DE69930061T2

DE69930061T2 - Elektromotor

Info

Publication number: DE69930061T2
Application number: DE69930061T
Authority: DE
Inventors: Chikara Ohta-ku Aoshima; Hiroaki Ohta-ku Maegawa
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2019-04-21
Also published as: EP0952660B1; TW459437B; EP0952660A3; SG94323A1; DE69930061D1; KR19990083351A; EP0952660A2; KR100364581B1; CN1233103A; US6400055B1; MY118952A; CN1178368C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Motor, der sehr kompakt aufgebaut ist.
Verwandter Stand der Technik
Bisher gibt es einen als kompakten Motor gebildeten Motor beispielsweise einen kompakten zylindrisch geformten Schrittmotor, wie er in 9 der beiliegenden Zeichnungen gezeigt ist.
Gemäß 9 ist dieser Motor mit zwei Statoren 102 versehen, die axial in Bezug auf den Motor angeordnet sind, wobei jeder der Statoren 102 zwei Statorjoche 106 aufweist, die derart angeordnet sind, dass sie axial einander gegenüberliegen. In jedem Stator 102 ist eine Statorspule 105 konzentrisch um einen Spulenkörper 101 gewickelt, der von den zwei Statorjochen 106 gehalten ist. Jeder Spulenkörper 101 mit der darauf gewickelten Statorspule 105 ist axial zwischen den zwei Statorjochen 106 sandwichartig angeordnet und durch diese und dazwischen befestigt. Jeder der Statorjoche 106, 106 ist mit Statorzähnen 106a und 106b gebildet, die abwechselnd umlaufend auf der inneren diametralen Oberfläche des Spulenkörpers 101 angeordnet sind. Demgegenüber ist das Paar der Statorjoche 106 und 106 mit den Statorzähnen 106a und 106b an dem Gehäuse 103 jedes Stators 102 befestigt. Auf diese Weise sind Statoren 102 aufgebaut.
Ein Flansch 115 und ein Lager 118 sind mit einem (das linke gemäß der Darstellung von 9) der zwei Sätze des Gehäuses 103 befestigt, und ein Lager 108 der gegenüberliegenden Seite ist an dem anderen (das rechte gemäß der Darstellung in 9) Gehäuse 103 befestigt. Ein Rotor 109 ist von einem derartigen Aufbau, dass ein Rotormagnet 111 an einer Rotorwelle 110 befestigt ist. Ein Luftspalt ist zwischen der äußeren Umfangsoberfläche des Rotormagneten 111 und der inneren diametralen Oberfläche des Statorjochs 106 des Stators 102 gebildet. Die Rotorwelle 110 ist drehbar durch die zwei Lager 108 gestützt, die an jedem Gehäuse 103 befestigt sind.
11 der beiliegenden Zeichnungen zeigt eine Draufsicht, die einen durch eine Spule angetriebenen Schrittmotor als Beispiel zeigt, der in einer Uhr oder dergleichen verwendet wird. In 11 bezeichnet das Bezugszeichen 201 einen Rotor mit einem Permanentmagneten, bezeichnen die Bezugszeichen 202 und 203 Statoren, und bezeichnet das Bezugszeichen 204 eine Spule.
Jedoch sind in dem kompakten Schrittmotor gemäß 9 gemäß dem Stand der Technik das Gehäuse 103, der Spulenkörper 101, die Statorspule 105 und das Statorjoch 106 konzentrisch um den Rotor angeordnet, und dies führt zu dem Nachteil, dass die äußere Abmessung des Motors groß wird. Außerdem gelangt ein durch die elektrische Speisung der Statorspulen 105 erzeugte Magnetfluss hauptsächlich durch die Endoberfläche 106a₁ des Statorzahnes 106a und der Endoberfläche 106b₁ des Statorzahnes 106b, wie es in 10 der beiliegenden Zeichnungen gezeigt ist, weshalb er nicht effektiv auf den Rotormagneten 111 einwirkt, weshalb das zu lösende Problem darin besteht, dass die Ausgangsleistung des Motors nicht hoch wird. Außerdem gibt es bei dem in 11 gezeigten Motor das weiterhin zu lösende Problem, dass ein durch die elektrische Speisung der Spule 204 erzeugter Magnetfluss sich in dem Abschnitt eines schmalen Spalts zwischen dem Rotor 201 und dem Stator 202 konzentriert, und nicht effektiv auf den Magneten 201 einwirkt.
Der Anmelder der Grundanmeldung in Japan hat als US-Patent Nr. 5 831 356 einen Motor vorgeschlagen, der die vorstehend beschriebenen Probleme löst.
Dieser vorgeschlagene Motor ist derart ausgelegt, dass ein Rotor mit einem Permanentmagnet, der umlaufend äquidistant geteilt ist und abwechselnd zu unterschiedlichen Polen magnetisiert ist, in eine Zylinderform geformt ist, wobei eine erste Spule, der Rotor und eine zweite Spule axial in Bezug auf den Rotor in dieser Reihenfolge angeordnet sind, ein erster äußerer Magnetpol und ein erster innerer Magnetpol, die durch die erste Spule erregt werden, der äußeren Umfangsoberfläche und der inneren Umfangsoberfläche jeweils des Rotors gegenüberliegen, und ein zweiter äußerer Magnetpol und ein zweiter innerer Magnetpol, die durch die zweite Spule erregt werden, der äußeren umlaufenden Oberfläche und der inneren umlaufenden Oberfläche jeweils des Rotors gegenüberliegen, und eine Rotationswelle, die die Rotorwelle ist, aus dem zylinderförmigen Permanentmagneten herausgenommen (herausgeführt) ist.
