DE1121191B - Elektromagnetischer Schrittantrieb - Google Patents

Description

Es sind elektromagnetische Schrittantriebe bekannt, bei denen die schrittweise erfolgende Drehbewegung eines Magnetkreisteiles durch die Überlagerung eines von einer mit Stromimpulsen wechselnder Stromrichtung gespeisten Erregerspule herrührenden Magnetfeldes mit dem Magnetfeld eines oder mehrerer Dauermagnete zustande kommt. Dabei können die Dauermagnete entweder einen Teil des Ständers oder aber den Läufer des Antriebs bilden. Schrittantriebe dieser Art können z. B. für den Antrieb von Nebenuhrwerken oder von Wählern in Fernmeldeanlagen verwendet werden.

Bei einem bekannten Schrittantrieb ist der aus weichem Eisen bestehende Läufer als sogenannter Z-Anker ausgebildet, der am Umfang mit in Richtung der Drehbewegung vorspringenden Polschuhen versehen ist. Das magnetische Gleichfeld wird dabei durch mehrere parallel zur Drehachse um die Erregerspule herum angeordnete Magnetstäbe erzeugt.

Bei einer solchen Anordnung ergeben sich sowohl in axialer als auch in radialer Richtung verhältnismäßig große Abmessungen allein schon deshalb, weil zwischen den einzelnen Magnetstäben ein so großer Abstand eingehalten werden muß, daß sie sich angesichts ihrer unterschiedlichen Magnetisierungsrichtung nicht gegenseitig magnetisch kurzschließen können. Das fällt insbesondere dann ins Gewicht, wenn die Zahl der Pole und damit der Magnetstäbe zur Erzielung eines kleinen Fortschaltwinkels groß gemacht werden muß.

Derselbe Nachteil haftet einem anderen bekannten elektromagnetischen Schrittantrieb an, der ganz ähnlich aufgebaut ist, nur daß bei ihm nicht die Ständerpole, sondern der Z-förmige Läufer, genauer gesagt, eine zwischen zwei Z-förmigen Läuferteilen angeordnete, in Achsenrichtung magnetisierte Dauermagnetscheibe das magnetische Gleichfeld erzeugt.

Es ist weiterhin ein elektromagnetischer Schrittantrieb bekannt, bei dem die Erregerspule von einem an ihrer Innenseite kammartig ausgebildeten Eisenmantel umgeben ist. Die Zähne des Eisenmantels greifen so ineinander, daß eine Bohrung entsteht, an deren Umfang mit abwechselnder Polarität magnetisierte Zähne aufeinanderfolgen. Darin bewegt sich ein ringförmiger Läufer aus hochkoerzitivem Dauermagnetwerkstoff, dem auf seiner zylindrischen äußeren Mantelfläche Magnetpole so aufgeprägt sind, daß in Umfangsrichtung Nord- und Südpole einander abwechseln. Eine ausreichende Größe des von jedem dieser Pole ausgehenden Magnetflusses kann hier durch eine entsprechende axiale Höhe des Läuferringes erreicht werden; außerdem muß aber der Elektromagnetischer Schrittantrieb

Anmelder:
Landis & Gyr A. G., Zug (Schweiz)

Vertreter: Dr.-Ing. A. Schulze, Patentanwalt,
Berlin-Wilmersdorf, Jenaer Str. 13/14

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 10. Dezember 1957 (Nr. G 53 634)

Hans Jäger, Zug (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

Läuferring mit Rücksicht auf die magnetische Induktion auch eine ausreichende radiale Dicke besitzen. Er erhält dadurch eine ziemlich große Masse, die noch dazu im wesentlichen auf dem äußeren Läuferumfang konzentriert ist, so daß der Läufer ein unerwünscht hohes Trägheitsmoment aufweist.

Schließlich sind auch Schrittantriebe bekannt, bei denen ein zylindrischer Läufer aus hochkoerzitivem Magnetwerkstoff derart magnetisiert ist, daß er an beiden Stirnseiten aufgeprägte Pole abwechselnder Polarität aufweist, die je durch eine nichtmagnetische Zone voneinander getrennt sind. Jedem Polpaar des Läufers ist ein feststehendes Polschuhpaar zugeordnet, das an die betreffende Seite des Läufers herangeführt ist. Auf beiden Seiten des Läufers ist koaxial zur Läuferachse eine Erregerspule zur Magnetisierung der Polschuhe vorgesehen. Zwecks Erreichung einer eindeutigen Drehrichtung weisen die dem Läufer aufgeprägten Pole Ausbuchtungen auf, welche sich den in der gewählten Drehrichtung folgenden Polen nähern.

