CH668672A5 - Single-phase stepping motor with permanent magnet rotor - has even number of pole arms extending from opposite halves of stator into space around rotor - Google Patents

Single-phase stepping motor with permanent magnet rotor - has even number of pole arms extending from opposite halves of stator into space around rotor Download PDF

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CH668672A5
CH668672A5 CH474185A CH474185A CH668672A5 CH 668672 A5 CH668672 A5 CH 668672A5 CH 474185 A CH474185 A CH 474185A CH 474185 A CH474185 A CH 474185A CH 668672 A5 CH668672 A5 CH 668672A5
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polar
arms
rotor
polar arms
stator
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CH474185A
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Hubert Lechner
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Saia Ag
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Abstract

A motor with a predetermined direction of rotation comprises a permanent-magnet rotor (4) with an even number of poles and circumferential magnetisation, and a two-part stator (1) surrounding the coil (9). Small rectangular pole arms extend into the space between the rotor (4) and the coil (9), in pairs which have alternate polarity. The pairs of pole arms can be six in number and their spacing around the rotor is such that diametrically opposed pole arms (e.g. 7,8) are of opposite polarity and pertain to the respective parts (2,3) of the stator (1). ADVANTAGE - Simple implementation of motor affords high efficiency even in region of low torque. Resultant radial force on rotor is reduced, even with small number of poles.

Description

       

  
 

**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.

 



   PATENTANSRPÜCHE
1. Einphasenschrittmotor mit vorbestimmter Drehrichtung, mit einem dauermagnetischen Rotor, der 2p Pole wechselnder Polarität besitzt, und einem eine Erregerspule umgebenden Stator, dessen Polarme sich je nach Polarität von der einen oder anderen Seite des Stators in axialer Richtung in den Raum zwischen Erregerspule und den Rotor erstrecken und zum Teil mit wechselnder Polarität angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass, in Drehrichtung gesehen, an mindestens einer Stelle der erste Polarm   (1 la,    14a) eines Polarmpaares (10 bis 15) fehlt.



   2. Einphasenschrittmotor nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen mit fehlenden Polarmen   (1 ia,    14a) einander diametral gegenüberliegen.



   3. Einphasenschrittmotor nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Polarme (lOb,   leib,    bzw. 13b, 14b), die die Stelle eines ausgelassenen Polarms   (1 pa,    14a) flankieren, in Richtung zum ausgelassenen Polarm   (1 pa,    14a) verbreitert sind.



   BESCHREIBUNG



   Die Erfindung bezieht sich auf einen Einphasenschrittmotor mit vorbestimmter Drehrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.



   Einphasenschrittmotoren mit vorbestimmter Drehrichtung, die elektrische Impulse wechselnder Polarität in schrittweise Drehbewegungen umwandeln, weisen zur Bestimmung der Drehrichtung eine magnetische Unsymmetrie auf. Die magnetische Unsymmetrie bedeutet, dass der Nullpunkt des Rastmoments MR nicht mit dem Nullpunkt des Schaltmoments Ms zusammenfällt. Beim Einphasenschrittmotor gemäss der CH-PS 541 893 wird diese Unsymmetrie dadurch erreicht, dass Hauptpole und Hilfspole vorgesehen sind, wobei die Hilfspole gegen über den Hauptpolen um   45"      el    versetzt und derart angeordnet sind, dass vom Erregerstrom in den Hilfspolen kein resultierendes Drehmoment erzeugt wird.

  Die beiden Polarten sind Bestandteil eines zweiteiligen, kapselförmigen Ständers, wobei die Stirnseite der Kapsel im Bereich der beiden Enden der Hilfspole Aussparungen aufweist.



   Zur Verbesserung des Wirkungsgrads wurde im CH-Patent Nr. 665 510 eine neuartige Anordnung der Polarme in zweierlei sich abwechselnden Gruppen vorgeschlagen, wobei die erste Art der Gruppen Polarme wechselnder Polarität und die zweite Art der Gruppen ausschliesslich gleichnamige Polarme aufweist.



  Die Polarme der Gruppen der ersten Art besitzen ungleiche Breiten, während die Polarme der Gruppen zweiter Art paarweise gleiche Polarität aufweisen.



   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Ausführungsform des Einphasenschrittmotors anzugeben, welche einen hohen Wirkungsgrad auch im Bereich kleiner Motormomente aufweist. Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung soll die resultierende Radialkraft auf den Läufer auch bei einer kleinen Polzahl vermieden werden.



   Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst.



   Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schrittmotor in der Schnittdarstellung;
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Polarmfolge des Schrittmotors und
Fig. 3 ein Diagramm.



   Der Einphasenschrittmotor mit vorbestimmter Drehrichtung gemäss Fig. 1 besteht aus einem Ständer 1, der aus zwei Ständerhälften 2 und 3 gebildet ist, aus einem Läufer 4, dessen Achse 5 frei drehbar geführt ist, und aus einer Spule 9.