Der Motor mit einem derartigen Aufbau weist eine hohe Ausgangsleistung auf, und dessen äußere Abmessung kann klein gemacht werden, jedoch ist die Bearbeitung seiner Magnetpolzähne schwierig, da die diametrale Abmessung seiner inneren Magnetpole klein ist, und es wurde gewünscht, dass eine stabile Ausgangsleistung ohne Fluktuationen von einem Motor mit einer kleinen diametralen Abmessung erhalten werden kann.
Daher hat der Anmelder der in Japan eingereichten Grundanmeldung in letzter Zeit als US-Patent Nr. 5 925 945 einen Motor vorgeschlagen, bei dem die Form der inneren Magnetpole leicht bearbeitbar ist, und ein Rotor wurde als US-Patent Nr. 5 973 425 vorgeschlagen, bei dem eine Ausgangsübertragungseinrichtung wie Zahnräder (Getriebe) und Riemenscheiben leicht an einer Rotationswelle mit einer kleinen diametralen Abmessung angebracht werden, um dadurch eine stabile Ausgangsleistung ohne Fluktuationen zu erhalten.
In letzter Zeit wurde es gewünscht, dass ein Motor mit einer hohen Ausgangsleistung erhalten werden kann, und der extrem kompakt aufgebaut werden kann.
Die FR-A-2214990 beschreibt einen Motor mit einer Vielzahl von abwechselnd orientierten Magneten, die umlaufend um die Rotationsachse vorgesehen sind. Der Stator weist einen Anker auf, der durch zwei Elemente mit Axialsymmetrie gebildet ist, wobei das eine intern und das andere extern ist, die koaxial dem Rotor zugewandt sind und zwischen sich einen umlaufenden Spalt definieren, in der die Magnete des Rotors angeordnet sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Indexring (indexing ring) axial von dem Stator getrennt und weist eine Form entsprechend dem externen Element des Stators auf. Der Indexring ist umlaufend versetzt, so dass die Gleichgewichtspositionen des Rotors leicht gegenüber dem Fall versetzt sind, wenn kein Indexring vorhanden ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Umstände gemacht, und der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor anzugeben, der eine hohe Ausgangsleistung aufweist und extrem kompakt aufgebaut ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Positionierung eines Rotors zu stabilisieren, wenn ein Motor als ein Ein-Phasen-Motor ausgeführt ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Motor bereitgestellt mit:
einem Magneten, der zur Bildung eines Rotors in eine zylindrische Form geformt ist und der umlaufend abwechselnd zu unterschiedlichen Polen magnetisiert ist,
einer Rotationswelle, die an dem Magneten befestigt ist,
einem Stator, der durch Magnetpole aufgebaut ist, wobei die Magnetpole äußere Magnetpole und innere Magnetpole aufweisen, wobei die äußeren Magnetpole derart angeordnet sind, dass sie einer äußeren umlaufenden Oberfläche des Magneten zugewandt sind und die inneren Magnetpole derart angeordnet sind, dass sie einer inneren umlaufenden Oberfläche des Magneten zugewandt sind, und wobei die äußeren Magnetpole durch Zähne geformt sind, die sich in einer Richtung parallel zu der Rotationsachse des Rotors erstrecken, und
einer Spule zur Erregung der Magnetpole des Stators, wobei die Spule axial in Bezug auf den Magneten zwischen den inneren Magnetpolen und den äußeren Magnetpolen angeordnet ist und die Spule im Wesentlichen dieselbe Ausdehnung wie diejenige eines äußeren Durchmessers in radialer Richtung des Magneten aufweist,
wobei die äußeren Magnetpole des Stators an der inneren Seite einer zylindrischen Abdeckung befestigt sind, durch die die Rotationswelle vorspringt, und
dadurch gekennzeichnet, dass eine Halteeinrichtung zum Halten des Magneten an einer Position bereitgestellt ist, an denen die Zentren der Pole des Magneten von einer Linie abweichen, die die Zentren der äußeren Magnetpole und das Rotationszentrum des Magneten miteinander verbindet, wenn die äußeren Magnetpole und die inneren Magnetpole durch die Spule nicht erregt werden,
wobei die Halteeinrichtung Positionierstatoren aufweist, die an der inneren Seite der Abdeckung befestigt sind sowie benachbart zu und umlaufend zwischen den äußeren Magnetpolen des Stators derart vorgesehen sind, dass sie die äußeren Magnetpole des Stators nicht berühren, wobei die Positionierstatoren derart angeordnet sind, dass sie dem äußeren Umfang des Magneten zugewandt sind.
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung einiger spezifischer Ausführungsbeispiele der Erfindung deutlich, die lediglich als Beispiele beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Motors gemäß einem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Querschnittsdarstellung des in 1 gezeigten Motors während dessen Zusammenbaus.
3 zeigt eine Positionsbeziehung zwischen dem Rotor und dem Stator des Motors gemäß 2, und zeigt den Zustand des Rotors, wenn eine Spule nicht elektrisch gespeist.
4 zeigt den Zustand des Rotors, wenn die Spule gegenüber dem Zustand gemäß 3 elektrisch gespeist.
5 zeigt den Zustand des Rotors, wenn die elektrische Speisung der Spule von dem Zustand gemäß 4 abgeschaltet worden ist.
6 zeigt den Zustand des Rotors, wenn die elektrische Speisung der Spule gegenüber dem Zustand gemäß 5 umgekehrt worden ist.
7 zeigt die Positionsbeziehung zwischen dem Rotor und dem Stator eines Motors, bei dem die Gegenmaßnahme gemäß der vorliegenden Erfindung nicht unternommen worden ist, und zeigt einen ersten stabilen Zustand des Rotors, wenn die Spule nicht elektrisch gespeist wird.
