DE2048901B2

DE2048901B2 - Elektrischer Schrittmotor, insbesondere für ein Uhrwerk

Info

Publication number: DE2048901B2
Application number: DE2048901A
Authority: DE
Inventors: Georges La Chaux-De-Fonds Neuenburg Vuffray (Schweiz)
Original assignee: Girard-Perregaux Sa La Chauxde-Fonds Neuenburg (schweiz)
Current assignee: Girard-Perregaux Sa La Chauxde-Fonds Neuenburg (schweiz)
Priority date: 1969-10-13
Filing date: 1970-10-05
Publication date: 1974-08-29
Also published as: DE2048901A1; FR2064298A1; DE2048901C3; JPS5449512A; US3747320A; US3652884A; FR2064298B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schrittmotor, insbesondere für ein Uhrwerk, mit einem pcrmanent-magnetisierten Rotor, einer Statorwicklung ohne Kern mit flachen Windungen und mit einer parallel zu den Windungen angeordneten, die Achse des Rotors enthaltenden Symmetricebene, einem Wicklungsträger aus nicht-magnetischem Ma- terial, einem ringförmigen, den Träger umgebenden kreiszylindrischen Mantel aus einem ferromagnetischen Material und einem Mittel zur Festlegung der Rotorstellung bei nicht-erregter Wicklung.

Ein derartiger elektrischer Schrittmotor ist aus der deutschen Auslegeschrift 1082 555 bekannt Das Mittel zur Festlegung der Rotorstellung bei nichterregter Wicklung ist ein Weicheisenwinkel, der derart angeordnet ist, daß sich der Rotor in Ruhestellung außerhalb der magnetischen Achse der Wick- lung befindet. Der Weicheisenwinkel stellt ein zusätzliches Konstruktionselement dar, welches den Platzverbrauch vergrößert und in irgendeiner Weise eingesetzt werden muß, was die Fabrikation umständlicher gestaltet und verteuert. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß sich Fehler in der Lage derartiger zusätzlicher Konstruktionselemente einschleichen, die Änderungen der Eigenschaften des Motors zwischen verschiedenen Stücken einer Serie mit sich bringen. Es kann also nicht ausgeschlossen werden, daß sich die Funktion derartiger Motoren von einem Stück zum anderen einer Serie ändert.

Bei einem anderen bekannten Schrittschaltmotor (französische Patentschrift 972469) wird die Ruhe stellung durch in den Mantel des Motors einge schraubte Schrauben oder durch einen äußeren Ma gneten festgelegt. Hierbei gelten jedoch die ange führten Nachteile gleichermaßen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Schrittmotor dahin zu verbessern, daß π in einer sicheren, einfachr-n und leichten Art hergestellt und die Zusammensetzung der KonEtruktionseiemente rationell und schnell erfolgen kann in.,! schließlich die gewünschten Daten in bezug au; Stromverbrauch, Drehmoment usw. ohne Einsu-i arbeiten erzielt, werden können. Insbesondere soll ei:- Zeitverlust nach der Montage für Retuschen, Kor rekluren oder Justierungen vermieden werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe durch die I■·■ findung besteht bei einem elektrischen Schrittmu; der eingangs geschilderten Art darin, daß erfindurm gemäß das Mittel zur Festlegung der Rotorstelhm: bei nicht-erregter Wicklung der Mantel selbst ist. u..: aus einem Material mit hoher Permeabilität und geringer Remanenz besieht und daß der Mantel durch seine Anordnung und durch zwei diametral gegenüber angeordnete, auf der Höhe des Rotors liegem,*. öffnungen eine Symmetrie-Achse bestimmt, die m einer senkrecht zur Achse des Rotors sich erstrek kenden Ebene liegt und schräg zur magnetischen Achse der Statorwicklung gerichtet ist. Der erfindungsgemäße Mantel hat die Funktion, den magnetischen Stromkreis des Motors zu schließen und ihn gegen äußere Felder abzuschirmen, denen er ausgesetzt sein könnte. Der Schrittmotor nach der Erfindung hat eine Reihe von Vorteilen. Es entfallen zusätzliche Konstruktionselemente zur Festlegung der Rotorstellung bei nicht-erregter Wicklung, so daß der Platzverbrauch verringert und sowohl die Fabrikation als auch die Montage vereinfacht ist. Hs entfällt die Notwendigkeit, für die beabsichtigten Anwendungen die Dämpfung der Rotorschwingungen bei jedem Schritt mit platzraubenden Mitteln zu sichern. Die Ersetzung des bekannten Mantels durch einen solchen von schwacher Remanenz und hoher Permeabilität erlaubt es, die Leistung des Motors zu verbessern und damit den Stromverbrauch zu verringern.