   Die beiden Ständerhälften 2 und 3 bestehen aus einem weichmagnetischen Blech, das am Rande Laschen 2a oder 3a aufweist, die L-förmig rechtwinklig umgebogen sind, oder aus einer topfförmigen, durch eine Tiefziehoperation hergestellten Ständerhälfte 2, die die Teile 2a und 3a umfasst, und einer ebenen Ständerhälfte 3. Die beiden Ständerhälften 2 und 3 schliessen dicht aufeinander. Sie besitzen Pole, die durch aus den stirnseitigen Teilen der Ständerhälften 2 und 3 ausgestanzten und rechtwinklig nach innen in den Raum zwischen dem Läufer 4 und der Spule 9 umgebogenen Polarmen 7 und 8 gebildet sind. Zur besseren Übersicht sind nur die Polarme 7 und 8 der Ständerhälften 2 und 3 eingezeichnet, die in der Schnittebene liegen. Die Polarme 7 und 8 sind schmal und besitzen Rechteckform, so dass die Ausklinkungen nur eine kleine nach aussen offene Fläche bilden.



   Der Läufer 4 besteht aus einem zylinderförmigen Körper aus Dauermagnetmaterial, der auf dem Aussenumfang mit einer Polpaarzahl p in gleichen Winkelabständen magnetisiert ist. Da er zwischen zwei Ständerhälften 2 und 3 eingeschlossen und von den Polarmen 7 und 8 käfigartig umgeben ist, kann er von äusseren Magnetfeldern nicht beeinflusst werden und sein Magnetfeld nicht nach aussen wirken.



   Die Pol arme 7 und 8 sind - in Drehrichtung gesehen paarweise mit der gleichen Polarität versehen und die Polarmpaare sind mit wechselnder Polarität angeordnet, wobei mindestens ein einzelner erster Polarm eines denkbaren Polarmpaares ausgelassen ist, was bei der Erklärung der Fig. 2 näher ausgeführt wird.



   Die Spule 9 wird mittels bipolarer Gleichspannungsimpulse erregt, wobei die positiven und negativen Amplituden als gleich gross angenommen werden. Der Läufer 4 nimmt dabei um   1800/p    gegeneinander verschobene Positionen ein.



   In der Fig. 2 ist für den Fall eines Einphasenschrittmotors mit einem sechspoligen Läufer 4 (d.h. p = 3) eine Polarmfolge dargestellt. Dabei sind jeweils die ersten Polarme jedes Polarmpaares 10 bis 15 mit dem Index a und die jeweils zweiten Polarme mit dem Index b versehen. Die Polarme 10a, lOb, 12a, 12b und 14b sind Bestandteile der Ständerhälfte 3 der Fig. 1, während die schraffiert gezeichneten Polarme   1 lb,    13a, 13b, 15a und 15b in der Ständerhälfte 2 angebracht sind. Die beiden Polarme eines Polarmpaares 10 bis 15 besitzen somit gleiche Polarität.



   Aufeinanderfolgende Polarmpaare 10 bis 15 sind jeweils in wechselnder Polarität magnetisierbar. Die Polarmpaare 10 bis 15 sind in regelmässigen Winkelabständen   ct    + (3 angeordnet.



  Der winkelmässige Abstand der einzelnen Polarme 10a, lOb, bzw. 12a, 12b, bzw. 13a, 13b, bzw. 15a, 15b innerhalb eines Polarmpaares 10 bis 15 ist mit   ss    und der winkelmässige Abstand des ersten Polarms 10a bis 15a eines Polarmpaares 10 bis 15 vom zweiten Polarm 15b bis lOb des vorangehenden Polarmpaares mit a bezeichnet. Der winkelmässige Abstand a ist im wesentlichen gleich dem winkelmässigen Abstand   ss.    In Drehrichtung gesehen sind im dargestellten Beispiel die gestrichelt gezeichneten Polarme   1 la    und 14a der denkbaren Polarme 11 und 14 ausgelassen.

  Infolge der durch die ausgelassenen Polarme l la und 14a bewirkten Unsymmetrie des magnetischen Kreises sind die gestrichelt gezeichneten Raststellungen 16 des Läufers 4 gegenüber den ausgezogen gezeichneten und im wesentlichen mit den Mittelstellungen zwischen den beiden Polarmen der Polarmpaare 10 bis 15 übereinstimmenden Ständerhauptachsen 17 je um den Winkel   (PA    =   45"/p    verschoben. Damit wird durch die einfache Art der Anordnung der Polarme 7 und 8 (Fig. 1), bzw.   10a    bis 15b (Fig. 2) die Laufrichtung des Einphasenschrittmotors bestimmt. 

  Dabei hat die Verwendung von erfindungsgemässen Polarmpaaren   wo bis    15 gegenüber nur einfachen Polarmen den Vorteil, dass das Rastmoment MR (siehe Fig. 3) im wesentlichen durch die ausgelassenen Polarme erzeugt wird, weil ein einzelner Läuferpol, wenn er sich auf die   Mitte zwischen zwei benachbarten Polarmen ungleicher Polarität ausrichtet, praktisch die gleiche Reluktanz  sieht , wie wenn er sich auf die Lücke zwischen zwei benachbarten Polarmpaaren gleicher Polarität ausrichtet, falls die winkelmässigen Abstände a und   ss    im wesentlichen gleich sind. Das Rastmoment MR (Fig. 3) kann durch Auslassen einzelner Polarme   1 1a    und 14a fein abgestuft werden.