8 zeigt einen zweiten stabilen Zustand des Rotors, wenn die Spule gemäß 7 nicht elektrisch gespeist wird.
9 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Schrittmotors gemäß dem Stand der Technik.
10 zeigt eine Veranschaulichung des Magnetflusses des in 9 gezeigten Schrittmotors gemäß dem Stand der Technik.
11 zeigt eine Draufsicht eines Ein-Phasen-Motors gemäß dem Stand der Technik.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele Nachstehend sind einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Bevor ein Ausführungsbeispiel 1 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, ist nachstehend unter Bezugnahme auf 1 und 2 der Grundaufbau eines Schrittmotors gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung des Schrittmotors, und 2 zeigt eine Querschnittsdarstellung des in 1 gezeigten Motors während dessen Zusammenbaus.
Gemäß 1 und 2 ist der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem drehbaren Rotormagneten 1, der umlaufend abwechselnd zu unterschiedlichen Polen magnetisiert ist, einem zylindrischen Stator 18, der dem Rotormagneten 1 mit einem Freiraum dazwischen gegenüberliegt, und einer Spule 2 versehen, die im Inneren des Stators 18 angebracht ist, wobei die Spule 2 axial in Bezug auf den Rotormagneten 1 angeordnet ist, die durch die Spule 2 erregten äußeren Magnetpole 18a und 18b des Stators 18 der äußeren Umfangsoberfläche des Magneten 1 gegenüberliegen, die inneren Magnetpole 18c und 18d des Stators 18 der inneren Umfangsoberfläche des Magneten 1 gegenüberliegen, und eine Halteeinrichtung zum Halten des Magneten an einer Stelle vorgesehen ist, an der die Zentren der Pole des Magneten von einer geraden Linie abweicht, die das Zentrum der äußeren Magnetpole und das Rotationszentrum des Magneten miteinander verbindet. In dieser Beschreibung ist die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf einen Fall beschrieben, in dem der Motor ein Schrittmotor ist.
Gemäß 1 und 2 ist die äußere Umfangsoberfläche des Magneten (Rotormagneten) 1, der einen Rotor bildet, umlaufend in eine Vielzahl von Abschnitte (gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Abschnitte) unterteilt und abwechselnd zu S-Polen und N-Polen magnetisiert. Von diesen magnetisierten Abschnitten 1a, 1b, 1c und 1d sind die magnetisierten Abschnitte 1a und 1c zu S-Polen magnetisiert und die magnetisierten Abschnitte 1b und 1d zu N-Polen magnetisiert. Die Zentren der Pole der magnetisierten Abschnitte 1a, 1b, 1c und 1d sind in 3 als K₁, K₂, K₃ und K₄ gezeigt. Außerdem ist der Magnet 1 aus einem plastischen Magnetmaterial hergestellt, das durch Spritzguss geformt ist. Durch die Herstellung des Magneten 1 aus einem plastischen Magnetmaterial kann dessen Dicke in Bezug auf die radiale Richtung der zylindrischen Form des Rotormagneten 1 sehr klein gemacht werden.
Der zentrale Abschnitt des Rotormagneten 1 ist mit einer axialen Durchgangsöffnung geformt, und ein Passabschnitt 1e, dessen innerer Durchmesser klein ausgeführt ist, ist an dem axialen mittleren Abschnitt dieser Durchgangsöffnung geformt. Eine Ausgangswelle 7, die eine Rotorwelle ist, wird in den Passabschnitt 1e des Rotormagneten 1 eingepasst (gedrängt) und ist an dem Magneten 1 befestigt. Der Magnet 1 weist einen Plastikmagneten auf, der durch Spritzguss gegossen ist, und wird daher selbst durch ein Zusammenbauverfahren wie Zwängen der Rotorwelle 7 in den Passabschnitt nicht gebrochen bzw. zerstört. Selbst wenn der Magnet 1 eine komplizierte Form mit dem Passabschnitt 1e mit einem kleinen inneren Durchmesser in dem axialen zentralen Abschnitt von dessen Durchgangsöffnung aufweist, kann dieser leicht hergestellt werden. Außerdem werden die Ausgangswelle 7 und der Magnet 1 gemeinsam zusammengebaut und durch das Hineinzwängen gesichert (befestigt), weshalb der Zusammenbau einfach wird und es möglich wird, den Motor kostengünstig herzustellen. Der Rotor (Magnetrotor) 1 ist durch die Ausgangswelle 7 und den Magneten 1 gebildet.
Als das Material des Magneten 1 wird ein plastischer Magnet 1 verwendet, der durch Spritzguss einer Mischung aus beispielsweise Nd-Fe-B-Seltenerden-Magnetpulver und einem thermoplastischen Harzbindematerial wie Polyamid geformt ist. Somit liegt die Biegefestigkeit eines durch Kompression gegossenen Magneten in der Größenordnung von 500 kgf/cm², wohin, wenn beispielsweise Polyamidharz als das Bindematerial verwendet wird, eine Biegefestigkeit von 800 kgf/cm² oder größer erhalten werden kann, weshalb dementsprechend eine derartige dünnwandige zylindrische Form bereitgestellt werden kann, die nicht durch Kompressionsgießen (compression molding) verwirklicht werden kann. Wie es später beschrieben ist, verbessert dies das Leistungsvermögen des Motors, weshalb der Magnet eine dünnwandige zylindrische Form aufweist. Außerdem kann durch Verwendung des vorstehend beschriebenen plastischen Magneten die Form des Magneten frei gewählt werden, und kann ein Effekt, der nicht durch Kompressionsgießen bereitgestellt werden kann, d.h., ein Integrieren der Form zur Sicherung (Befestigung) der Rotorwelle 7 verwirklicht werden kann, weshalb eine ausreichende Rotorwellensicherungsfestigkeit erhalten werden kann. Außerdem ist die Festigkeit des Magneten hervorragend, weshalb die Rotorwelle 7 selbst dann nicht beschädigt (gebrochen) werden wird, falls ein Verfahren zum Einpassen (Einzwängen) der Rotorwelle 7 verwendet wird.