Diese Schrittantriebe haben den Nachteil, daß der Läufer, bevor die Pole ihm aufmagnetisiert werden können, erst entmagnetisiert werden muß, damit nach Erzeugung der Pole diese durch nichtmagnetisierte Zonen voneinander getrennt sind. Außerdem werden bei dieser Form der Magnetisierung die Läuferstirnflächen nur zum Teil zur Drehmomentbildung benutzt. Ein weiterer Nachteil dieser Schrittantriebe ist der verhältnismäßig große magnetische Widerstand des magnetischen Kreises, weil die magnetischen Kraftlinien den wenig permeablen Dauermagnetläufer und den zwischen ihm und den PoI-

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schuhen vorhandenen Luftspalt mehrere Male durch- sind. Die Grenzlinie zwischen je zwei benachbarten

dringen müssen, so daß der Wirkungsgrad solcher Polen ist durch eine gestrichelte Linie 16 angedeutet.

Schrittantriebe nur klein ist. Wie weiter aus der Fig. 2 ersichtlich ist, sind alle

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektro- diese Grenzlinien 16 Berührungslinien eines koaxial

magnetischen Schrittantrieb mit einer durch Strom- 5 zu der Läuferachse 4 gedachten Kreises 17. Der

impulse abwechselnder Stromrichtung gespeisten Er- Dauermagnet 15 weist dieselbe Polanordnung auf wie

regerspule und mindestens einem gleichachsig zu der Dauermagnet 13, ist aber gegenüber diesem um

dieser angeordneten, scheibenförmigen, mit auf- einen kleinen Winkel versetzt, so daß die Polgrenz-

geprägten Polen versehenen Dauermagnet aus hoch- linien 16 der beiden Dauermagnete nicht parallel

koerzitivem Magnetwerkstoff, dessen reversible Perme- io laufen.

abilität mindestens nahezu 1 beträgt. Sie vermeidet Durch diese Winkelverdrehung der beiden Dauerdie vorher geschilderten Nachteile dadurch, daß die magneten 13 und 15 gegeneinander, deren Größe ebenen Stirnflächen jedes Dauermagnets über ihre empirisch bestimmt werden muß, wird es möglich, ganze Fläche Pole abwechselnder Polarität aufweisen, Unregelmäßigkeiten des Drehmomentes, die durch welche Pole an Berührungslinien eines gedachten 15 nicht homogene Magnetisierung der Pole hervor-Kreises um die Achse des Schrittantriebes aneinander- gerufen werden können, auszugleichen. Außerdem grenzen, und daß ein axial neben dem bzw. den kann dadurch die Weiterbewegung des Läufers in der Dauermagneten angeordneter und dagegen verdreh- gewünschten Richtung beim Ausschalten des Erregerbarer, vorzugsweise den Läufer bildender Eisen- stromes unterstützt werden.

körper vorgesehen ist, dessen Zähne senkrecht zur 20 Des weiteren geht aus Fig. 2 hervor, daß, auf den Drehachse trapezförmig ausgebildet sind und den gleichen Radius bezogen, der in Umfangsrichtung geMagnetpolen unmittelbar gegenüberstehen. messene Mittenabstand zweier benachbarter Zähne 2

Durch die Erfindung wird gegenüber den bekannten des Läufers 1 doppelt so groß ist wie der Abstand

Schrittantrieben zunächst der Vorteil erzielt, daß bei zwischen den Mittellinien benachbarter Pole auf der

gleichem Schrittwinkel und gleichem Drehmoment 25 dem. Läufer 1 zugekehrten Seite des Dauermagnets

sowohl der Durchmesser als auch vor allem die axiale 13. Die trapezförmigen Läuferzähne 2 sind dabei am

Höhe des Schrittantriebes wesentlich kleiner ausfällt. äußeren Umfang wesentlich schmaler als der Bogen,

Das ist unter anderem darauf zurückzuführen, daß den ein Pol des Dauermagnets 13 dort überdeckt,

durch die großen Übertrittsquerschnitte für den ma- Zur Erzielung der beschriebenen Magnetisierung

gnetischen Fluß durch die Luftspalte und infolge der 30 der Dauermagnete 13, 15 werden diese zuerst derart

kurzen Wege der Kraftlinien in dem scheibenförmigen axial magnetisiert, daß die eine Stirnfläche derselben