  Eine weitere Abstufung erfolgt, wenn die beiden Polarme, die die Stelle eines ausgelassenen Polarms flankieren, in Richtung zum ausgelassenen Polarm   1 pa,    14a verbreitert werden. Das Rastmoment MR (Fig. 3) bestimmt das Schaltmoment   Ms    und im weiteren das Motormoment MM. Durch die Möglichkeit, das Rastmoment MR genau auf das geforderte Motormoment MM abstimmen zu können, kann für den Schaltschritt Energie gespart und der Wirkungsgrad optimiert werden.



   In der Darstellung der Fig. 2 liegen die Stellen, an denen Polarme   1 pa,    14a ausgelassen wurden, einander diametral gegenüber. Diese Ausführungsform besitzt den Vorteil, dass keine resultierende Radialkraft auf den Rotor 4 ausgeübt wird. Dadurch vermindert sich die Abnützung der Lager 6 und der Einphasenschrittmotor gewinnt an Laufruhe. Diese radialkraftfreie Ausführungsform kann bereits bei einer Polpaarzahl p = 2 verwirklicht werden. Die jeweils ausgelassenen Polarme mit dem Index a können jedoch an beliebig anderen Stellen mit dem gleichen Index weggelassen sein. Es muss nur jeweils, in Drehrichtung gesehen, in jedem Fall der erste Polarm mit dem Index a ausgelassen werden.



   Bei der Ausführungsform der Fig. 2 ist der Winkel a +   ss     =   1800/p    = 600. Der Winkel a =   90"/p    =   30".   



   Im Diagramm der Fig. 3 sind die Motormomente in Funktion des Drehwinkels   n    des Einphasenschrittmotors nach der Fig. 1 dargestellt. Beim Stand der Technik, z.B. nach der CH PS 541 893, weisen die positiven und negativen Motormomente nur ein einziges ausgeprägtes Maximum auf, während ein zweites verkümmertes Maximum annähernd gleich gross wie ein vorhandenes Minimum ist. Wie aus dem Diagramm der Fig. 3 ersichtlich ist, weist beim erfindungsgemässen Einphasenschritt   motor der Winkel p- 1PA zwischen den Minimumstellen des    Schaltmoments Ms und des Rastmoments MR den Wert 450 auf. Der Wert des zweiten, vordem verkümmertem Maximums und auch der Wert des Minimums des Motormoments MM werden dadurch stark angehoben.

  Daher entstehen die in der Fig. 3 dargestellten Motormomente MM+ und   MM-,    welche je zwei annähernd gleichgrosse Maxima besitzen, die durch ein stark angehobenes Minimum voneinander getrennt sind. Daraus resultiert ein verbesserter Wirkungsgrad.



   Gemäss der Fig. 3 wird die Lage des Läufers 4 im stromlosen Zustand der Spule 9 der Fig. 1 durch ein Rastmoment MR bestimmt, das z.B. einer Sinusfunktion folgt und die Nullachse bei   0 ,      90 ,      270     und   360"      el    schneidet. Bei positiver Erregung wirkt ein Motormoment   MM+,    das sich aus dem Rastmoment MR und einem durch die Erregung der Statorpole hervorgerufenen Schaltmoment Ms+ zusammensetzt. Bei negativer Erregung wirkt ein Motormoment   MM,    das sich aus dem Rastmoment MR und einem durch die Erregung der Statorpole hervorgerufenen gestrichelt gezeichneten Schaltmoment Ms¯ zusammensetzt, wobei das Schaltmoment Ms¯ den gleichen Verlauf wie das Schaltmoment Ms+ aufweist, gegenüber diesem jedoch um 1800 el nacheilt.

  Das Maximum der Kennlinie des Schaltmoments Ms¯ liegt idealerweise bei einem Drehwinkel   n,    bei dem das Rastmoment MR annähernd ein Minimum besitzt. Es gelten jeweils die Gleichungen:
MM+ = MR   +      Ms+    und
MM = MR + Ms
Die Grösse des Erregerstromes wird vorzugsweise derart gewählt, dass die Amplitude der Schaltmomente   Ms+    und Ms¯ doppelt so gross sind wie die Amplitude des Rastmoments MR.



  Es gilt dann:    Ms+,max    =   Ms-max    = 2   MR,mox.   



   Dadurch, dass der Läufer 4 in der Raststellung um den Winkel   1PA    beim Anlaufen verdreht ist, ist beim Anlegen einer Spannung an die Spule 9 der Fig. 1 ein Anlaufdrehmoment vorhanden und der Läufer 4 erhält eine definierte Anlaufdrehrichtung, in der Fig. 2 in Uhrzeigerrichtung. Der Läufer 4 hat seine stabile Lage bei 0 und   1800    el + jeweils   P-1PA.    Das Motormoment MM   (O"    +   P-1PA)    und   (180     +   P-1PA)    weist einen positiven Wert auf, was das erwünschte Anlaufdrehmoment hervorruft.