Der erfindungsgemäße Motor kann dazu dienen, die Anzeigeorgane einer kleinen Pendeluhr zu bewegen, Der Motor stellt einen Block von im allgemeinen zylindrischer Gestalt dar, der in vollständig unabhängiger Art und Weise von den anderen Elementen des Uhrwerks hergestellt werden kann und dazu bestimmt ist, an einer geeigneten Stelle im Aufbau dieses Uhrwerkes befestigt zu werden. Bei dieser Bauweise sind die Lager des Rotors fest mit zwei Trägerelementen kreisförmiger Gestalt verbunden, die koaxial aneinander befestigt und das eine im Verhältnis zum anderen mit Hilfe eines zylindrischen Teiles aus ferromagnetischem Material justiert sind.

Per Motur nach der Erfindung ist andererseits auch geeignet, im Inneren des Uhrwerkes eirnr elek ironischen Armbanduhr untergebracht zu werden, beispielsweise einer Armbanduhr mit Quarzkristall. pur diesen Anwendungszweck müssen nicht nur die Abmessungen des Motors auf ein Mindestmaß verringert werden, sondern muß auch jeglicher mechanischer Verlust vermieden werden. Denn die Kraftque >Ie besteht aus einer oder einer kleinen Anzahl von Miniaturbatterien. Es ist deshalb wichtig, den Stromverbrauch zu verringern, um ihre Langlebigkeit sicherzustellen. Mit anderen Worten muß der Motor einen maximalen Wirkungsgrad haben.

Weitete Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung mehrerer in den schemalischen Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele.

Fig. 1 ist eine axiale Schnittansicht der ersten Ausführungsform nach einer Ebene, die senkrecht tür rnncmetischen Achse W der Statorwiekhm·! liert. so Fig. - ist eine Draufsicht von oben. Fi 2 3 i^{st e}'^ne axiale Schnittansicht nach eine! Ebene" die die magnetische Achse W der Siaiorwcklung enthält,

Fi u. 4 ist eine auseinandergezogene Darstellung der drei Teile, die den Körper des Motors daistelkn Der Rotor 1 des Motors der Fig. 1 ist ein zylindrischer, radial magnetisierter Körper aus ferromagneiischem Material mit starker Remanenz und ist auf einer Welle 2 montiert, die an ihrem unteren Ende in Fig. 1 einen Drehzapfen 3 aufweist. Dieser greift in ein Lager 4 ein, das durch einen Uhrwerk.-stein dargestellt wird. Am oberen Ende der Welle ist ein verlängerter Drehzapfen 5 vorgesehen, der in einem zweiten Lager6 gelagert ist. das wie das Lager 4 ausgebildet ist. Der verlängerte Drehzapfen 5 erstreckt sich bis zur Außenseite des Motors, wo er ein Ritzel oder ein beliebiges arideres Mitnehmerorgan aufnehmen soll.