Läufer und dem ebenfalls scheibenförmigen Dauer- beispielsweise einen Nordpol und die andere einen

magnet der magnetische Widerstand sehr klein ist. Südpol erhält. Eine vorausgehende Entmagnetisierung,

Wesentuch ist aber auch das außerordentlich niedrige wie sie bei dem eingangs beschriebenen, bekannten

Trägheitsmoment des drehbaren Teils, das sich bei 35 Schrittantrieb erforderlich ist, erübrigt sich also hier,

dem erfindungsgemäßen Schrittantrieb ergibt. Anschließend werden durch sektorweise Ummagneti-

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in der sierung die einzelnen, einander mit wechselnder

Zeichnung dargestellt. Es zeigt Polarität folgenden Pole erzeugt. Eine Schwächung

Fig. 1 einen Schrittantrieb im Schnitt und der benachbarten Pole durch den bei der Magneti-

Fig. 2 eine Ansicht von unten gemäß der Schnitt- 40 sierung auftretenden Streufluß tritt praktisch nicht

linie A -A der Fig. 1. auf, da erfahrungsgemäß nur äußerst schmale

In Fig. 1 bedeutet 1 einen aus Weicheisen her- Streifen längs der Polgrenzlinien 16 entmagnetisiert gestellten Läufer, der mit radial verlaufenden, trapez- werden. Dies dürfte darauf zurückzuführen sein, daß förmigen Zähnen 2 (s. Fig. 2) versehen ist. Der der Streufluß nur in unmittelbarer Nähe der Polgrenz-Läufer 1 ist an einer länglichen Buchse 3 aus magneti- 45 linien genügend intensiv ist, um das hochkoerzitive sierbarem Material befestigt, die mit einer Achse 4 Magnetmaterial ummagnetisieren zu können,
fest verbunden ist, welch letztere in Lager 5 und 6 Der von dem Dauermagnet 13 und der Erregeraus nicht magnetisierbarem Werkstoff drehbar ge- spule 12 herrührende Magnetfluß durchläuft bei der lagert ist. Das Lager 5 ist in einem Lagerträger 7 an- beschriebenen Ausführungsform folgenden Weg: geordnet, der mit einem Gehäusedeckel 8 fest ver- 50 Lagerhülse 9, Buchse 3, Läuferzähne 2, Dauermagnet bunden ist, während das Lager 6 in einer Lagerhülse 9 13, Gehäusedeckel 8, 10 und zurück zur Lagerhülse 9. aus magnetisierbarem Werkstoff untergebracht ist, Die Wirkungsweise ist folgende: Im unerregten Zudie ihrerseits mit einer ebenfalls aus magnetisierbarem stand steht der Läufer 1 in der in der Fig. 2 geWerkstoff hergestellten Scheibe 14 und einem Ge- zeichneten Stellung. Wird der Erregerspule 12 ein häusedeckel 10 fest verbunden ist. Die beiden Ge- 55 Fortschaltimpuls zugeführt, beispielsweise von solcher häusedeckel 8 und 10 sind aus magnetisierbarem Polarität, daß die Läuferzähne 2 Südpole werden, so Werkstoff hergestellt und schirmen den Schrittantrieb wird der Läufer 1 durch die Südpole 5 des Dauermagnetisch ab. Innerhalb der Gehäusedeckel 8 und magnets 13 abgestoßen und durch die Nordpole N 10 befindet sich weiter eine zylindrische Erregerspule angezogen. Infolge der gewählten Form der Läufer-12 sowie zwei an beiden Seiten des Läufers 1 60 zähne 2 und der Pole des Dauermagnets 13 überscheibenförmige und mit aufmagnetisierten Polen ver- wiegt die im Gegenuhrzeigersinn gerichtete Kraft, so sehene, fest angeordnete Dauermagnete 13 und 15. daß der Läufer 1 in diesem Drehsinn um einen Letztere sind aus einem hochkoerzitiven Magnetwerk- Schritt weitergeschaltet wird und eine Lage einstoff mit einer Koerzitivkraft von etwa 1500 Oersted nimmt, die in der Fig. 2 durch den strichpunktierten und einer reversiblen Permeabilität von angenähert 1 65 Läuferzahn 21 angedeutet ist. Während der daraufhergestellt. Die auf den Dauermagneten 13 auf- folgenden Stromlosigkeit der Erregerspule 12 wird magnetisierten Pole sind in der Fig. 2 dargestellt, in der Läufer 1 unter dem Enfluß des Dauermagnets 15 der die Nord- und Südpole mit N bzw. 5 bezeichnet in die durch den strichpunktierten Läuferzahn 22 dar-

