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Schrittmotor
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Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor mit einem
zur Bildung von Nebenpolen gezähnten Dauermagnet-Läufer und einem mehrpoligen Ständer,
dessen jeweils mit Wicklungen versehene Hauptpole an ihren dem Läufer zugekehrten
Polflächen in Richtung der Läuferzähnung zur Bildung entsprechender Nebenpole ebenfalls
gezähnt sind, wobei die Zähnung benachbarter Hauptpole in Drehrichtung des Läufers
gegen dessen Zähnung versetzt ist.
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Ein derartiger Schrittmotor ist aus der deutschen Offenlegungsscnrift
2 147 361 bekannt. Der Läufer dieses Schrittmotors ist im Inneren des Ständers angeordnet
und weist einen in Richtung seiner Drehachse magnetisierten Dauermagnet auf. Die
Pole des Dauermagneten tragen zylindrische Polschuhe, deren Außenmantel zur Bildung
einer Vielzahl Nebenpole gezahnt ist. Die Zähne verlaufen in Richtung der Drehachse
des Läufers, wobei jedoch die Zähne des einen Polschuhs gegen die Zähne des anderen
Polschuhs in Umfangs richtung des Läufers versetzt sind. Der Ständer des Scnrittmotors
weist mehrere Ilauptpole auf, die die Erregerwicklungen tragen und die an ihren
dem Läufer zugekehrten Polflächen zur Bildung von Nebenpolen mit achsparallel verlaufenden
Zähnen versehen sind. Der Abstand der Ständerzähne ist gleich dem Abstand der Läuferzähne
jedes der beiden Polschuhe.
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Der Magnetfluß des bekannten Schrittmotors verläuft aufgrund der pnasenverschobenen
Erregung der Hauptpolwicklungen in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung
durch den Läufer bzw. den Ständer. Darüberhinaus sind jedoch auch axiale Esomponenten
vornanden, da sich der Magnetfluß der beiden mit Abstand voneinander angeordneten
Polschuhe über den Stäritlcr scIii Les-
sen muß. Derartige axiale
Komponenten sind unerwünscht, da sie zur Antriebsleistung des Motors nicht beitragen
und lediglich die magnetischen Verluste und Wirbelstromverluste erhöhen.
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Zur Verminderung der Wirbelstromverluste ist der Ständer des bekannten
Schrittmotors in axialer Richtung geblecht bzw.
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lamelliert. Andererseits erhöht sich durch die Lamellierung der magnetische
Widerstand und die zum Betrieb des Schrittmotors benötigte Erregerleistung steigt.
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Der Dauermagnet des bekannten Schrittmotors liegt nicht unmittelbar
im Arbeitsluftspalt zwischen Ständer und Läufer. Zwischen dem Arbeitsluftspalt und
dem Dauermagnet tritt der Magnetfluß durch die weichmagnetischen Polschuhe. Die
Polschuhe erhöhen die Hystereseverluste, wodurch sich die erforderliche Erregerleistung
erhöht und die maximale Schaltfrequenz mit der der Schrittmotor betrieben werden
kann, erniedrigt. Da sich die Polschuhe in axialer Richtung an den Dauermagnet anschließen,
erhöhen sie nicht zuletzt die axiale Baulänge des Schrittmotors.
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Dies hat zur Folge, daß auch die Widklung des Ständers entsprechend
vergrößert ist, wodurch einerseits die Ohischen Verluste erhöht werden und andererseits
die Induktivität der Wicklung ebenfalls vergrößert wird. Beide Effekte sind jedoch
unerwünscht, da die gestiegenen Ohm'schein Verluste zur zusätzlichen Motorerwärmung
führen und die größere Wicklungsinduktivität den schnellen Stromanstieg in den Ständerspulen
reduziert, wodurch der Schrittmotor insbesondere bei hohen Drehzahlen ein erheblich
vermindertes Drehmoment besitzt.