Die Lager 4 und 6 sind fest mit dem Körper des Motors verbunden, der selbst aus drei Teilen besteht. einem Unterteil 7, einem Oberteil 8 und einem Mantel 9. Der Unterteil 7 und der Oberteil 8 bestehen aus einem nicht-magnetischen Material. Sie können aus Kunststoff hergestellt sein und mit den Lagern durch Spritzgießen in einem Stück geformt werden. wobei die Lager 4 und 6 wegfallen können, oder auch aus einem nicht-magnetischen Metall. In diesem letzteren Falle können sie durch Drehen hergestellt sein. Der Unterteil 7 hat eine im wesentlichen zylindrische Form, die in seiner oberen Stirnfläche eine zylindrische Vertiefung 10 aufweist, deren Boden eine Mittelöffnung 11 aufweist. Unten und seitlich sind an dem Unterteil Nuten 12 und 12« (Fig. 4) angeordnet, die parallel und symmetrisch zu einer Diametralebene liegen. Zwischen diesen Nuten sind zwei diametral entgegengesetzte Rippen 13 und 13 a angeordnet. Außerdem weist der restliche Teil de: äußeren Seitenfläche Schultern 14 und 14« und zylindrische Ansätze 15 und 15 α auf. Der Oberteil 8 hat einen gleichartigen Aufbau, mit der Ausnahme, daß an Stelle der Schultern 14, 14 a und der seitlichen Ansätze 15 und 15 α diametral entgegengesetzte, herausragende halbzylinderförniige Teile und 16 a vorhanden sind, die innere, gebogene Flachen 17 haben, die cen Ansätzen 15 und 15 a des Unterteils so angepaßt sind, daß das Einfügen des Oherteils 8 auf den Unterteil 7 in einer koaxialen Stellung zu diesem letzteren möglich wird. Im unteren Bereich des Oberteils 8 ist eine zentrisch gelegene, zylindrische Vertiefung21 (Fig. 3) angeordnet, die mit der Vertiefung 10 im oberen Bereich des Unterteils eine zylindrische Kammer bildet, die den Rt.tor 1 aufnimmt, während die Mittelöffnung 11 des Unterteils 7 und die entsprechende Mittelöffnung 22 des Oberteils 8 jeweils ein Lager 4, 6 aufnimmt. Nach dem Zusammenbau der Ober- und Unterteile 7 und 8 bilden die Nuten 12 und 12 α des Unterteils mit den entsprechenden Nuten 18 und 18 ο des Oberteil« 8 durchlaufende ringförmige Kanäle zur Aufnahme der Statorwicklung 23, 24. Die Windungen der Statorwicklung liegen in parallelen Ebenen, die senkrecht zur magnetischen Achse W der Statorwicklung stehen. Teile der Wicklung sind symmetrisch zu einer Symmetrieebene angeordnet, die sich parallel zur Wiindungsebene und in Richtung der Rippen 13, 13 a des Unterteils 7 und der entsprechenden Rippen 19, 19 a des Oberteils 8 erstreckt.

In F i o. 2 ist gezeigt, daß die inneren Enden d<*r Rippen 19 und 19 ω nach de^ Linien 25 und 26 schräg geschnitten sind. Diese Anordnung schatft zwischen den beiden Nuten des Körpers des Motors einen Durchgang für den Wicklungsdrah: bei dem aufeinanderfolgenden Wickeln der beiden Teile der Stator.vicklung 23, 24.

Der Mantel 9 besteht aus einem ferromaanetischen Materia! mit geringer Remanenz und mit starker Permeabilität. Er kann aus Armco-Eisen bestehen und d'irch Drehen, Gießen. Walzen oder durch Frittieren hergestellt sein. Er weist eine zylindrische, rohrförmige Gestalt auf und seine Innenfläche ist dem äußeren Durchmesser des Unterteils 7 und des Oberteils 8 angepaßt. Der Mantel 9 hat die Funktion, den magnetischen Stromkreis des Motors zu schließen und ihn gegen äußere Felder abzuschirmen, denen er ausgesetzt sein könnte.

