Polarisierter Vielpolläufer für elektrische Motoren, insbesondere
Schrittmotoren mit großer Haltekraft Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
einen permanentmagnetischen Läufer für elektrische Maschinen, insbesondere für Schrittmotoren
mit großer Haltekraft.Polarized multi-pole rotor for electric motors, in particular
High Holding Force Stepper Motors The present invention relates to
a permanent magnet rotor for electrical machines, especially for stepper motors
with great holding power.
Es sind bereits Läufer, insbesondere für elektrische Kleinstmaschinen,
vorgeschlagen worden, bei denen die Tatsache ausgenutzt wird, daß die modernen zur
Verfügung stehenden harten Magnetstähle eine auf beschränkte Gebiete begrenzte Magnetisierung
ermöglichen. Dabei werden beispielsweise die Polflächen entweder auf den Stirnseiten
oder auf der Umfangsfläche des Läufers aufmagnetisiert. Die Aufmagnetisierung der
Polflächen erfolgt dabei so, daß die Mittelpunkte der Polflächen unterschiedlicher
Polarität auf verschiedenen Kreisen liegen. Dies führt jedoch zu verhältnismäßig
kleinen Polflächen, die der Ausbildung großer magnetischer Kraftschlüsse entgegenstehen.
Für manche Anwendungsfälle sind aber große magnetische Kraftschlüsse notwendig;
um das geforderte Drehmoment zu erreichen.There are already runners, especially for small electrical machines,
have been proposed, which exploit the fact that the modern to
The available hard magnetic steels have a magnetization that is limited to limited areas
enable. For example, the pole faces are either on the end faces
or magnetized on the circumferential surface of the rotor. The magnetization of the
Pole faces are done in such a way that the centers of the pole faces are different
Polarity are on different circles. However, this leads to proportionate
small pole faces that oppose the formation of large magnetic frictional connections.
For some applications, however, large magnetic frictional connections are necessary;
to achieve the required torque.
Bei Schrittmotoren insbesondere tritt die Forderung nach einer großen
Haltekraft auf, eine Forderung, die die bisher bekannten Schrittmotoren nicht in
ausreichendem Maße erfüllen. Diese besitzen meist einen weichmagnetischen Anker,
der sich, seiner Form entsprechend, mit stets gleichem Drehsinn in eine beim Umschalten
entstehende neue Magnetfeldrichtung hineindreht. In anderen bekannten Schrittmotoren
benutzt man Läufer mit Permanentmagneten. Diese sind zylindrisch ausgeführt und
axial magnetisiert. Die eigentlichen Läuferpole werden dabei durch entsprechend
ausgebildete, auf den Zylinderstirnflächen sitzende Weicheisenbleche gebildet. Man
erreicht mit solchen Magnetankern zwar ziemlich hohe Drehmomente. Von Nachteil ist
bei beiden Schrittmotorarten jedoch in vielen Anwendungsfällen die beim ersten Typ
ganz fehlende und beim zweiten Typ nur in geringem Maße vorhandene Haltekraft in
stromlosem Zustand. Arbeitet der Motor etwa gegen eine stetig wirkende Federkraft,
so dreht sich der Motor schon während des kurzen stromlosen Zustandes beim Umschalten
zurück.In the case of stepper motors in particular, there is a requirement for a large one
Holding force, a requirement that the previously known stepper motors are not in
to a sufficient degree. These usually have a soft magnetic armature,
which, according to its shape, always turns in the same direction when switching
the resulting new magnetic field direction. In other known stepper motors
one uses runners with permanent magnets. These are cylindrical and
axially magnetized. The actual rotor poles are thereby accordingly
formed soft iron sheets seated on the cylinder end faces. Man
achieves quite high torques with such magnet armatures. Is disadvantageous
with both types of stepper motors, however, in many applications the first type
completely missing and with the second type only slightly existing holding force in
de-energized state. If the motor works against a continuously acting spring force,
so the motor already rotates during the brief de-energized state when switching over
return.