Gleichzeitig wird der Sicherungsabschnitt der Rotorwelle 7 einstückig gegossen, wodurch die koaxiale Genauigkeit des Magnetabschnitts an dem Rotorwellenabschnitt verbessert wird, und es möglich wird, Vibrationen zu verringern, und es außerdem möglich wird, den Freiraumabstand zwischen dem Magneten 1 und dem Statorabschnitt zu verringern, wobei ein ausreichendes Ausgangsdrehmoment des Motors erhalten werden kann, obwohl die magnetische Charakteristik eines durch Kompression gegossenen Magneten 8 MGOe oder größer ist, wohingegen die magnetische Charakteristik eines durch Einspritzung gegossenen Magneten in der Größenordnung von 5 bis 7 MGOe liegt. Außerdem weist der durch Einspritzung gegossene Magnet eine auf dessen Oberfläche geformte dünne Harzbeschichtung auf, weshalb im Vergleich zu dem durch Kompression gegossenen Magneten die Erzeugung von Rost stark verringert wird, und ein Rostverhinderungsprozess wie eine Beschichtung beseitigt werden kann. Außerdem gibt es ein Anhaften von Magnetpulver, das ein Problem in einem Kompressionsmagneten darstellt, weshalb es auch kein Anschwellen der Oberfläche gibt, das leicht während der Rostverhinderungsbeschichtung auftritt, weshalb die Qualität verbessert werden kann.
Gemäß 1 und 2 ist die zylindrisch geformte Spule 2 konzentrisch mit und axial in Bezug auf den Magneten 1 angeordnet. Der äußere Durchmesser der Spule 2 ist im Wesentlichen gleich zu dem äußeren Durchmesser des Magneten 1. Der Stator 18 ist aus einem weichmagnetischen Material geformt, und weist einen äußeren Zylinderabschnitt und einen inneren Zylinderabschnitt auf. Die Spule 2 ist zwischen dem äußeren Zylinderabschnitt und dem inneren Zylinderabschnitt des Stators 18 angebracht. Durch elektrische Speisung dieser Spule 2 wird der Stator 18 erregt. Der vordere Endabschnitt des äußeren Zylinderabschnitts des Stators 18 bildet äußere Magnetpole 18a und 18b, und der vordere Endabschnitt des inneren Zylinderabschnitts des Stators 18 bildet innere Magnetpole 18c und 18d. Der innere Magnetpol 18c und der innere Magnetpol 18d sind mit einer Abweichung von 360/0,5 n°, d.h. 180° geformt, wenn wie gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, die Anzahl der Magnetpole vier beträgt, so dass sie miteinander in Fase sein können. Der äußere Magnetpol 18a ist in gegenüberliegender Beziehung mit dem inneren Magnetpol 18c angeordnet, und der äußere Magnetpol 18b ist in gegenüberliegender Beziehung mit dem inneren Magnetpol 18d angeordnet.
Die äußeren Magnetpole 18a und 18b des Stators 18 sind durch Ausschnittöffnungen (weggeschnittene Öffnungen) und Zähne geformt, die sich in einer Richtung parallel zu der Welle heraus erstrecken. Durch diesen Aufbau wird es möglich, die Magnetpole zu formen, während der Durchmesser des Motors minimiert wird. Das heißt, dass, falls die äußeren Magnetpole durch eine sich radial erstreckende Unebenheit geformt werden, der Durchmesser des Motors dementsprechend größer wird, jedoch sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die äußeren Magnetpole durch Ausschnittöffnungen und Zähne geformt, die sich in einer Richtung parallel zu der Welle heraus erstrecken, weshalb der Durchmesser des Motors minimiert werden kann.
Die äußeren Magnetpole 18a und 18b und die inneren Magnetpole 18c und 18d des Stators 18 sind in gegenüberliegender Beziehung mit der äußeren umlaufenden Oberfläche und der inneren umlaufenden Oberfläche an einem Ende des Rotormagneten 1 vorgesehen und derart vorgesehen, dass sie ein Ende des Rotormagneten 1 dazwischen sandwichartig umgeben. Außerdem ist ein Endabschnitt 7b der Ausgangswelle 7 drehbar in die Öffnung 18e des Stators 18 gepasst. Dementsprechend durchquert ein durch die Spule 2 erzeugter Magnetfluss den Magneten 1, der der Rotor ist, zwischen den äußeren Magnetpolen 18a, 18b und den inneren Magnetpolen 18c, 18d, weshalb dieser effektiv auf den Magneten einwirkt, der der Rotor ist, und die Ausgangsleistung des Motors verbessert. Außerdem ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, der Magnet aus einem durch Spritzguss geformten plastischen Magnetmaterial geformt, wodurch die Dicke der zylindrischen Form in Bezug auf die radiale Richtung davon sehr klein ausgeführt werden kann. Daher kann der Abstand zwischen den äußeren Magnetpolen 18a, 18b und den inneren Magnetpolen 18c, 18d des Stators 18 sehr klein ausgeführt werden, und kann der Magnetwiderstand des Magnetkreises, der durch die Spule 2 und den ersten Stator gebildet ist, sehr klein ausgeführt werden. Dadurch kann ein großer Teil des Magnetflusses durch einen kleinen elektrischen Strom erzeugt werden, weshalb die erhöhte Ausgangsleistung und der niedrige Leistungsverbrauch des Motors sowie eine Verkleinerung der Spule erzielt werden.