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Ein anderer Schrittmotor ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
1 922 234 bekannt. Dieser Schrittmotor weist mehrere Ständer mit je einem Dauermagnet-Läufer
auf. Die Ständer sind jeweils mit einer koaxial zum zugeordneten Läufer angeordneten
Ringspule versehen, an die sich beiderseits Platten mit in den Innenraum der Ringspule
eingreifenden Polzähnen anschließen. Die Pol zähne bilden bei Erregung der Ringspule
sich abwechselnde Nord- bzw. Südpole, die mit sich abwechselnden Nord- bzw. Südpolen
des zugeordneten Dauermagnetläufers zu-
sammenwirken. Die Anzahl
der Pole jedes Läufers ist gleich der des Ständers. Die Ständer und Läufer sind
gleichachsig zur gemeinsamen Abtriebswelle angeordnet, wobei jedoch benachbarte
Ständer mit gleichbleibendem Drehsinn um einen gleichen Winkel gegeneinander verdreht
sind. Auf diese Weise kann die Schaltfrequenz mit der die Ringspule jedes Ständers
für eine gewünschte Schrittzahl pro Minute betrieben werden muß, verringert werden.
Nachteil dieses bekannten Schrittmotors ist jedoch seine relativ große axiale Baulänge.
Weiterhin lassen sich nur relativ geringe Abtriebsleistungen erzielen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg zu zeigen, wie die axiale
Baulänge eines Schrittmotors der eingangs näher erläuterten Art verringert werden
kann, ohne daß die Vorteile derartiger Motoren entfallen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Läuferzähne
als in Querrichtung der Ständerzähne magnetisierte Dauermagnete ausgebildet sind,
die sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Ständerzähne erstrecken, daß
die Dauermagnete benachbarter Läufer zähne gegensinnig magnetisiert sind und daß
der Abstand der Ständerzähne jedes Hauptpols gleich dem Abstand der gleichsinnig
magnetisierten Dauermagnete ist.
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Mit derartigen Schrittmotoren lassen sich relativ hohe Abtriebsleistungen
und kleine Schrittwinkel erzielen. Erfindungsgemäße Schrittmotoren können darüberhinaus
in axialer Richtung kürzer ausgebildet sein als herkömmliche Schrittmotoren mit
gezähnten Hauptpolen.Ihr Maqnetflußwzit keine axiale Komponente auf.
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Der Magnetfluß ist ausschließlich radial und in Umfangsrichtung des
Läufers gerichtet. Auf diese Weise können die Wirbelstromverluste des Ständers erheblich
vermindert werden. Die Dauermagnete liegen unmittelbar im Luftspalt, so daß Polschuhe,
die die axiale Baulänge bekannter Schrittmotoren verlängern, entfallen. Die auf
diese Weise verringerten Wirbelstromverluste und Hystereseverluste mindern die für
den Betrieb des Schrittmotors benötigte Erregerleistung, so daß der Motor auch insgesamt
kleiner gebaut werden kann.
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Auch die Wickellänge der Ständerspulen wird dadurch sowohl im Hinblick
auf die Ohmwschenverluste als auch auf die Reduzierung der Wicklungsinduktivität
positiv beeinflußt.
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Die Dauermagnete können mit radial zur Drehachse verlaufender Magnetisierungsrichtung
auf dem Außenmantel eines auf der Abtriebswelle des Schrittmotors sitzenden Zylinders
angeordnet sein. Zur Verringerung des Schwungmoments des Läufers besteht der Zylinder
vorzugsweise aus einem Material mit geringem spezifischen Gewicht. Zum gleichen
Zweck kann der Zylinder aber auch als Hohlzylinder ausgebildet sein, der über Speichen
und/ oder Stirnflansche mit der Abtriebswelle verbunden ist.
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Besonders flache Ausführungsformen lassen sich erzielen, wenn die
Dauermagnete mit parallel zur Drehachse verlaufender Magnetisierungsrichtung auf
einer achsnormal auf der Abtriebswelle des Schrittmotors sitzenden Kreisscheibe
angeordnet sind.