Diese Forderungen lassen sich mit einem polarisierten Vielpolläufer
für elektrische Motoren, insbesondere Schrittmotoren mit großer Haltekraft, mit
einem Ring oder einer Scheibe aus magnetisch hartem Werkstoff, der nur im Bereich
der wirksamen Polflächen auf seinem Umfang magnetisiert ist, nach der Erfindung
dadurch erfüllen, daß Teilflächen jedes Pols oder eines Teiles der Pole, deren resultierende
magnetische Schwerpunkte bestimmten Ständerpolen gegenüberstehen, in die Wirkungsbereiche
benachbarter Ständerpole hineinreichen.These demands can be met with a polarized multi-pole rotor
for electric motors, especially stepper motors with high holding power, with
a ring or disk made of magnetically hard material that is only in the area
the effective pole faces is magnetized on its periphery, according to the invention
meet in that partial areas of each pole or a part of the poles, their resulting
magnetic centers of gravity face certain stator poles, in the effective areas
reach into neighboring stator poles.
Es sind Polanordnungen für Kleinstgeneratoren bekanntgeworden, deren
Polräder aus mehreren gleichartigen Scheiben zusammengesetzt sind, wobei die Magnetisierung
der einzelnen Scheiben gegeneinander versetzt ist. Hierdurch wird gleichfalls eine
Polform erzielt, bei welcher der magnetische Schwerpunkt von der Polspitze so weit
entfernt ist, daß letztere in den Bereich des benachbarten Ständerpols hineinreicht.
Diese Polform wird aber nicht wie beim Motor gemäß vorliegender Erfindung zur Verbesserung
der Drehmomentenverhältnisse benutzt, sondern zu einem völlig anderen, dem Generatorbetrieb
mit stark wechselnder Drehzahl, z. B. Fahrrad-Lichtmaschinen angepaßten Zweck, nämlich
Konstanthaltung der erzeugten Generatorleistung unabhängig von der Drehzahl.There are pole arrangements for miniature generators known whose
Pole wheels are composed of several disks of the same type, with the magnetization
of the individual discs is offset from one another. This also becomes a
Pole shape achieved in which the magnetic center of gravity from the pole tip so far
is removed so that the latter extends into the area of the adjacent stator pole.
However, this pole shape is not used for improvement as in the motor according to the present invention
the torque ratios used, but to a completely different one, the generator operation
with strongly changing speed, e.g. B. bicycle alternators adapted purpose, namely
Keeping the generated generator power constant regardless of the speed.
Die Wirkungsweise eines Motorläufers nach der Erfindung sei an Hand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, das einen
Ausschnitt 1 aus der Abwicklung der Läuferumfangsfläche über einem Ausschnitt 2
der Abwicklung der Ständerumfangsfläche zeigt. Im stromlosen Zustand des Ständers
stellen sich die durch Punkte 3 angedeuteten magnetischen Schwerpunkte der Läuferpole
4 den Ständerpolen 5 derart gegenüber, daß sich die magnetischen Kreise der Läufermagnete
über möglichst kleine Luftspalte über die Ständerpole und das in der Abwicklung
nicht dargestellte Außenjoch schließen. Wird der Ständerstrom eingeschaltet, so
wird, j e nach der Polung, die Lage des Läufers entweder annähernd beibehalten oder
um eine Polteilung verändert. Steht nämlich beim Stromschluß zufällig ein Nordpol
des Läufers einem Südpol des Ständers gegenüber, dann ziehen sich beide Pole an.
Die Spitze 6 des betrachteten Läuferpols befindet sich nun
aber
im Wirkungsbereich des benachbarten anderspoligen Ständerpols. Sie wird von diesem
Pol abgestoßen, wodurch ein kleines, nicht ins Gewicht fallendes Rückdrehmoment
auftritt. Wenn sich nun aber zwei gleichnamige Pole gegenüberstehen, so schwächen
sie sich gegenseitig, und die wirksame Abstoßung wird kleiner als die entsprechende
Anziehungskraft bei entgegengesetzter Polung. Der Läufer würde sich also nur mit
einem verminderten Moment drehen. Der Läuferspitzenpol steht nun aber einem entgegengesetzt
polarisierten Ständerpol gegenüber. Er wird daher mit großer Kraft weiter in den
Ständerpolwirkungsbereich hineingezogen, zumal sich dabei die wirksame Polfläche
der Spitzenform entsprechend laufend vergrößert. Dadurch wird zum einen die Anlaufrichtung
festgelegt und zum anderen die Verminderung des Drehmomentes durch das Gegenüberstehen
gleichnamiger Pole ausgeglichen.The mode of operation of a motor rotor according to the invention is illustrated
an embodiment shown in the drawing explained in more detail, the one
Section 1 from the development of the rotor circumferential surface over a section 2
shows the development of the stand circumferential surface. When the stator is de-energized
the magnetic centers of gravity of the rotor poles, indicated by point 3, arise
4 opposite the stator poles 5 in such a way that the magnetic circuits of the rotor magnets
using the smallest possible air gaps over the stator poles and that in the development
Close outer yoke, not shown. If the stator current is switched on, so
depending on the polarity, the position of the rotor is either approximately retained or
changed by one pole pitch. Namely, when there is a power failure, there happens to be a north pole
of the rotor opposite a south pole of the stator, then both poles attract.