Um die Montage zu erleichtern, kann beispielsweise der seitlichen äußeren Fläche des Mantels 9 an ihrem unteren Ende 27 eine leicht konische Gestalt gegeben werden, so daß das Oberteil 8 unter einem etwas stärkeren Klemmen in dem Mantel 9 justiert werden kann als das Unterteil 7. Dei Mantel 9 kann auf diese Art und Weise leicht über die zusammengesetzten Ober- und Unterteile 7, 8 (Wicklungsträger) geschoben werden. Der Mantel 9 kann aber auch drehbeweglich auf dem Vvicklimgsträger angeordnet sein.

n.

Der Mantel 9 weist zwei diametral gcgenübcrlieccndc öffnungen 28 und 29 auf. tue sieb jede i'i ihret Länge anf einem Kreisbogen von ungefähr 120 erstrecken. Ihre Breite ist gleich ungefähr dem Drittel der Gesamthöhe des Mantels, d. h. dem Drittel der Höhe des Motors und, wie in F i g. 3 gezeigt, ist diese Breite der öffnungen 28, 29 ungefähr gleich der axialen Länge des Rotors 1. Die beiden Enden einer jeden öffnung sind in einem Halbkreis abgerundet, während die Mittelteile der Ränder der OfT-nungen sich in Ebenen erstrecken, die senkrecht zur Achse des Rotors liegen. Wenn der Mantel 9 über den Wicklungsträger des Motors geschoben w^;rd, wird er so ausgerichtet, daß eines der Enden einer jeden öffnung 28, 29 sich in der Achse befindet, die von den Rippen 13, 13 α, 19, 19« gebildet wird, so daß das andere Ende der öffnungen auf ungefähr 30° im Verhältnis ?ur magnetischen Achse W der Wicklungen ausgerichtet ist. Durch diese Anordnung

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schließt die Symmetrieachse O der öflnungen mit der magnetischen Achse W der Wicklung einen Winkel von 30 ein, während die Mittelachse R der vollen Teile zwischen den öffnungen mit der magnetisclien Achse W einen Winkel von 60° einschließt. Die Länge der öffnungen könnte auch bis auf ungefähr 60° verringert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß mit den vorstehend angegebenen Abmessungen eino optimale Leistung erreicht wird.

Der beschriebene Motor ist ein durch Stromimpulse gesteuerter Schrittmotor. Wenn kein Strom fließt, richtet sich die magnetische Achse des Rotors von alleine in Richtung der Mittelachse R aus. In der Tat ist der magnetische Flußkreis, der durch den Rotor und den Mantel 9 verläuft, in dieser Stellung am kürzesten. Wenn bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung, wobei sich der Motor in der vorstehend definierten Ruhestellung befindet, die Statorwickliing mit einem Stromimpuls beaufschlagt wird, dreht sich der Rotor im Gegenuhrzeigersinn, bis seine magnetische Achse parallel zur magnetischen Achse W der Wicklung liegt. Wenn der Stromimpuls verschwunden ist, wird der Rotor durch das magnetische Rückholdrehmoment in eine Stellung gebracht, die zu der betrachteten Ausgangsstellung entgegengesetzt liegt.

Wenn nun ein zweiter Impuls von umgekehrter Polarität in die Statorwicklung geschickt wird, führt der Rotor eine zweite Halb-Drehung in der gleichen Richtung aus wie die erste. Das Einführen von Stromimpulsen abwechselnder Polarität in regelmäßigen Zeitabständen in die Statorwicklung bewirkt demgemäß eine Drehbewegung um jeweils einen Winkel von 180° des Rotors 1.