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Auch als Außenläufer ausgebildete Schrittmotoren sind im Rahmen der
Erfindung denkbar. Hierzu kann der Läufer als Hohlkörper ausgebildet und der Ständer
in dem Hohlkörper angeordnet sein, wobei die Dauermagnete am Innenmantel des Hohlkörpers
rotationssymmetrisch zu dessen Drehachse angeordnet sind.
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Die Dauermagnete können auf ein gemeinsames Joch aus weichmagnetischem
Material aufgesetzt sein. Das relativ große Gewicht des weichmagnetischen Jochs
begrenzt aber die Schrittfrequenz und die Anlaufgeschwindigkeit des Schrittmotors.
Die Masse des weichmagnetischen Jochs sollte deshalb so klein wie möglich sein.
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Andererseits bewirkt das weichmagnetische Joch den magnetischen Rückschluß
des Läufers. Eine Verringerung des iickschlußquerschnitts erhöht die magnetische
Induktion, womit die Leistung des Schrittmotois begrenzt ist, wenn eine Scittiqung
des Jochs vermieden werden soll. Zusätzlich stekien die Umlflagnetisierungsverluste
quadratisch mit der SteigerUnvJ der Induktion. Das weichmagnetische Joch muß deshalb
einen ntindestquerschnitt haben. Die Masse des Läufers läßt sich unabhängig vom
Pick.ch iußguerschnitt
verringern, wenn die Dauermagnete des Läufers
an einem aus nicht magnetischem Material bestehenden, auf der Läuferwelle sitzenden
Joch gehalten sind und für den magnetischen Rückschluß der Dauermagnete auf der
den Hauptpolen des Ständers gegenüberliegenden Seite der Dauermagnete ein zweiter
gezahnter Ständer angeordnet ist, dessen Zähne den Zähnen des ersten Ständers normal
zur Bewegungsrichtung der Dauermagnete gegenüberliegen. Der magnetische Rückschluß
der Dauermagnete erfolgt somit über das weichmagnetische Material des zweiten Ständers,
der ortsfest zum ersten Ständer angeordnet ist und nicht mit dem Läufer umläuft.
Das die Dauermagnete haltende Joch des Läufers dient in diesem Fall ausschließlich
der mechanischen Befestigung der Dauermagnete.
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Der zweite Ständer weist vorzugsweise lediglich im Bereich der iiauptpole
des ersten Ständers Zähne auf. Er bildet damit ebenfalls gezähnte Hauptpole, die
den Hauptpolen des ersten Ständers normal zur Bewegungsrichtung der Dauermagnete
gegenüberliegen.
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Zum Ausgleich des doppelten Luftspalts zwischen den Zähnen der beiden
Ständer und den Dauermagneten können auch die Hauptpole des zweiten Ständers mit
Wicklungen versehen sein.
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Aufgrund ihrer geringen Abmessungen lassen sich erfindungsgemäße Schrittmotoren
leicht in den zu drehenden Bestandteil einer anzutreibenden Vorrichtung integrieren.
Auf diese Weise können anfällige Kupplungselemente eingespart werden, was nicnt
zuletzt die Stellgeschwindigkeit erhöht. Von besonderem Gewicht sina diese Vorteile
bei Schreibmaschinen, Fernschrei hern und dergleichen mit einem KugelscÆeibkopf
oder einem rlypenrad. Die Dauermagnete können unmittelbar in den Kugelschreibkopf
oder das Typenrad eingebaut sein. Der Kugelscnreibkopf bzw. das Typenrad bilden
somit den Läufer des Schrittmotors. lJer Läufer kann auf eine starre Welle des Ständers
aufgesteckt sein, womit das Typenrad bzw. der Sugelschreibkopf problemlos ausgewechselt
werden kann.
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Speziell für die letztgenannten Anwendungsfälle können die Dauermagnete
in einen aus nicht magnetischem Material bestehenden Läuferkörper eingegossen sein,
da derartige Materialien verglichen mit magnetischem Material relativ leicht sind.
Für Anwendungsfälle höherer Leistung sind die Dauermagnete jedoch bevorzugt auf
ein gemeinsames Joch aus weichmagnetischem Material aufgesetzt. Aus fertigungstechnischen
Gründen sind die Dauermagnete vorzugsweise auf das Joch aufgeklebt.
