, indem der Außenzylinder-Endteil 19h in der Nähe des Verbindungsteils 19j von Innen- und Außenzylinder angeordnet und dadurch die Überlappungsfläche zwischen Außenzylinderteil 19f und Innenzylinderteil 19g verringert wird. Die magnetische Sättigung an dem Innenmagnetpol 19c und dem Innenzylinderteil 19g wird auf diese Weise vermieden. Diese Ausgestaltung steigert den Induktionsfluß durch den Innenzylinderteil 19g, den Verbindungsteil 19j von Innen- und Außenzylinder, den Außenzylinderteil 19f und den Außenmagnetpol 19a, die den Magneten 1 umgebende Lücke und den Innenmagnetpol 19c, um dann den Innenzylinderteil 19g zu erreichen. Ein Teil des den Magneten 1 durchsetzenden Induktionsflusses wird also verstärkt. Bei dieser Ausgestaltung bleibt die Induktivität der Spule unverändert, und das Drehmoment nimmt im Bereich hoher Drehzahl zu.
Durch Anordnen der Lage des Außenzylinder-Endteils 19h in der Nähe des Verbindungsteils 19j von innen- und Außenzylinder nimmt der Induktionsfluß durch den Innenmagnetpol 19c und den Innenzylinderteil 19g ab. Da die Rotorwelle 7 aus weichmagnetischem Material gebildet ist, wird die magnetische Sättigung in die sem Bereich wesentlich reduziert. Der Drehmomentverlauf wird also noch weiter verbessert.
Fig. 9 bis 1 l zeigen die Ergebnisse einer numerischen Simulation der Beziehung zwischen der Lage des Außenzylinder-Endteils 19h und dem Drehmoment. Fig. 9 ist eine Schnittansicht des Motors und zeigt die Lage des Außenzylinder-Endteils 19h. Gemäß Fig. 10 ändert sich das Drehmoment, wenn die Lage des Außenzylinder-Endteils oder der Basis 19h sich gegenüber der Nähe des Verbindungsteils 19j von Innen- und Außenzylinder (8c in Fig. 9) zur Mitte der Spule hin in Richtung des Spulenendes ändert. Der Abstand zwischen dem Werbindungsteil 19j von Innen- und Außenzylinder und dem Ende des Außenmagnetpols 19a ist ein fester Abstand.
Fig. 10 zeigt graphisch die Beziehung zwischen der Lage des Außenzylinder- Endteils 19h und dem Motordrehmoment bei niedriger Drehzahl. Wie aus Fig. 10 entnehmbar ist, nimmt das Drehmoment zu, wenn der Außenzylinder-Endteil 19h in die Nähe des Verbindungsteils 19j von Innen- und Außenzylinder gelangt, und zwar von dem Ende des Außenmagnetpols 19a her (der Seite des Magneten 1). Die Zunahmegeschwindigkeit des Drehmoments ist deutlicher, wenn der Außenzylinder-Endteil 19h sich zwischen dem Magneten 1 und der Mitte der Spule befindet. Die Zunahmegeschwindigkeit ist geringer, wenn der Außenzylinder-Endteil 19h sich zwischen der Spulenmitte und dem Verbindungsteil 19j von Innen- und Außenzylinder befindet. Dies deshalb, weil der den zweiten Stator 19 durchsetzende Induktionsfluß dazu neigt, eine Schleife um die Spule 3 herum zu beschreiben, so daß kaum Induktionsfluß durch die Spule 3 gelangt, insbesondere indem Bereich, der sich von der Mitte der Spule 3 zu dem Verbindungsteil 19j der Spule 3 erstreckt, wie aus Fig. 7 hervorgeht.
Fig. 11 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Anzahl von Umdrehungen pro Minute und dem Drehmoment des Motors, wenn der Außenzy linder-Endteil 19h sich an der Stelle 8a bzw. 8c in Fig. 9 befindet. Wie man aus dem oben angegebenen Grund und aus Fig. 11 ersieht, ergibt sich ein gesteigertes Drehmoment nicht nur im unteren sondern auch im oberen Drehzahlbereich, wenn man den Außenzylinder-Endteil 19h in die Nähe des Verbindungsteils 19j von 'Innen- und Außenzylinder bringt.