The tip 6 of the rotor pole under consideration is now located
but
in the effective area of the neighboring stator pole with the opposite polarity. You will benefit from this
Pole repelled, creating a small, negligible reverse torque
occurs. But if two poles of the same name are facing each other, then weaken
they mutually, and the effective repulsion becomes smaller than the corresponding
Attraction with opposite polarity. So the runner would only be with
turn at a diminished moment. The rotor tip pole is now opposite to one
polarized stator pole opposite. He will therefore continue with great force in the
Stator pole effective area pulled into it, especially since the effective pole face
continuously enlarged according to the shape of the tip. On the one hand, this determines the approach direction
and on the other hand the reduction of the torque by standing opposite
Pole of the same name balanced.
Nach diesem Prinzip kann auch der selbständige Anlauf in einer Richtung
bei Synchronmotoren mit permanentmagnetischem Läufer erzwungen werden. Insbesondere
hat man durch eine entsprechende Formgebung der Läuferpole die Größe des Ruhedrehmomentes
in stromlosem Zustand weitgehend in der Hand.According to this principle, an independent approach in one direction can also be used
for synchronous motors with permanent magnet rotor. In particular
you have the size of the idle torque by appropriately shaping the rotor poles
largely in hand when de-energized.
Soweit dabei aus besonderen Gründen die beschriebene Formgebung der
Läuferpolflächen nicht möglich ist, lassen sich die Schwierigkeiten, die die Sicherstellung
einer stets gleichen Anlaufrichtung des Motors mit sich bringt, auf einfachste Weise
dadurch überwinden, daß zusätzliche Polflächen dem Läufer aufmagnetisiert werden,
die unsymmetrisch zu den übrigen Polflächen angeordnet sind. Durch diese unsymmetrischen
Polflächen wird erreicht, daß die Läuferpolflächen aus ihrer symmetrischen Lage
gegenüber den Ständerpolflächen etwas verschoben werden. Der Läufer nimmt dann eine
gegenüber dem Ständerpol einseitig verschobene Lage ein, die bewirkt, daß der Läufer
eine bevorzugte Anlaufrichtung besitzt. Statt von den übrigen Polflächen getrennte
Polflächen dem Läufer aufzumagnetisieren,kann man auch einzelne Polflächen einseitig
etwas verbreitert dem Läufer äufmagnetisieren. Auch dadurch kann man eine Verschiebung
des Läufers gegenüber dem Ständer im Ruhezustand erreichen, die eine stets gleiche
Anlaufrichtung sicherstellt.As far as the described shape of the
Rotor pole surfaces is not possible, the difficulties that are securing
always brings the same starting direction of the motor with it, in the simplest way
overcome by the fact that additional pole faces are magnetized to the rotor,
which are arranged asymmetrically to the other pole faces. Because of this unbalanced
Pole faces are achieved that the rotor pole faces out of their symmetrical position
be shifted slightly compared to the stator pole faces. The runner then takes one
opposite to the stator pole a unilaterally shifted position, which causes the rotor
has a preferred approach direction. Instead of being separated from the rest of the pole faces
To magnetize the rotor's pole faces, individual pole faces can also be one-sided
magnetize the rotor slightly wider. This can also cause a shift
of the runner with respect to the stand in the resting state always achieve the same
Ensures approach direction.