Obwohl diese Arbeitsweise des Motors besonders vorteilhaft ist, ist es offensichtlich, daß der beschriebene Rotor sich auch kontinuierlich drehen kann. Dazu genügt es, daß die Stromimpulse genügend nahe beieinanderliegen, um jegliches Anhalten in den durch die Öffnungen des Mantels 9 bestimmten Ruhestellungen zu vermeiden. Andererseits kann die Bewegung auch eine Schwingbewegung sein. Dies ist der Fall, wenn die Stromimpulse, die in die Statorwicklung 23, 24 geschickt werden, von gleicher Polarität sind. Der Rotor schwingt zwischen der Mittelachse R der vollen Teile des Mantels 9 und der magnetischen Achse W der Wicklung htin und her. Es ist insbesondere darauf hinzuweisen, daß eine solche

ίο Schwingung in dem beschriebenen Funktionsfalle in erster Linie stattfinden kann, wenn die Polarität des ersten Impulses, der in die Statorwicklung geschickt wird, so ist, daß das Drehmoment, das auf den Rotor einwirkt, das Bestreben hat, ihn in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinne drehen zu lassen. Der Rotor führt maximal eine Drehung von 60° in dieser Richtung aus und kommt dann in seine Anfangsstellung zurück und der folgende Impuls nimmt ihn in der gleichen Richtung wiederum mit. Eine Drehrichtungsumkehr ist durch Verdrehen des Mantels 9 gegenüber dem Wicklungsträger des Mot"^rs um einen Winkel von 60° entgegen dem Uhrzeigersinne bei der in F i g. 2 gezeigten Ausgangslage möglich.

Aui dem Ende der Welle 2 kann ein als Ritzel ausgebildetes Uhrwerksrad montiert sein, das ein Räderwerk mitnimmt. Dieses umfaßt seinerseits Uhrwerksräder für Sekunden, Minuten und Stunden, die die entsprechenden Anzeigeorgane in einem elektronischen Uhrwerk, beispielsweise einer Quarzuhr oder Pendeluhr, antreiben. Die Frequenz der Impulse kann beispielsweise einer je Sekunde sein, wobei der Motor sich demgemäß ruckweise mit einer Geschwindigkeit von 30 Umdrehungen je Minute dreht.
Bei einer anderen Ausführungsform könnte ebenfalls auf dem Drehzapfen 5 ein mit einer Sperrklinke versehenes Teil angeordnet werden. Die Sperrklinke kann hierbei ein schrittweises Drehen eines Sperrklinkenrades bewirken.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

2 048 9Oi Patentansprüche:

1. Elektrischer Schrittmotor, insbesondere für ein Uhrwerk, mit einem pennanent-magnetisierten Roto.·, einer Statorwicklung ohne Kern mit flachen Windungen und mit einer parallel zu den Windungen angeordneten, die Achse des Rotors enthaltenden Symmetrieebene, einem Wicklungsträger aus nicht-magnetischem Material, einem ringförmigen, den Träger umgebenden krejszylindrischen Mantel aus einem ferromagnetischen Material und mit einem Mittel zur Festlegung der Rotorstellung bei niciht-erregter Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Festlegung der Rotorstellung bei nichterregter Wicklung der Mantel (9) selbst ist, der aus einem Material mit hoher Permeabilität und geringer Remanenz besteht und daß der Mantel (9) durch seine Anordnung und durch zwei diametral gegenüber angeordnete, auf der Höhe des Rotors liegende Öffnungen (28, 29) eine Symmetrie-Achse (O) bestimmt, die in einer senkrecht zur Achse (R) des Rotors (1) sich erstrekkenden Ebene liegt und schräg zur magnetischen Achse (W) der Statorwicklung (23, 24) gerichtet ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (28, 29) länglich gestaltet sind und jede sich auf einem Kreisbogen erstreckt, der zwischen 60 und 120° liegt.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrie-Achse (O) der öffnungen (28, 29) gegenüber der magnetischen Achse (W) der Wicklungen (21.. 24) um einen Winkel von ungefähr 30° geneigt ist.

4. Motor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Form jeder öffnung (28, 29) die eines Viereckes mit halbkreisförmigen Enden von einer Rechteckbreite ist, die mindestens ungefähr gleich der axialen Länge des Rotors (1) ist.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (9) um den Träger (Oberteil 8, Unterteil 7) verdrehbar ist.

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