gestellte Lage weiterbewegt. Wenn die Erregerspule 12 jetzt einen Fortschaltimpuls entgegengesetzter Polarität erhält, wiederholt sich der beschriebene Vorgang mit gleichbleibendem Drehsinn. Innerhalb der Impulswiederholungszeit führt der Läufer 1 somit zwei Teilschritte aus, von denen der eine durch den Fortschaltimpuls und der andere durch den Dauermagnet 15 bewerkstelligt wird. Letzterer bewirkt, daß die schrittweise Drehbewegung des Läufers mit einem größeren Drehmoment erfolgt, als dies ohne Dauermagnet 15 der Fall wäre. Überdies ist durch die beschriebene Ausführung des Läufers mit nach außen schmal zulaufenden Zähnen das Trägheitsmoment des Läufers verhältnismäßig klein. Dieser Umstand wirkt sich auf die Ansprechempfindlichkeit des Schrittantriebes günstig aus und ermöglicht ein verhältnismäßig rasches Stillsetzen des Läufers nach Ablauf eines Schrittes.

Obwohl im Ausführungsbeispiel ein Schrittantrieb mit zwei Dauermagneten beschrieben worden ist, kann derselbe auch nur mit dem Dauermagnet 13 ausgeführt werden. In diesem Fall erfolgt die Schrittbewegung des Läufers t in einem Zuge, d. h. ohne den durch den Dauermagnet 15 bedingten Teilschritt.

Weiter ist die Erfindung nicht auf einen Schrittantrieb beschränkt, bei dem der Dauermagnet bzw. die Dauermagnete fest angeordnet sind. Es ist vielmehr möglich, an Stelle des beschriebenen Läufers 1 einen Dauermagnet zu verwenden, welcher in der in der Fig. 2 für den Dauermagnet 13 dargestellten Weise magnetisiert ist. Vorteilhafterweise wird der Dauermagnet in diesem Fall zwischen zwei Ständerteilen angeordnet, die mit axial vorspringenden, senkrecht zu der Drehachse je einen trapezförmigen Querschnitt aufweisenden Zähnen versehen sind. Durch diese Anordnung ergibt sich der Vorteil, daß beide Seiten des Dauermagnets ausgenutzt werden. Ständer und Läufer können bei dieser Ausführung innerhalb des hohlzylindrischen Raumes der Erregerspule angeordnet werden.

gleichachsig zu dieser angeordneten, scheibenförmigen, mit aufgeprägten Polen versehenen Dauermagnet aus hochkoerzitivem Magnetwerkstoff, dessen reversible Permeabilität mindestens nahezu 1 beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Stirnflächen jedes Dauermagnets (13, 15) über ihre ganze Fläche Pole abwechselnder Polarität aufweisen, welche Pole an Berührungslinien (16) eines gedachten Kreises (17) um die Achse (4) des Schrittantriebes aneinandergrenzen, und daß ein axial neben dem bzw. den Dauermagneten (13, 15) angeordneter und dagegen verdrehbarer, vorzugsweise den Läufer (1) bildender Eisenkörper vorgesehen ist, dessen Zähne (2) senkrecht zur Drehachse (4) trapezförmig ausgebildet sind und den Magnetpolen unmittelbar gegenüberstehen.

2. Elektromagnetischer Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein vom Magnetfluß der Erregerspule (12) durchflossener, fest angeordneter Dauermagnet (13) vorgesehen ist.

3. Elektromagnetischer Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei fest angeordnete Dauermagnete (13 und 15) vorgesehen sind, deren einer (13) vom Magnetfluß der Erregerspule (12) durchflossen ist.

4. Elektromagnetischer Schrittantrieb nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole beider Dauermagnete (13 und 15) gegeneinander versetzt sind.

5. Elektromagnetischer Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer einen Dauermagnet trägt, welcher zwischen zwei zum Ständer gehörenden Eisenkörpern angeordnet ist, die mit Zähnen von senkrecht zur Drehachse trapezförmigem Querschnitt versehen sind.

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Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektromagnetischer Schrittantrieb mit einer durch Stromimpulse abwechselnder Stromrichtung gespeisten Erregerspule und mindestens einem In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 206 099, 868 022.
170;

britische Patentschrift Nr. 604 840;
deutsche Patentanmeldung T 9135 VIII d> 83 b (bekanntgemacht am 15. 11. 1956).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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