 

   Der Ständer 1 der Fig. 1 des beschriebenen Einphasenschrittmotors kann auf einfache Art durch eine Tiefzieh- und/ oder Stanzoperation mittels unkomplizierter Formen und Umbiegen der Polarme 7, 8 der Fig. 1 und 10a, 10b,   1 lb,    12a, 12b,
13a, 13b, 14b, 15a und 15b der Fig. 2 und der Läufer 4 durch Spritzen von ferrithaltigen Kunststoffmischungen hergestellt werden. Die Kleinheit der Öffnungen der Ausklinkungen und die Abschirmung des Läufers 4 durch die Polarme 7, 8 der Fig.



   1 bzw. 10a, 10b, llb, 12a, 12b, 13a, 13b, 14b, 15a und 15b der Fig. 2 gegenüber äusseren Magnetfeldern erweisen sich besonders günstig für den Antrieb von Zählwerken in Elektrizitätszählern, da sie zudem nur geringe Streufelder aufweisen. 



  
 

** WARNING ** beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.

 



   PATENT CLAIMS
1. Single-phase stepper motor with a predetermined direction of rotation, with a permanent magnetic rotor, which has 2p poles of alternating polarity, and a stator surrounding an excitation coil, the polarme of which, depending on the polarity, moves from one side or the other of the stator in the axial direction into the space between the excitation coil and the Extend rotor and are partially arranged with changing polarity, characterized in that, seen in the direction of rotation, the first polar arm (1 la, 14a) of a pair of polar arms (10 to 15) is missing at at least one point.



   2. Single-phase stepper motor according to claim 1, characterized in that the locations with missing polar arms (1 ia, 14a) are diametrically opposite one another.



   3. Single-phase stepper motor according to claim 1, characterized in that the two polar arms (10b, leib, or 13b, 14b) flanking the location of an omitted polar arm (1 pa, 14a), towards the omitted polar arm (1 pa, 14a) are broadened.



   DESCRIPTION



   The invention relates to a single-phase stepper motor with a predetermined direction of rotation according to the preamble of claim 1.



   Single-phase stepper motors with a predetermined direction of rotation, which convert electrical pulses of alternating polarity into incremental rotary movements, have a magnetic asymmetry to determine the direction of rotation. The magnetic asymmetry means that the zero point of the cogging torque MR does not coincide with the zero point of the switching torque Ms. In the single-phase stepper motor according to CH-PS 541 893, this asymmetry is achieved in that main poles and auxiliary poles are provided, the auxiliary poles being offset by 45 "el from the main poles and arranged in such a way that no resulting torque is generated in the auxiliary poles by the excitation current .

  The two types of poles are part of a two-part, capsule-shaped stand, the end face of the capsule having cutouts in the region of the two ends of the auxiliary poles.



   In order to improve the efficiency, a new arrangement of the polar arms in two different alternating groups has been proposed in Swiss Patent No. 665 510, the first type of groups having polar arms of alternating polarity and the second type of groups exclusively having polar arms of the same name.



  The polar arms of the groups of the first type have unequal widths, while the polar arms of the groups of the second type have the same polarity in pairs.



   The invention has for its object to provide a simple embodiment of the single-phase stepper motor, which has a high efficiency even in the range of small motor torques. In a special embodiment of the invention, the resulting radial force on the rotor should be avoided even with a small number of poles.



   The object is achieved by the features of the characterizing part of patent claim 1.



   The invention is explained below with reference to a drawing. Show it:
Figure 1 shows a stepper motor in the sectional view.
Fig. 2 is a schematic diagram of the polar sequence of the stepper motor and
Fig. 3 is a diagram.



   1 consists of a stator 1, which is formed from two stator halves 2 and 3, a rotor 4, the axis 5 of which is freely rotatable, and a coil 9.



   The two stand halves 2 and 3 consist of a soft magnetic sheet metal, which has tabs 2a or 3a on the edge, which are bent L-shaped at right angles, or of a cup-shaped stand half 2, produced by a deep-drawing operation, which comprises the parts 2a and 3a, and a flat stand half 3. The two stand halves 2 and 3 close together. They have poles which are formed by polar arms 7 and 8 which are punched out of the end parts of the stator halves 2 and 3 and are bent at right angles inwards into the space between the rotor 4 and the coil 9. For a better overview, only the polar arms 7 and 8 of the stand halves 2 and 3 are shown, which lie in the cutting plane. The polar arms 7 and 8 are narrow and have a rectangular shape, so that the notches only form a small area open to the outside.



   The rotor 4 consists of a cylindrical body made of permanent magnet material, which is magnetized on the outer circumference with a number of pole pairs p at equal angular intervals. Since it is enclosed between two stator halves 2 and 3 and surrounded by the polar arms 7 and 8 in a cage-like manner, it cannot be influenced by external magnetic fields and its magnetic field cannot act externally.



   The pole arms 7 and 8 are - seen in the direction of rotation in pairs with the same polarity and the polar arm pairs are arranged with alternating polarity, with at least a single first polar arm of a conceivable polar arm pair being omitted, which is explained in more detail in the explanation of FIG. 2.



   The coil 9 is excited by means of bipolar DC voltage pulses, the positive and negative amplitudes being assumed to be of equal size. The rotor 4 assumes positions shifted against each other by 1800 / p.