Das Bezugszeichen 20 bezeichnet eine Abdeckung als ein aus einem nichtmagnetischen Material geformtes zylindrisches Teil, wobei der äußere diametrale Abschnitt (der Abschnitt, an dem die äußeren Magnetpole 18a, 18b geformt sind) des Stators 18 an den inneren diametralen Abschnitt 20a dieser Abdeckung 20 eingepasst und klebend oder anderweitig befestigt ist. Der Passabschnitt 7a der Ausgangswelle 7 ist drehbar in die Passöffnung 20b der Abdeckung 20 gepasst, und ein Endabschnitt 7b der Ausgangswelle 7 ist drehbar in die Einpassöffnung 18e des Stators 18 eingepasst.
3 bis 6 zeigen aufeinanderfolgend den Betrieb des Motors gemäß 2 durch Verwendung einer Querschnittsansicht, die entlang der Linie 3-3 von 2 genommen ist. In 3 bis 6 bezeichnet Q1 die Mitte des äußeren Magnetpols 18a des Stators 18, bezeichnet Q2 die Mitte des äußeren Magnetpols 18b des Stators 18, und bezeichnet Q3 die Mitte der Rotation des Rotormagneten 1. Die Bezugszeichen 21 und 22 bezeichnen Positionierstatoren, die aus einem weichmagnetischen Material geformt sind. Diese Positionierstatoren 21 und 22 sind an den inneren diametralen Abschnitt 20a (2) der Abdeckung 20 gesichert bzw. befestigt.
Die Positionierstatoren 21 und 22 liegen der äußeren umlaufenden Oberfläche des Rotormagneten 1 gegenüber. Ein Positionierstator 21 ist, wie es in 3 gezeigt ist, zwischen den äußeren Magnetpolen 18a und 18b des Stators 18 und in der Nähe des äußeren Magnetpols 18a angeordnet. Der andere Positionierstator 22 ist, wie es in 3 gezeigt ist, zwischen den äußeren Magnetpolen 18a und 18b des Stators 18 und in der Nähe des äußeren Magnetpols 18b angeordnet. Diese Positionierstatoren 21 und 22 befinden sich nicht in Kontakt mit dem Stator 18 und liegen nicht den inneren Magnetpolen 18c und 18d gegenüber oder sind ausreichend von den inneren Magnetpolen 18c und 18d beabstandet, wodurch, selbst falls die Spule 2 elektrisch gespeist wird, diese im Vergleich mit den äußeren Magnetpolen 18a und 18b kaum magnetisiert werden, weshalb sie nicht zu dem Rotationsantrieb des Rotormagneten 1 beitragen.
Durch Vorsehen der Positionierstatoren 21 und 22 wird die Stoppposition des Magneten, wenn die Spule 2 nicht elektrisch gespeist wird, auf eine Position. gemäß 3 eingestellt. Das heißt, dass der Magnet 1 derart eingestellt wird, dass er an einer Position gestoppt wird (eine Position, die in 3 gezeigt ist), an der die Mitten K₁, K₂, K₃ und K₄ der Pole des magnetisierten Abschnitts des Magneten 1 von einer geraden Linie L1 abweichen, die die Zentren der äußeren Magnetpole 18a und 18b des Stators 18 und das Rotationszentrum des Magneten 1 miteinander verbindet. In Bezug auf K₂ bedeutet das, dass der Magnet an einer Position gestoppt wird, der um einen Winkel θ abweicht. Wenn die Spule 2 von dieser Position aus elektrisch gespeist wird, werden die Positionierstatoren 21 und 22 nicht erregt, wie es vorstehend beschrieben worden ist, jedoch werden die äußeren Magnetpole 18a, 18b und die inneren Magnetpole 18c, 18d erregt, und wird die Kraft, mit der die erregten äußeren Magnetpole 18a, 18b auf den magnetisierten Abschnitt des Magneten 1 einwirken, unweigerlich in die Richtung der Rotation des Magneten 1 gerichtet. Daher wird der Magnet (Rotormagnet) 1 sanft betätigt.
In dem Fall eines Motors, der die Positionierstatoren 21 und 22 nicht aufweist, ist die Position, in der der Magnet 1 stabil gestoppt wird, wenn die Spule 2 nicht elektrisch gespeist wird, diejenige, wie sie in 7 oder 8 gezeigt ist. 7 und 8 zeigen typische Querschnittsdarstellungen, die diese zwei Positionen zeigen, an denen der Magnet 1 stabil gestoppt wird. In der Position gemäß 7 sind die Zentren K₁, K₂, K₃ und K₄ der Pole des magnetisierten Abschnitts des Magneten 1 auf einer geraden Linie, die die Zentren Q1 und Q2 der äußeren Magnetpole und das Rotationszentrum Q3 des Magneten 1 miteinander verbindet, weshalb, selbst falls die Spule 2 elektrisch gespeist wird, eine elektromagnetische Kraft nicht in einer Richtung zum Rotieren des Magneten 1 einwirkt.