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Zum Ausrichten der Dauermagnete ist zwar eine Lehre erforderlich,
die Lehre kann jedoch von besonders einfacher Bauart sein, da die Dauermagnete bereits
vor dem Aushärten des Klebers am Joch haften.
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Bevorzugt werden Dauermagnete, die aus vorzugsgerichtetem Kobalt-Samarium-Material
bestehen. Derartiges Material hat besonders hohe Koerzitivkraft.
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Als günstig hat es sich erwiesen, wenn die Dauermagnete des Läufers
quer zur Längsrichtung der Ständerzähne im Abstand voneinander angeordnet sind.
Um ein Verschmutzen der Zwischenräume zu verhindern, sind diese vorzugsweise mit
Kunststoff, einem sinterfähigem Material oder dergleichen ausgegossen.
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Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von
Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigt: Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt
durch ein Ausführungsbeispiel eines Schrittmotors; Fig. 2 eine schematisch dargestellte
Abwicklung des Ständers und des Läufers eines Schrittmotors; Fig. 3 einen schematischen
Axialschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Schrittmotors mit zwei Ständern;
Fig. 4 eine schematisch dargestellte Abwicklung der Ständer und des Läufers des
Schrittmotors nach Fig. 3; Fig. 5 einen schematischen Axialschnitt durch einen als
Typenradmotor benutzten Schrittmotor; und
Fig. 6 einen schematischen
Axialschnitt durch einen in einen Kugelschreibkopf eingebauten Schrittmotor.
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Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schrittmotor, dessen
Abtriebswelle 1 an Kugellagern 3 in einem Motorgehäuse 5 drehbar gelagert ist. Im
Inneren des Motorgehäuses 5 sitzt an drehfest mit der Abtriebswelle 1 verbundenen
Speichen oder Stirnflanschen 7 ein kreiszylindrisches Rohr 9 aus weichmagnetischem
Material, das an seinem Außenmantel stabförmige Dauermagnete 11 trägt. Die Dauermagnete
11 erstrecken sich achsparallel zur Abtriebswelle 1 und sind, wie am besten aus
der Abwicklung nach Fig. 2 zu ersehen ist, mit stets gleichem Abstand voneinander
angeordnet. Das mittels der Flansche 7 an der Abtriebswelle 1 gehaltene Rohr 9 bildet
zusammen mit den Dauermagneten 11 den Läufer des Schrittmotors. Den Läufer umgibt
ein Ständer mit wenigstens drei Hauptpolen 13 (Fig. 2), von denen jeder eine getrennt
aus dem Schrittmotor herausgeführte Erregerwicklung 15 trägt. In Fig. 1 sind lediglich
die Wicklungsköpfe 17 der Wicklungen 15 zu erkennen. Die Anzahl der Hauptpole 13
ist, sofern mehr als drei Hauptpole vorgesehen sina, weitgehend beliebig und kann
nach bekannten Grundsätzen bestimmt werden.
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Der minimale Schrittwinkel des Schrittmotors wird einerseits durch
die Anzahl der Hauptpole und andererseits durch die Anzahl und den Abstand von Zähnen
19 bestimmt, die in den zum Läufer weisenden Polflächen der Hauptpole in Richtung
der Dauermagnete 11, d.h. in Achsrichtung der Abtriebswelle 1 verlaufen.
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Die Zähne 19 bilden Nebenpole, die mit den als Nebenpole des Läufers
wirkenden Dauermagneten 11 zusammenwirken. Die Zähne 19 sind etwa so lang wie die
Dauermagnete 11.
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Um axiale Komponenten des Magnetflusses zwischen Läufer und Ständer
zu verhindern, sind benachbarte Dauermagnete 11 gegensinnig gepolt. In Fig. 2 ist
dies durch die Bezeichnungen N und S für Nordpol bzw. Südpol sowie durch Pfeile
vermerkt.