   2 shows a polar sequence for the case of a single-phase stepper motor with a six-pole rotor 4 (i.e. p = 3). The first polar arms of each polar arm pair 10 to 15 are each provided with the index a and the respective second polar arms with the index b. The polar arms 10a, 10b, 12a, 12b and 14b are components of the stator half 3 of FIG. 1, while the hatched polar arms 1 lb, 13a, 13b, 15a and 15b are attached in the stator half 2. The two polar arms of a pair of polar arms 10 to 15 thus have the same polarity.



   Successive polar pairs 10 to 15 can each be magnetized in alternating polarity. The pairs of polar arms 10 to 15 are arranged at regular angular intervals ct + (3.



  The angular distance between the individual polar arms 10a, 10b, or 12a, 12b, or 13a, 13b, or 15a, 15b within a pair of polar arms 10 to 15 is ss and the angular distance between the first polar arm 10a to 15a of a pair of polar arms 10 to 15 designated by the second polar arm 15b to 10b of the preceding polar arm pair. The angular distance a is substantially equal to the angular distance ss. Viewed in the direction of rotation, the polar arms 11a and 14a of the conceivable polar arms 11 and 14 are omitted in the example shown.

  As a result of the asymmetry of the magnetic circuit caused by the omitted polar arms 11a and 14a, the broken-line detent positions 16 of the rotor 4 are offset by the angle between the main stator axes 17 and the stator main axes 17, which are drawn in solid lines and correspond essentially to the middle positions between the two polar arms of the pairs of polar arms 10 to 15 (PA = 45 "/ p shifted. The running direction of the single-phase stepping motor is thus determined by the simple type of arrangement of the polar arms 7 and 8 (FIG. 1) or 10a to 15b (FIG. 2).

  The use of pairs of polar arms according to the invention where up to 15 compared to only simple polar arms has the advantage that the cogging torque MR (see FIG. 3) is essentially generated by the omitted polar arms, because a single rotor pole, when it is centered between two adjacent ones Aligns polarmen of unequal polarity, sees practically the same reluctance as if it aligns itself to the gap between two adjacent pairs of polar arms of the same polarity if the angular distances a and ss are essentially the same. The cogging torque MR (FIG. 3) can be finely graded by omitting individual polar arms 1 1a and 14a.

  A further gradation occurs when the two polar arms flanking the location of an omitted polar arm are widened in the direction of the omitted polar arm 1 pa, 14 a. The cogging torque MR (FIG. 3) determines the switching torque Ms and also the motor torque MM. The possibility of being able to match the cogging torque MR exactly to the required motor torque MM saves energy for the switching step and optimizes the efficiency.



   In the illustration in FIG. 2, the locations at which polar arms 1 a, 14 a have been omitted lie diametrically opposite one another. This embodiment has the advantage that no resulting radial force is exerted on the rotor 4. This reduces the wear of the bearings 6 and the single-phase stepper motor runs more smoothly. This embodiment, which is free of radial forces, can already be implemented with a number of pole pairs p = 2. The respectively omitted polar arms with the index a can, however, be omitted at any other place with the same index. It is only necessary to omit the first polar arm with the index a, viewed in the direction of rotation.



   In the embodiment of FIG. 2, the angle a + ss = 1800 / p = 600. The angle a = 90 "/ p = 30".



   The diagram of FIG. 3 shows the motor torques as a function of the angle of rotation n of the single-phase stepper motor according to FIG. 1. In the prior art, e.g. According to CH PS 541 893, the positive and negative engine torques have only one pronounced maximum, while a second stunted maximum is approximately the same size as an existing minimum. As can be seen from the diagram in FIG. 3, in the single-phase motor according to the invention the angle p-1PA between the minimum points of the switching torque Ms and the cogging torque MR has the value 450. The value of the second, previously stunted maximum and also the value of the minimum of the engine torque MM are thereby greatly increased.

  This results in the motor torques MM + and MM- shown in FIG. 3, each of which has two approximately equally large maxima, which are separated from one another by a strongly raised minimum. This results in an improved efficiency.



   3, the position of the rotor 4 in the de-energized state of the coil 9 of FIG. 1 is determined by a cogging torque MR, which e.g. follows a sine function and intersects the zero axis at 0, 90, 270 and 360 "el. With positive excitation, an engine torque MM + acts, which is composed of the cogging torque MR and a switching torque Ms + caused by the excitation of the stator poles. With negative excitation, an engine torque acts MM, which is made up of the cogging torque MR and a switching torque Ms¯ shown in dashed lines due to the excitation of the stator poles, the switching torque Ms¯ having the same course as the switching torque Ms +, but lagging by 1800 el.

  The maximum of the characteristic curve of the switching torque Ms¯ is ideally at an angle of rotation n at which the cogging torque MR has approximately a minimum. The following equations apply:
MM + = MR + Ms + and
MM = MR + Ms
The size of the excitation current is preferably chosen such that the amplitude of the switching torques Ms + and Ms¯ are twice as large as the amplitude of the cogging torque MR.



  The following then applies: Ms +, max = Ms-max = 2 MR, mox.



   Due to the fact that the rotor 4 is rotated by the angle 1PA in the latching position when starting, there is a starting torque when a voltage is applied to the coil 9 of FIG. 1 and the rotor 4 receives a defined starting direction of rotation, in FIG. 2 in the clockwise direction . The rotor 4 has its stable position at 0 and 1800 el + each P-1PA. The motor torque MM (O "+ P-1PA) and (180 + P-1PA) has a positive value, which produces the desired starting torque.