In der Position gemäß 8 ist die Betätigung des Magneten 1 durch die elektrische Speisung der Spule 2 möglich, jedoch kann der Magnet 1 nicht in seinem stabilen Zustand gedreht werden, es sei denn, dass die elektrische Speisung zu einem bestimmten Zeitverlauf geändert wird. Das heißt, dass, wenn von dem Zustand gemäß 8 die äußeren Magnetpole 18a und 18b beispielsweise zu N-Pole erregt werden, die elektromagnetische Kraft nicht in Richtung zum Rotieren des Magneten 1 einwirkt, wie es im Zusammenhang mit 7 beschrieben ist, selbst wenn die elektrische Speisung der Spule 2 zu der entgegengesetzten Richtung nach Stoppen des Magneten 1 an derselben Position wie diejenige gemäß 7 gewechselt wird und die äußeren Magnetpole 18a und 18b in S-Pole erregt werden. Die Positionierstatoren 21 und 22 arbeiten mit dem Rotormagneten 1 zusammen, um eine Halteeinrichtung zum Halten des Magneten 1 zu bilden. Außerdem sind die Positionierstatoren 21 und 22 zwischen den äußeren Magnetpolen 18a und 18b des Stators 18 angeordnet, weshalb diese ohne Vergrößerung des Motors konstruiert werden können.
Der Betrieb des Schrittmotors gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 3 bis 6 beschrieben. Wenn von dem Zustand gemäß 3 aus die Spule 2 elektrische gespeist wird, um dadurch die äußeren Magnetpole 18a und 18b des Stators 18 in N-Pole zu erregen und die inneren Magnetpole 18c und 18d des Stators 18 in S-Pole zu erregen, wird der Magnet 1, bei dem es sich um den Rotor handelt, gemäß der Darstellung in 3 in eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn gedreht und nimmt einen Zustand gemäß 4 an. Da die Positionierstatoren 21 und 22 kaum durch die Spule 2 erregt werden, wird die Position des Magneten 1 im Wesentlichen durch den erregten Zustand des magnetisierten Abschnitts des Magneten 1 und den äußeren Magnetpolen 18a und 18b sowie den inneren Magnetpolen 18c und 18d des Stators 18 durch die Spule 2 bestimmt, wobei der Magnet den Zustand gemäß 4 annimmt. Wenn aus diesem Zustand heraus die Spule 2 elektrisch abgeschaltet wird, wird ein durch die magnetische Kraft des Magneten 1 stabilisierter Zustand (die Position gemäß 5) hervorgebracht.
Wenn danach die elektrische Speisung der Spule 2 umgekehrt wird, um dadurch die äußere Magnetpole 18a und 18b des Stators 18 in S-Pole zu erregen und die inneren Magnetpole 18c und 18d des Stators 18 in N-Pole zu erregen, wird der Magnet 1, bei dem es sich um den Rotor handelt, weiter in Richtung gegen den Uhrzeigersinn gedreht und nimmt einen Zustand gemäß 6 an. Danach wird die Richtung der elektrischen Speisung der Spule 2 aufeinanderfolgend gewechselt, wodurch der Magnet 1, bei dem es sich um den Rotor handelt, zu einer Position gedreht wird, die mit der Fase der elektrischen Speisung übereinstimmt. Das heißt, dass der Motor gedreht wird. Wenn die elektrische Speisung der Spule 2 von dem Zustand, in dem der Motor gedreht wird, abgeschaltet wird, wird der Motor an der Position gemäß 3 gestoppt, an der er durch die Magnetkraft des Rotormagneten 1 stabilisiert wird.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel 1 kann der Durchmesser des Motors eine Größe aufweisen, die groß genug ist, damit die Magnetpole des Stators 18 der äußeren umlaufenden Oberfläche des Magneten 1 gegenüberliegen, und die Länge des Motors kann die Länge des Magneten 1 plus die Länge der Spule 2 sein. Auf diese Weise wird die Größe des Motors durch die Durchmesser und Längen des Magneten 1 und der Spule 2 bestimmt, und indem die Durchmesser und Längen des Magneten 1 und der Spule 2 sehr gering gemacht werden, kann der Motor sehr kompakt ausgeführt werden. Das heißt, dass der Durchmesser des Motors im Wesentlichen durch die äußeren Magnetpole 18a und 18b bestimmt ist, die der äußeren umlaufenden Oberfläche des Rotormagneten 1 gegenüberliegen, und die axiale Länge des Motors durch die Spule 2 und den Rotormagneten 1 bestimmt ist, die axial dazu angeordnet sind, weshalb der Motor sehr kompakt ausgeführt werden kann.
Außerdem durchquert ein durch die Spule 2 erzeugter Magnetfluss den Magneten zwischen den äußeren Magnetpolen und den inneren Magnetpolen und wirkt daher effektiv. Weiterhin ist die Halteeinrichtung vorgesehen, die durch den Rotormagneten 1 und die Positionierstatoren 21 und 22 gebildet wird, die der äußeren umlaufenden Oberfläche des Magneten 1 gegenüberliegen, weshalb während der Nichtspeisung der Spule 2 der Magnet 1 an einer Position gehalten werden kann, an der die Zentren der Pole des Magneten 1 von einer geraden Linie abweichen, die die Zentren der äußeren magnetischen Pole und das Rotationszentrum Q3 des Magneten miteinander verbindet.
Dementsprechend verläuft während des Übergangs vom Stoppen des Motors zu der ersten elektrischen Speisung der Spule 2 die Kraft, mit der der durch die Spule 2 erzeugte magnetische Fluss auf den Magneten 1 einwirkt, nicht zu dem Rotationszentrum des Magneten 1, weshalb es dementsprechend ermöglicht wird, eine sanfte und stabile Betätigung des Motors zu bewirken.