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Der Abstand der Zähne 19 jedes der Hauptpole 13 ist gleich dem Abstand
gleichsinnig gepolter Dauermagnete 11 gewählt. Da der Abstand benachbarter Dauermagnete
11 stets gleich ist, haben die Zähne 19 den doppelten Abstand. Die Zahnung benachbarter
Hauptpole 13 ist, wie durch Vergleich des mittleren Hauptpols in Fig. 2 mit den
beiden äußeren Hauptpolen deutlich wird, gegen die durch die Dauermagnete 11 des
Läufers gebildete Zahnung um einen halben Zahnabstand versetzt. Damit kann sich,
wenn der linke Hauptpol 13 beispielsweise als Nordpol N und der rechte Hauptpol
13 in Fig. 2 als Südpol S erregt ist der magnetische Fluß wie durch eine strichpunktierte
Linie 21 dargestellt ist, in einer Radialebene schließen. Der magnetische Fluß verläuft
beispielsweise von dem in Fig. 2 linker Hand dargestellten Hauptpol 13 über das
Ständerjoch 23 zum rechten Hauptpol 13, von dessen Zähnen 19 zu den mit ihren Nordpolen
den Zähnen 19 zugewandten Dauermagneten 11, über das Rohr 9 zu den in Fig. 2 links
dargestellten Dauermagneten, deren Südpole dem Hauptpol 13 zugekehrt sind und schließt
sich über die Zähne 19 dieses 1lauptpols. Durch wechselweises Erregen der Hauptpole
kann der Läufer in bekannter Weise schrittweise fortgeschaltet werden.
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Die Dauermagnete 11 bestenen aus vorzugsgerichtetem Kobalt-Samarium-Material.
Die Zwischenräume zwischen den Dauermagneten sind, wie der besseren Übersicht wegen
in Fig. 2 nur am linken Rand angedeutet ist, mit Kunststoff 20 ausgefüllt.
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In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform eines Schrittmotors dargestellt,
die sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 im wesentlichen nur durch eine andere
Gestaltung des magnetischen Rückschlusses des Läufers unterscheidet. Zur Erläuterung
gleichwirkender Teile wird insoweit auf die Beschreibung der Fig. 1 und 2 Bezug
genommen, wobei die gleichwirkenden Teile mit um die Zahl 100 erhöhten Bezugszahlen
bezeichnet sind.
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Der Schrittmotor nach Fig. 3 weist ebenfalls eine Abtriebswelle 1o1
auf, die in einem Gehäuse 105 drehbar gelagert ist. Auf der Abtriebswelle lol sitzt
drehfest ein aus Kunststoff bestehendes, glockenförmiges Joch 125, welches aus einem
radialen Stirnflansch 127 und einem vom Umfang des Stirnflansches 127 axial frei
abstehenden, hohlzylindrischen Käfig 129 besteht, der parallel zueinander und zur
Achse der Abtriebswelle lol verlaufende Dauermagnete 111 trägt. Radial außerhalb
der Dauermagnete 111 des Käfigs 129 ist ein erster Ständer 131 gehalten.
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Der Ständer 131 weist, wie am besten aus der Abwicklung der Fig. 4
zu ersehen ist, mit Erregerwicklungen 115 versehene Hauptpole 113 auf, deren Zähne
119 den Dauermagneten 111 zugekehrt sind. Die Anordnungsweise der Dauermagnete 111
relativ zu den Hauptpolen 113 des ersten Ständers 131 bzw. den Zähnen 119 dieser
Hauptpole 113 entspricht der Anordnungsweise gemäß den Fig. 1 und 2.
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An dem Gehäuse 105 ist ein zweiter Stator 133 gehalten, der, wie Fig.