Aus der obigen Diskussion Läßt sich ersehen, daß der Außenzylinder-Endteil 19h vorzugsweise möglichst in der Nähe des Verbindungsteils 19j angeordnet wird. In der Praxis verringert das Anbringen des Außenzylinder-Endteils 19h in der Nähe des Verbindungsteils 19j die mechanische Festigkeit des zweiten Stators 19, was wiederum abträglichen Einfluß auf die Robustheit und Zuverlässigkeit des gesamten Motors hat. Außerdem ermöglicht die enge Nachbarschaft des Außenzylinder- Endteils 19h an dem Verbindungsteil 19j, daß nahezu kein Abschnitt zum Haltern der Außenmagnetpole 19a und 19b vorhanden ist, was den Motor empfindlich für mechanische Stöße macht. Wenngleich die axiale Gesamterstreckung von Außenmagnetpolen 19a und 19b und dem Magneten 1 ein wichtiger Faktor bei der Erzielung eines zuverlässigen Drehmoments ist, so läßt doch das Fehlen eines Abschnitts zum Lagern der Außenmagnetpole 19a und 19b die axiale gemeinsame Länge schwanken. Im Ergebnis wird das Ausgangsmoment des Motors instabil. Wenn der Außenzylinder-Endteil oder die Basis 19h in der Mitte zwischen der Spulenmitte und dem Verbindungsteil 19j angebracht wird, sind die Anforderungen an sowohl das Drehmoment als auch die mechanische Festigkeit gleichzeitig erfüllt.
Bei der obigen Diskussion ist die Lage des Außenzylinder-Endteils 19h möglichst nahe bei dem Verbindungsteil 19j. Genauer gesagt: der Außenzylinder-Endteil 19h ist vorzugsweise so angeordnet, daß er möglichst in der Nähe des äußeren Endes der Spule 3 in der Nähe des Verbindungsteils 19j liegt (bei der obigen Ausführungsform befinden sich das äußere Ende der Spüle 3 und der Verbindungsteil 19j an der gleichen Stelle).
Wie aus der obigen Diskussion entnehmbar ist, bedeutet eine Änderung der Lage des Außenzylinder-Endteils 19h, daß die Überlappungsfläche zwischen dem Innenumfang des Außenzylinderteils 19f und dem Außenumfang der Spule 3 definiert wird. Der die Spule 3 nach Fig. 7 durchsetzende Induktionsfluß wird gesteuert, indem die Überlappungsfläche zwischen dem Innenumfang des Außenzylinderteils 19f und dem Außenumfang der Spule 3 verringert wird. Indem man diese Fläche der Gegenüberstellung reduziert, wird das Drehmoment des Motors gesteigert.
Indem man diese Überlappungsfläche zwischen dem Innenumfang des Außenzylinderteils 19f und dem Außenumfang der Spule 3 gleich oder kleiner Drei-Viertel der Außenumfangsfläche der Spule 3 macht, ergibt sich ein Hochleistungsmotor, und zwar in der gleichen Weise, wie er sich ergibt, wenn man den Außenzylinder- Endteil 19h so anordnet, daß er sich in der Nähe des Verbindungsteils 19j befindet.
Es wurde die Lage des Außenzylinder-Endteils 19h und des zweiten Stators 1 9 diskutiert. Das gleiche gilt für die Position des Außenzylinder-Endteils 18h des ersten Stators 18. Es wurde ein Experiment durchgeführt, indem die Lage des Außenzylinder-Endteils 19h bezüglich des Verbindungsteils 19j geändert wurde, um die obigen Ergebnisse, die durch numerische Simulation gewonnen wurden, zu bestätigen. Durch das Experiment wurden Verbesserungen des Drehmomentverlaufs verifiziert, wie sie durch die numerische Simulation dargestellt sind.
Im folgenden soll anhand der Fig. 12 eine zweite Ausführungsform der Erfindung diskutiert werden.