Außerdem kann der Motor durch eine sehr kleine Anzahl von Teilen wie den Rotormagneten 1, die Spule 2, den Stator 18 und die Ausgangswelle 7 aufgebaut werden, weshalb die Kosten verringert werden können. Außerdem ist der Rotormagnet 1 in eine hohle zylindrische Form geformt, und die äußeren Magnetpole 18a, 18b und die inneren Magnetpole 18c, 18d liegen jeweils der äußeren umlaufenden Oberfläche und der inneren umlaufenden Oberfläche dieses in einer hohlen zylindrischen Form geformten Rotormagneten 1 gegenüber, wodurch eine effektive Ausgangsleistung des Motors erzielt werden kann. Die Ausgangswelle (Rotorwelle) 7 ist an dem Passabschnitt 1b der zentralen Öffnung des Magneten 1, der der Rotor ist, durch Einpressen gesichert. Da der Rotormagnet 1 einen durch Spritzguss geformten plastischen Magneten aufweist, wird der Rotormagnet 1 selbst durch den Zusammenbau mittels Einpressen nicht zerbrochen, weshalb außerdem selbst in einer komplizierten Form, in der der Einpassabschnitt 1E mit einem kleinen inneren Durchmesser in dem axialen zentralen Abschnitt vorgesehen ist, leicht hergestellt werden kann. Außerdem werden die Ausgangswelle 7 und der Magnet 1 durch Einpressen zusammengebaut und gesichert, weshalb der Zusammenbau erleichtert wird und eine kostengünstige Herstellung möglich wird.
Nachstehend ist die Tatsache beschrieben, dass der Schrittmotor mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 ein Aufbau ist, der am besten geeignet ist, um den Motor sehr kompakt auszuführen. Das heißt, dass die Tatsache umfasst, dass in dem Grundaufbau des Schrittmotors zunächst der Rotormagnet in eine hohle zylindrische Form ausgeführt wird, dass zweitens die äußere umlaufende Oberfläche des Rotormagneten 1 umlaufend in eine Vielzahl unterteilt ist und abwechselnd zu unterschiedlichen Polen magnetisiert ist, dass drittens die Spule 2 axial bezüglich des Rotormagneten 1 angeordnet ist, dass viertens die äußeren Magnetpole und die inneren Magnetpole des Stators 18, die durch die Spule 2 erregt werden, jeweils der äußeren umlaufenden Oberfläche und der inneren umlaufenden Oberfläche des Rotormagneten 1 gegenüberliegen, das fünftens die äußeren Magnetpole 18a und 18b durch Ausschnittöffnungen und Zähnen geformt sind, die sich in einer Richtung parallel zu der Welle herauserstrecken, und dass sechstens eine Halteeinrichtung zum halten des Rotormagneten 1 in einer Position vorgesehen ist, an der die Zentren der Pole des Rotormagneten 1 von einer geraden Linie abweichen, die die Zentren der äußeren Magnetpole 18a, 18b und das Rotationszentrum Q3 des Magneten 1 miteinander verbindet, abweichen, wenn die Spule 2 nicht elektrisch gespeist wird.
Der Durchmesser dieses Schrittmotors (Motors) kann eine Größe aufweisen, die ausreichend ist, damit die Magnetpole des Stators 18 dem Durchmesser des Rotormagneten 1 gegenüberliegen, und die Länge dieses Schrittmotors kann die Länge des Rotormagneten 1 plus die Länge der Spule 2 sein. Somit ist die Größe des Schrittmotors durch die Durchmesser und Längen des Rotormagneten 1 und der Spule 2 bestimmt, und falls die Durchmesser und Längen des Rotormagneten 1 und der Spule 2 sehr klein ausgeführt sind, kann der Schrittmotor sehr kompakt ausgeführt werden.
Falls dabei die Durchmesser und Längen des Rotormagneten 1 und der Spule 2 sehr klein ausgeführt sind, wird es schwierig, die Genauigkeit für den Schrittmotor beizubehalten, jedoch ist gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel das Problem der Genauigkeit des Schrittmotors durch einen einfachen Aufbau gelöst, bei dem der Rotormagnet 1 in eine hohle zylindrische Form geformt ist, und die äußeren Magnetpole und die inneren Magnetpole des Stators 18 jeweils der äußeren umlaufenden Oberfläche und der inneren umlaufenden Oberfläche des Rotormagneten 1 gegenüberliegen, der in der hohlen zylindrischen Form geformt ist. Falls in diesem Fall nicht nur die äußere umlaufende Oberfläche des Rotormagneten 1 sondern ebenfalls die innere umlaufende Oberfläche des Rotormagneten 1 umlaufend vielfach unterteilt und magnetisiert ist, kann die Ausgangsleistung des Motors weiter verbessert werden. Außerdem ist die Halteeinrichtung zum Halten des Rotormagneten 1 an der Abweichungsposition vorgesehen, weshalb, wenn die Spule 2 nach dem Stoppen des Motors elektrisch gespeist wird (erste elektrische Speisung), verläuft die Kraft, mit der der Magnetfluss aus der Spule 2 auf den Magneten 1 einwirkt, nicht zu dem Rotationszentrum des Magneten 1, weshalb eine sanfte (gleichförmige) und stabile Betätigung des Motors bewirkt werden kann.