4 zeigt, mit Erregerwicklungen 135 versehene, gezahnte Hauptpole 137 aufweist. Die
Hauptpole 137 liegen den Hauptpolen 113 radial gegenüber und tragen den Dauermagneten
111 zugewandte Zähne 139, die ihrerseits den Zähnen 119 der Hauptpole 113 radial
gegenüberliegen. Der magnetische Fluß der Hauptpole 113 des ersten Ständers 131
schließt sich über die Zähne 119, die Dauermagnete 111, die Zähne 139 und die Hauptpole
137 des zweiten Ständers 133. Da lediglich das relativ leichte Joch 125 und die
Dauermagnete 111 bewegt werden müssen, nicht je-
doch die Masse
des dem magnetischen Rückschluß dienenden zweiten Ständers 133,-ist die Schrittfrequenz
und Anlaufgeschwindigkeit des Schrittmotors relativ hoch. Die Erregerwicklung 135
gleicht den doppelten Luftspalt zwischen den Dauermagneten 111 und den Zähnen 119
bzw. 139 aus. Sie kann gegebenenfalls entfallen. Die Hauptpole 137 müssen in diesem
Fall nicht durch Wicklungsnuten voneinander getrennt sein; es genügt, wenn der zweite
Ständer 133 lediglich im Bereich der Zähne 119 des ersten Ständers 131 mit Zähnen
139 versehen ist. Die Zähnezahl der beiden Ständer ist vorzugsweise gleich.
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Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schrittmotors, der speziell
für den Antrieb eines Typenrads eines Fernschreibers oder eines Druckers konstruiert
ist. Teile, deren Funktion und Wirkungsweise bereits im Zusammenhang mit Fig. 1
erläutert wurde, sind mit um die Zahl 200 erhöhten Bezugszahlen bezeichnet.
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Der Schrittmotor weist wiederum gezahnte Hauptpole 213 auf, von denen
jeder eine Erregerwicklung 215 trägt. An einer Welle 225 ist in nicht näher dargestellter
Weise ein Typenrad 227 befestigt, das an seinem Umfang Drucktypen 229 trägt. Das
Typenrad 227 dient als Läufer des Schrittmotors und weist auf seiner den gezähnten
Polflächen der Hauptpole 213 zugewandten Seite stabförmige Dauermagnete 211 auf,
die sich in radialer Richtung und parallel zu den in Fig. 5 nicht näher dargestellten
Zähnen der Hauptpole 213 erstrecken. Die Anordnungsweise der Hauptpole 213, der
Zähne dieser Hauptpole sowie der Dauermagnete 211 stimmt mit der Abwicklung nach
Fig. 2 überein, die als Abwicklung eines Schnittkreises mit konstantem Durchmesser
aufgefaßt werden kann. Das Joch 9 in Fig. 2 kann durch das Typenrad 227 oder eine
zusätzliche Ringscheibe gebildet sein; es kann gegebenenfalls auch entfallen.
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Fig. 6 zeigt die Verwendung des erfindungsgemäßen Schrittmotors in
Verbindung mit einem Kugelschreibkopf, dessen tonnenförmiges
Gehäuse
als Läufer des Schrittmotors dient und von außen über den Ständer greift. Zur Erläuterung
der Wirkungsweise soll wiederum auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen werden, wobei
gleichwirkende Teile mit um die Zahl 300 erhöhten Bezugs zahlen bezeichnet sind.
Der innen liegende Ständer weist wiederum gezahnte Hauptpole 313 auf, von denen
jeder eine Wicklung 315 trägt. Die gezahnten Polflächen der Hauptpole 313 weisen
nach außen zum Innenmantel des Gehäuses 331, welcher parallel zu den Zähnen der
Hauptpole 313 sich erstreckende Dauermagnete 311 trägt. Die Dauermagnete 311 sind,
wie auch bei den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen senkrecht zu den
Polflächen der Hauptpole magnetisiert, wobei die Magnetisierungsrichtung benachtbarter
Dauermagnete 311, die anhand von Fig. 2 erläutert wurde, abwechselt. Fig. 2 kann
als Abwicklung eines Radialschnitts durch den Läufer bzw. den Ständer des Schrittmotors
nach Fig. 6 angesehen werden. Die Dauermagnete 311 sind hierbei am Innenmantel eines
Rohrs angebracht; das Rohr kann jedoch gegebenenfalls auch entfallen und die Dauermagnete
311 können unmittelbar in das Gehäuse 331 eingegossen sein.