 

   The stator 1 of FIG. 1 of the single-phase stepping motor described can be easily produced by a deep-drawing and / or punching operation by means of uncomplicated shaping and bending of the polar arms 7, 8 of FIGS. 1 and 10a, 10b, 1 lb, 12a, 12b,
13a, 13b, 14b, 15a and 15b of FIG. 2 and the rotor 4 can be produced by spraying ferrite-containing plastic mixtures. The smallness of the openings of the notches and the shielding of the rotor 4 by the polar arms 7, 8 of FIG.



   1 and 10a, 10b, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b, 14b, 15a and 15b of FIG. 2 compared to external magnetic fields have proven to be particularly favorable for driving counters in electricity meters, since they also have only small stray fields.


    

Claims (3)

PATENTANSRPÜCHE 1. Einphasenschrittmotor mit vorbestimmter Drehrichtung, mit einem dauermagnetischen Rotor, der 2p Pole wechselnder Polarität besitzt, und einem eine Erregerspule umgebenden Stator, dessen Polarme sich je nach Polarität von der einen oder anderen Seite des Stators in axialer Richtung in den Raum zwischen Erregerspule und den Rotor erstrecken und zum Teil mit wechselnder Polarität angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass, in Drehrichtung gesehen, an mindestens einer Stelle der erste Polarm (1 la, 14a) eines Polarmpaares (10 bis 15) fehlt.  PATENT CLAIMS 1. Single-phase stepper motor with a predetermined direction of rotation, with a permanent magnetic rotor, which has 2p poles of alternating polarity, and a stator surrounding an excitation coil, the polarme of which, depending on the polarity, moves from one side or the other of the stator in the axial direction into the space between the excitation coil and the Extend rotor and are partially arranged with changing polarity, characterized in that, seen in the direction of rotation, the first polar arm (1 la, 14a) of a pair of polar arms (10 to 15) is missing at at least one point. 2. Einphasenschrittmotor nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen mit fehlenden Polarmen (1 ia, 14a) einander diametral gegenüberliegen.  2. Single-phase stepper motor according to claim 1, characterized in that the locations with missing polar arms (1 ia, 14a) are diametrically opposite one another. 3. Einphasenschrittmotor nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Polarme (lOb, leib, bzw. 13b, 14b), die die Stelle eines ausgelassenen Polarms (1 pa, 14a) flankieren, in Richtung zum ausgelassenen Polarm (1 pa, 14a) verbreitert sind.  3. Single-phase stepper motor according to claim 1, characterized in that the two polar arms (10b, leib, or 13b, 14b) flanking the location of an omitted polar arm (1 pa, 14a), towards the omitted polar arm (1 pa, 14a) are broadened. BESCHREIBUNG  DESCRIPTION Die Erfindung bezieht sich auf einen Einphasenschrittmotor mit vorbestimmter Drehrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.  The invention relates to a single-phase stepper motor with a predetermined direction of rotation according to the preamble of claim 1. Einphasenschrittmotoren mit vorbestimmter Drehrichtung, die elektrische Impulse wechselnder Polarität in schrittweise Drehbewegungen umwandeln, weisen zur Bestimmung der Drehrichtung eine magnetische Unsymmetrie auf. Die magnetische Unsymmetrie bedeutet, dass der Nullpunkt des Rastmoments MR nicht mit dem Nullpunkt des Schaltmoments Ms zusammenfällt. Beim Einphasenschrittmotor gemäss der CH-PS 541 893 wird diese Unsymmetrie dadurch erreicht, dass Hauptpole und Hilfspole vorgesehen sind, wobei die Hilfspole gegen über den Hauptpolen um 45" el versetzt und derart angeordnet sind, dass vom Erregerstrom in den Hilfspolen kein resultierendes Drehmoment erzeugt wird.  Single-phase stepper motors with a predetermined direction of rotation, which convert electrical pulses of alternating polarity into incremental rotary movements, have a magnetic asymmetry to determine the direction of rotation. The magnetic asymmetry means that the zero point of the cogging torque MR does not coincide with the zero point of the switching torque Ms. In the single-phase stepper motor according to CH-PS 541 893, this asymmetry is achieved in that main poles and auxiliary poles are provided, the auxiliary poles being offset by 45 "el from the main poles and arranged in such a way that no resulting torque is generated in the auxiliary poles by the excitation current . Die beiden Polarten sind Bestandteil eines zweiteiligen, kapselförmigen Ständers, wobei die Stirnseite der Kapsel im Bereich der beiden Enden der Hilfspole Aussparungen aufweist. The two types of poles are part of a two-part, capsule-shaped stand, the end face of the capsule having cutouts in the region of the two ends of the auxiliary poles. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads wurde im CH-Patent Nr. 665 510 eine neuartige Anordnung der Polarme in zweierlei sich abwechselnden Gruppen vorgeschlagen, wobei die erste Art der Gruppen Polarme wechselnder Polarität und die zweite Art der Gruppen ausschliesslich gleichnamige Polarme aufweist.  