Außerdem ist der Rotormagnet 1 aus einem plastischen Magnetmaterial geformt, das durch Spritzguss geformt wird, wie es vorstehend beschrieben worden ist, wodurch dessen Dicke in Bezug auf die radiale Richtung der zylindrischen Form sehr klein ausgeführt werden kann. Daher können die Abstände zwischen den äußeren Magnetpolen 18a, 18b und den inneren Magnetpolen 18c, 18d des Stators 18 sehr klein ausgeführt werden, und kann der magnetische Widerstand eines durch die Spule 2 und den Stator 18 gebildeten Magnetkreises sehr klein ausgeführt werden. Dadurch kann ein großer Anteil des Magnetflusses durch einen kleinen elektrischen Strom erzeugt werden, und es wird möglich, eine erhöhte Ausgangsleistung und einen niedrigen Energieverbrauch des Motors sowie eine Verkleinerung der Spule zu erzielen.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die äußere umlaufende Oberfläche des Magneten umlaufend in n unterteilt, die abwechselnd zu S-Polen und N-Polen magnetisiert sind, und ist die innere umlaufende Oberfläche des Magneten ebenfalls umlaufend in n unterteilt, die abwechselnd zu S-Polen und N-Polen derart magnetisiert sind, dass sie sich von der benachbarten äußeren umlaufenden Oberfläche unterscheiden, jedoch kann lediglich die äußere umlaufende Oberfläche des Magneten umlaufend in n unterteilt sein, die abwechselnd zu S-Polen und N-Polen magnetisiert sind. Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ist gemäß der vorliegenden Erfindung der Motor von einem Aufbau, der mit einem drehbaren Rotormagneten, der umlaufend abwechselnd zu unterschiedlichen Polen magnetisiert ist, einen zylindrischen Stator, der dem Rotormagneten mit einem Abstand dazwischen gegenüberliegt, und einer Spule versehen, die im Inneren des Stators vorgesehen ist, und indem die Spule axial bezüglich des Rotormagneten angeordnet ist, die durch die Spule erregten äußeren Magnetpole des Stators der äußeren umlaufenden Oberfläche des Magneten gegenüberliegen, die inneren Magnetpole des Stators der inneren umlaufenden Oberfläche des Magneten gegenüberliegen, und eine Halteeinrichtung zum Halten des Magneten an einer Position vorgesehen ist, an der die Zentren der Pole des Magneten von einer Geraden abweichen, die die Zentren der äußeren Magnetpole und das Rotationszentrum des Magneten miteinander verbindet, weshalb der Durchmesser des Motors groß genug sein kann, damit die Magnetpole des Stators dem Durchmesser des Rotormagneten gegenüberliegen, und die Länge des Motors kann die Länge des Rotormagneten plus die Länge der Spule sein, weshalb die Durchmesser und Länge des Rotormagneten und der Spule sehr klein gemacht werden können, um dadurch den Motor sehr kompakt auszuführen, und durch das Vorsehen der Halteeinrichtung ist die gestoppte Position des Rotormagneten, wenn die Spule elektrisch nicht gespeist wird, eine Position, an der das Zentrum jedes Pols des magnetisierten Abschnitts des Rotormagneten von der geraden Linie abweicht, die die Zentren der äußeren Magnetpole und das Rotationszentrum des Rotormagneten miteinander verbindet, und von dieser Position wird die Spule elektrisch gespeist, wodurch die Kraft, mit der die erregten äußeren Magnetpole auf den magnetisierten Abschnitt des Rotormagneten einwirkt, sich zu der Richtung der Rotation des Rotormagneten unweigerlich dreht, wodurch es möglich wird, den Rotormagneten sanft (gleichförmig) zu betätigen.

Claims

Motor mit einem Magneten (1), der zur Bildung eines Rotors in eine zylindrische Form geformt ist und der umlaufend abwechselnd zu unterschiedlichen Polen magnetisiert ist, einer Rotationswelle (7), die an dem Magneten befestigt ist, einem Stator (18), der durch Magnetpole (18a, 18b, 18c, 18d) aufgebaut ist, wobei die Magnetpole äußere Magnetpole (18a, 18b) und innere Magnetpole (18c, 18d) aufweisen, wobei die äußeren Magnetpole derart angeordnet sind, dass sie einer äußeren umlaufenden Oberfläche des Magneten zugewandt sind und die inneren Magnetpole derart angeordnet sind, dass sie einer inneren umlaufenden Oberfläche des Magneten zugewandt sind, und wobei die äußeren Magnetpole (18a, 18b) durch Zähne geformt sind, die sich in einer Richtung parallel zu der Rotationsachse des Rotors erstrecken, und einer Spule (2) zur Erregung der Magnetpole (18a, 18b, 18c, 18d) des Stators, wobei die Spule (2) axial in Bezug auf den Magneten (1) zwischen den inneren Magnetpolen und den äußeren Magnetpolen angeordnet ist und die Spule (2) im Wesentlichen dieselbe Ausdehnung wie diejenige eines äußeren Durchmessers in radialer Richtung des Magneten aufweist, wobei die äußeren Magnetpole (18a, 18b) des Stators an der inneren Seite einer zylindrischen Abdeckung (20) befestigt sind, durch die die Rotationswelle (7) vorspringt, und dadurch gekennzeichnet, dass eine Halteeinrichtung (21, 22) zum Halten des Magneten (1) an einer Position bereitgestellt ist, an denen die Zentren der Pole des Magneten (1) von einer Linie abweichen, die die Zentren der äußeren Magnetpole (18a, 18b) und das Rotationszentrum des Magneten miteinander verbindet, wenn die äußeren Magnetpole (18a, 18b) und die inneren Magnetpole (18c, 18d) durch die Spule (2) nicht erregt werden, wobei die Halteeinrichtung Positionierstatoren (21, 22) aufweist, die an der inneren Seite der Abdeckung (20) befestigt sind sowie benachbart zu und umlaufend zwischen den äußeren Magnetpolen (18a, 18b) des Stators (18) derart vorgesehen sind, dass sie die äußeren Magnetpole (18a, 18b) des Stators nicht berühren, wobei die Positionierstatoren derart angeordnet sind, dass sie dem äußeren Umfang des Magneten (1) zugewandt sind.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Magneten (1) dessen innere umlaufende Oberfläche umlaufend abwechselnd zu unterschiedlichen Polen magnetisiert ist und ebenfalls zu Polen magnetisiert ist, die sich von der benachbarten äußeren umlaufenden Oberfläche unterscheiden.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (2), die axial in Bezug auf den Magneten (1) angeordnet ist, eine Einzelwicklungsspule ist.