Bei der ersten Ausführungsform ist der Außenzylinder-Endteül 19h möglichst dicht bei dem Verbindungsteil 19j angeordnet, um das Drehmoment des Motors zu steigern. Wie sich aus der Magnetfeldverteilungskarte in Fig. 8 ergibt, dient ein Teil des Außenzylinderteils 19f als magnetischer Weg, der von dem Verbindungsteil 19j zu dem Außenmagnetpol 19a verläuft.
Bei der zweiten Ausführungsform ist der Außenzylinderteil 19f abgeschnitten, um seinen Abschnitt zu entfernen, durch den der Induktionsfluß weniger zu dem Außenmagnetpol 19a verläuft, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Insbesondere erweitert der Außenmagnetpol 19a seine Breitenabmessung, während er in Richtung des Verbindungsteils 19j verläuft. Bei dieser Anordnung ist der Induktionsfluß, der die Spule 3 von dem Außenzylinderteil 19f her zu dem Innenzylinderteil 19g durchsetzt, beschränkt, und es wird ein magnetischer Weg gebildet, der in effizienter Weise ermöglicht, daß der Induktionsfluß von dem Verbindungsteil 19j zu dem Außenmagnetpol 19a verläuft. Die Außenmagnetpole 19a und 19b tragen sich selbst mit ihren breiteren Abschnitten und garantieren eine ausreichende mechanische Festigkeit. Auf diese Weise ergibt sich ein Motor mit Hochleistungs- Drehmoment.
Wie oben ausgeführt, enthält der erfindungsgemäße Motor einen zylindrischen Magneten, der in n Zonen unterteilt ist, die kreisförmig über zumindest den Außendurchmesser des Magneten verteilt sind, und die zu abwechselnden Polaritäten magnetisiert sind. Die erste Spule und die zweite Spule sind in axialer Richtung des Magneten angeordnet, wobei sich der Magnet zwischen der ersten und der zweiten Spule befindet. Die ersten Außenmagnetpole und die ersten Innenmagnetpole, die von der ersten Spule erregt werden, stehen dem Außenumfang bzw. dem Innenumfang des Rotors an einem Ende des Rotors gegenüber. Die zweiten Außenmagnetpole und die zweiten Innenmagnetpole, die von der zweiten Spule erregt werden, stehen dem Außenumfang bzw. dem Innenumfang des Rotors an dessen äußerem Ende gegenüber. Die Fläche der ersten Außenmagnetpole gegenüber dem Außenumfang der ersten Spule ist gleich oder kleiner als Drei-Viertel der Fläche der äußeren Umfangsfläche der ersten Spule. Die Fläche der zweiten äußeren Magnetpole gegenüber dem Außenumfang der zweiten Spule ist gleich oder kleiner Drei- Viertel der Fläche der Außenumfangsfläche der zweiten Spule. Mit dieser Ausgestaltung wird von dem von der Spule erzeugten Induktionsfluß derjenige Magnetfluß, der eine Schleife bildet, ohne die Außenmagnetpole zu erreichen, reduziert, während der Induktionsfluß, der von den Außenmagnetpolen kommt, den Magneten durchsetzt und die Innenmagnetpole erreicht, erhöht wird. Auf diese Weise wird das Drehmoment des Motors gesteigert.
Indem man die Rotorwelle aus weichmagnetischem Material fertigt, wird die magnetische Sättigung in den Innenmagnetpolen vermieden, und es kann ein starker magnetischer Fluß zu den Innenmagnetpolen gelangen. Mit dieser Ausgestaltung nimmt der den Magneten des Rotor durchsetzende Induktionsfluß zu, was das Drehmoment des Motors steigert.
Durch Aufweiten der Breiten der ersten Außenmagnetpole und der zweiten Außenmagnetpole mit deren geringer werdender Entfernung zu den Basisteilen, reduziert sich der magnetische Widerstand, unter dem der von den Spulen erzeugte und die Magnetpole erreichende Induktionsfluß leidet. Ein Großteil des Induktionsflusses fließt also zu den Magnetpolen. Der den Magneten als Rotor durchsetzende Induktionsfluß wird erhöht, was das Drehmoment des Motors steigert.