In order to improve the efficiency, a new arrangement of the polar arms in two different alternating groups has been proposed in Swiss Patent No. 665 510, the first type of groups having polar arms of alternating polarity and the second type of groups exclusively having polar arms of the same name. Die Polarme der Gruppen der ersten Art besitzen ungleiche Breiten, während die Polarme der Gruppen zweiter Art paarweise gleiche Polarität aufweisen. The polar arms of the groups of the first type have unequal widths, while the polar arms of the groups of the second type have the same polarity in pairs. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Ausführungsform des Einphasenschrittmotors anzugeben, welche einen hohen Wirkungsgrad auch im Bereich kleiner Motormomente aufweist. Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung soll die resultierende Radialkraft auf den Läufer auch bei einer kleinen Polzahl vermieden werden.  The invention has for its object to provide a simple embodiment of the single-phase stepper motor, which has a high efficiency even in the range of small motor torques. In a special embodiment of the invention, the resulting radial force on the rotor should be avoided even with a small number of poles. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst.  The object is achieved by the features of the characterizing part of patent claim 1. Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schrittmotor in der Schnittdarstellung; Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Polarmfolge des Schrittmotors und Fig. 3 ein Diagramm.  The invention is explained below with reference to a drawing. Show it: Figure 1 shows a stepper motor in the sectional view. Fig. 2 is a schematic diagram of the polar sequence of the stepper motor and Fig. 3 is a diagram. Der Einphasenschrittmotor mit vorbestimmter Drehrichtung gemäss Fig. 1 besteht aus einem Ständer 1, der aus zwei Ständerhälften 2 und 3 gebildet ist, aus einem Läufer 4, dessen Achse 5 frei drehbar geführt ist, und aus einer Spule 9.  1 consists of a stator 1, which is formed from two stator halves 2 and 3, a rotor 4, the axis 5 of which is freely rotatable, and a coil 9. Die beiden Ständerhälften 2 und 3 bestehen aus einem weichmagnetischen Blech, das am Rande Laschen 2a oder 3a aufweist, die L-förmig rechtwinklig umgebogen sind, oder aus einer topfförmigen, durch eine Tiefziehoperation hergestellten Ständerhälfte 2, die die Teile 2a und 3a umfasst, und einer ebenen Ständerhälfte 3. Die beiden Ständerhälften 2 und 3 schliessen dicht aufeinander. Sie besitzen Pole, die durch aus den stirnseitigen Teilen der Ständerhälften 2 und 3 ausgestanzten und rechtwinklig nach innen in den Raum zwischen dem Läufer 4 und der Spule 9 umgebogenen Polarmen 7 und 8 gebildet sind. Zur besseren Übersicht sind nur die Polarme 7 und 8 der Ständerhälften 2 und 3 eingezeichnet, die in der Schnittebene liegen. Die Polarme 7 und 8 sind schmal und besitzen Rechteckform, so dass die Ausklinkungen nur eine kleine nach aussen offene Fläche bilden.  The two stand halves 2 and 3 consist of a soft magnetic sheet metal, which has tabs 2a or 3a on the edge, which are bent L-shaped at right angles, or of a cup-shaped stand half 2, produced by a deep-drawing operation, which comprises the parts 2a and 3a, and a flat stand half 3. The two stand halves 2 and 3 close together. They have poles which are formed by polar arms 7 and 8 which are punched out of the end parts of the stator halves 2 and 3 and are bent at right angles inwards into the space between the rotor 4 and the coil 9. For a better overview, only the polar arms 7 and 8 of the stand halves 2 and 3 are shown, which lie in the cutting plane. The polar arms 7 and 8 are narrow and have a rectangular shape, so that the notches only form a small area open to the outside. Der Läufer 4 besteht aus einem zylinderförmigen Körper aus Dauermagnetmaterial, der auf dem Aussenumfang mit einer Polpaarzahl p in gleichen Winkelabständen magnetisiert ist. Da er zwischen zwei Ständerhälften 2 und 3 eingeschlossen und von den Polarmen 7 und 8 käfigartig umgeben ist, kann er von äusseren Magnetfeldern nicht beeinflusst werden und sein Magnetfeld nicht nach aussen wirken.  The rotor 4 consists of a cylindrical body made of permanent magnet material, which is magnetized on the outer circumference with a number of pole pairs p at equal angular intervals. Since it is enclosed between two stator halves 2 and 3 and surrounded by the polar arms 7 and 8 in a cage-like manner, it cannot be influenced by external magnetic fields and its magnetic field cannot act externally. Die Pol arme 7 und 8 sind - in Drehrichtung gesehen paarweise mit der gleichen Polarität versehen und die Polarmpaare sind mit wechselnder Polarität angeordnet, wobei mindestens ein einzelner erster Polarm eines denkbaren Polarmpaares ausgelassen ist, was bei der Erklärung der Fig. 2 näher ausgeführt wird.  The pole arms 7 and 8 are - seen in the direction of rotation in pairs with the same polarity and the polar arm pairs are arranged with alternating polarity, with at least a single first polar arm of a conceivable polar arm pair being omitted, which is explained in more detail in the explanation of FIG. 2. Die Spule 9 wird mittels bipolarer Gleichspannungsimpulse erregt, wobei die positiven und negativen Amplituden als gleich gross angenommen werden. Der Läufer 4 nimmt dabei um 1800/p gegeneinander verschobene Positionen ein.  The coil 9 is excited by means of bipolar DC voltage pulses, the positive and negative amplitudes being assumed to be of equal size. The rotor 4 assumes positions shifted against each other by 1800 / p. In der Fig. 2 ist für den Fall eines Einphasenschrittmotors mit einem sechspoligen Läufer 4 (d.h. p = 3) eine Polarmfolge dargestellt. Dabei sind jeweils die ersten Polarme jedes Polarmpaares 10 bis 15 mit dem Index a und die jeweils zweiten Polarme mit dem Index b versehen. Die Polarme 10a, lOb, 12a, 12b und 14b sind Bestandteile der Ständerhälfte 3 der Fig. 1, während die schraffiert gezeichneten Polarme 1 lb, 13a, 13b, 15a und 15b in der Ständerhälfte 2 angebracht sind. Die beiden Polarme eines Polarmpaares 10 bis 15 besitzen somit gleiche Polarität.  2 shows a polar sequence for the case of a single-phase stepper motor with a six-pole rotor 4 (i.e. p = 3). The first polar arms of each polar arm pair 10 to 15 are each provided with the index a and the respective second polar arms with the index b. The polar arms 10a, 10b, 12a, 12b and 14b are components of the stator half 3 of FIG. 1, while the hatched polar arms 1 lb, 13a, 13b, 15a and 15b are attached in the stator half 2. The two polar arms of a pair of polar arms 10 to 15 thus have the same polarity. Aufeinanderfolgende Polarmpaare 10 bis 15 sind jeweils in wechselnder Polarität magnetisierbar. Die Polarmpaare 10 bis 15 sind in regelmässigen Winkelabständen ct + (3 angeordnet.  Successive polar pairs 10 to 15 can each be magnetized in alternating polarity. The pairs of polar arms 10 to 15 are arranged at regular angular intervals ct + (3. Der winkelmässige Abstand der einzelnen Polarme 10a, lOb, bzw. 12a, 12b, bzw. 13a, 13b, bzw. 15a, 15b innerhalb eines Polarmpaares 10 bis 15 ist mit ss und der winkelmässige Abstand des ersten Polarms 10a bis 15a eines Polarmpaares 10 bis 15 vom zweiten Polarm 15b bis lOb des vorangehenden Polarmpaares mit a bezeichnet. Der winkelmässige Abstand a ist im wesentlichen gleich dem winkelmässigen Abstand ss. In Drehrichtung gesehen sind im dargestellten Beispiel die gestrichelt gezeichneten Polarme 1 la und 14a der denkbaren Polarme 11 und 14 ausgelassen. The angular distance between the individual polar arms 10a, 10b, or 12a, 12b, or 13a, 13b, or 15a, 15b within a pair of polar arms 10 to 15 is ss and the angular distance between the first polar arm 10a to 15a of a pair of polar arms 10 to 15 designated by the second polar arm 15b to 10b of the preceding polar arm pair. The angular distance a is substantially equal to the angular distance ss. Viewed in the direction of rotation, the polar arms 11a and 14a of the conceivable polar arms 11 and 14 are omitted in the example shown. Infolge der durch die ausgelassenen Polarme l la und 14a bewirkten Unsymmetrie des magnetischen Kreises sind die gestrichelt gezeichneten Raststellungen 16 des Läufers 4 gegenüber den ausgezogen gezeichneten und im wesentlichen mit den Mittelstellungen zwischen den beiden Polarmen der Polarmpaare 10 bis 15 übereinstimmenden Ständerhauptachsen 17 je um den Winkel (PA = 45"/p verschoben. Damit wird durch die einfache Art der Anordnung der Polarme 7 und 8 (Fig. 1), bzw. 10a bis 15b (Fig. 2) die Laufrichtung des Einphasenschrittmotors bestimmt. As a result of the asymmetry of the magnetic circuit caused by the omitted polar arms 11a and 14a, the broken-line locking positions 16 of the rotor 4 are offset by the angle between the main main axes 17 and the main axes 17, which are shown in solid lines and essentially correspond to the middle positions between the two polar arms of the pairs of polar arms 10 to 15 (PA = 45 "/ p shifted. The running direction of the single-phase stepping motor is thus determined by the simple type of arrangement of the polar arms 7 and 8 (FIG. 1) or 10a to 15b (FIG. 2). Dabei hat die Verwendung von erfindungsgemässen Polarmpaaren wo bis 15 gegenüber nur einfachen Polarmen den Vorteil, dass das Rastmoment MR (siehe Fig. 3) im wesentlichen durch die ausgelassenen Polarme erzeugt wird, weil ein einzelner Läuferpol, wenn er sich auf die **WARNUNG** Ende CLMS Feld konnte Anfang DESC uberlappen**. The use of pairs of polar arms according to the invention where up to 15 compared to only simple polar arms has the advantage that the cogging torque MR (see FIG. 3) is essentially generated by the omitted polar arms, because a single rotor pole, if it relates to the ** WARNING ** End of CLMS field could overlap beginning of DESC **.
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WO2007073671A1 (en) * 2005-12-24 2007-07-05 Tianlong Zhang Motor

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