Claims

1. Elektromotor, umfassend einen Magneten (1), der einen Rotor bildet, eine erste Spule (2), eine zweite Spule (3), einen ersten Magnetpol (18), der von der ersten Spule (2) erregt wird, und einen zweiten Magnetpol (19), der von der zweiten Spule (3) erregt wird, wobei

- der Magnet (1) eine zylindrische Form hat und in n Zonen kreisförmig um mindestens einen Außenumfang des Magneten (1) unterteilt ist, welche zu wechselnden Polaritäten magnetisiert sind,

- die erste Spule (2), der Magnet (1) und die zweite Spule (3) in axialer Richtung des Magneten (1) angeordnet sind,

- der erste Magnetpol (18), der von der ersten Spule (2) erregt wird, erste äußere Magnetpole (18ä und 18b) und einen ersten äußeren Basisabschnitt (18f) der ersten äußeren Magnetpole (18a und 18b) und erste innere Magnetpole (18c und 18d) aufweist, wobei die ersten äußeren Magnetpole (18a und 18b) und die inneren Magnetpole (18c und 18d) einander sowie dem Außenumfang und dem Innenumfang des Magneten (1) zugewandt sind,

- der zweite Magnetpol (19), der von der zweiten Spule (3) erregt wird, zweite äußere Magnetpole (19a und 19b) und einen zweiten äußeren Basisteil (19f) der zweiten äußeren Magnetpole (19a und 19b) und zweite innere Magnetpole (19c und 19d) aufweist, wobei die zweiten äußeren Magnetpole (19a und 19b) und die zweiten inneren Magnetpole (19c und 19d) einander und dem Außenumfang sowie dem Innenumfang des Magneten (1) zugewandt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die ersten bzw. die zweiten, äußeren und inneren Magnetpole als ein Stück ausgebildet sind,

- die Fläche der ersten äußeren Magnetpole (18a und 18b) und des ersten äußeren Basisteils (18f), die dem Außenumfang der ersten Spule (2) zugewandt sind, gleich oder kleiner ist als drei Viertel der Fläche der äußeren Umfangsfläche der ersten Spule (2), demzufolge das Verhältnis des von der ersten Spule (2) erzeugten, durch den Magneten (1) gehenden Induktionsflusses erhöht wird, und

- die Fläche der zweiten äußeren Magnetpole (19a und 19b) und des zweiten äußeren Basisteils (19f), die dem Außenumfang der zweiten Spule (3) zugewandt ist, gleich oder kleiner ist als drei Viertel der Fläche der äußeren Umfangsfläche der zweiten Spule (3), demzufolge das Verhältnis des von der zweiten Spule (3) erzeugten und durch den Magneten gehenden Induktionsflusses erhöht wird.

2. Motor nach Anspruch 1, bei dem das erste äußere Basisteil (18f) sich zwischen der Mitte der ersten Spule (2) und dem Ende der ersten Spule (2) gegenüber dem Magneten (1) in dessen axialer Richtung befindet, und das zweite äußere Basisteil (19f) sich zwischen der Mitte der zweiten Spule (3) und dem Ende der zweiten Spule (3) gegenüber dem Magneten (1) in dessen axialer Richtung befindet.

3. Motor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Magnet (1) und eine Drehwelle (7) einen Rotor bilden, wobei die Drehwelle (7) aus einem weichmagnetischen Material besteht.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Breite der ersten äußeren Magnetpole (18a und 18b) und der zweiten äußeren Magnetpole (19a und 1%) aufgeweitet sind, wenn die ersten äußeren Magnetpole (18a und 18b) auf das erste äußere Basisteil (18f) zulaufen, und die zweiten äußeren Magnetpole (19a und 19b) auf das zweite äußere Basisteil (19f) zulaufen.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der erste Magnetpol (18) als ein erster Stator einstückig aus den ersten äußeren Magnetpolen (19a und 19b) und den ersten inneren Magnetpolen (18c und 18d) ausgebildet ist, wobei der zweite Magnetpol (19) als ein zweiter Stator einstückig aus den zweiten äußeren Magnetpolen (19a und 19b) und den zweiten inneren Magnetpolen (19c und 19d) ausgebildet ist.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein zylindrisches Verbindungsglied (20) die ersten äußeren Magnetpole (18a und 18b) an die zweiten äußeren Magnetpole (19a und 19b) koppelt.

7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Magnet (1) in n Zonen kreisförmig um einen Innenumfang des Magneten (1) herum unterteilt ist, welche zu abwechselnden Polaritäten magnetisiert sind, wobei jede Zone an dem Innenumfang in eine Polarität magnetisiert ist, die der Polarität der entsprechenden Zone am Außenumfang des Magneten (1) entgegengesetzt ist.

8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der erste äußere Basisteil (18f) gebildet wird durch eine Mehrzahl von Abschnitten, die jedem Magnetpol der ersten äußeren Magnetpole (18a und 18b) entsprechen, und der zweite äußere Basisteil (19f) gebildet wird durch eine Mehrzahl von Abschnitten, die jedem Magnetpol der zweiten äußeren Magnetpole (19a und 19b) entsprechen.