DE3022433C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrittmotor mit einem Stator, der wenigstens enthält:
einen ersten ringförmigen Statorteil mit einer Ringspule und einer diese Ringspule umschließenden, magnetisch leitenden Umhüllung, die in ein erstes und ein zweites ringförmiges Statorzähnesystem mündet;
einen zweiten ringförmigen Statorteil mit einer Ringspule und einer diese Ringspule umschließenden, magnetisch leitenden Umhüllung, die in ein drittes und ein viertes ringförmiges Statorzähnesystem mündet; und
einen Rotor mit einer mit dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Statorzähnesystem zusammenarbeitenden Rotor­ verzahnung, wobei die Zähne der Statorzähnesysteme axial miteinander fluchten.

Ein derartiger Schrittmotor ist aus der DE-OS 27 27 450 bekannt und ist besonders gut dazu geeignet, als Schritt­ motor mit einem kleinen Schrittwinkel, z. B. von 1,8°, d. h. 200 Schritte pro Rotorumdrehung, ausgeführt zu werden. Um bei einem derartigen Schrittmotor das Auftreten großer Schrittwinkelfehler zu vermeiden, werden an die Ausrichtung der Statorzähnesysteme in bezug auf die Rotor­ verzahnung sehr hohe Anforderungen gestellt, die bei Serienfertigung eine starke Erhöhung der Kosten mit sich bringen können. Hinzu kommt, daß es vorteilhaft sein kann, bestimmte Abweichungen in den nominalen gegenseitigen Lagen der Rotorverzahnung in bezug auf die Statorverzah­ nung einzuführen, wie in der NL-Patentanmeldung 79 04 818 vom 20. Juni 1979 (DE-OS 30 22 377) beschrieben ist.

Ein aus der DE-OS 22 49 729 bekannter Schrittmotor mit lamellierten Eisen ist bei höheren Anforderungen an die Genauigkeit der Zähne wirtschaftlich kaum zu realisieren, wenn die Zähne der Zähnesysteme des Stators fluchten sollen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Schrittmotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich verhältnis­ mäßig leicht genau ausrichten läßt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Zähne der Rotorverzahnung auf dem Umfang des Rotors derart angebracht sind, daß in der Rotoroberfläche schrauben­ linienförmige Nuten vorgesehen sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es verhältnismäßig einfach ist, die Statorverzahnung in axialer Richtung auszurichten, und daß infolge der Tatsache, daß die Rotorverzahnung eine schraubenlinien­ förmige Struktur aufweist, die tangentielle Anordnung der Rotorverzahnung in bezug auf die Statorverzahnung durch axiale Abstände bestimmt wird.

Es ist zwar bekannt, in Maschinenteilen Nuten schrauben­ linienförmig vorzusehen; dabei geht es aber in der DE-OS 27 16 590 um die Erzeugung der Translations- und einer Rotationsbewegung und bei der DE-OS 23 49 139 um eine Translationsbewegung. Im Gegensatz zu der Erfindung ist dabei eine Vielzahl von Gewindegängen vorgesehen.

Eine erste vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne der Rotorverzahnung, was ihre axiale Höhe anbelangt, kleiner als die der damit zusammenarbeitenden Statorzähnesysteme sind und daß die Zähne der Statorzähnesysteme in axialer Richtung die damit zusammenarbeitenden Rotorzähne in beiden Richtungen über­ lappen.

Bei dieser Ausführungsform wird die tangentielle Ausrich­ tung durch die Lage der axialen Grenzen der Rotorzähne bestimmt. Diese Ausführungsform kann weiter dadurch gekennzeichnet sein, daß ein erstes, ein zweites, ein drittes bzw. ein viertes Rotorzähnesystem vorhanden ist, das mit dem ersten, dem zweiten, dem dritten bzw. dem vierten Statorzähnesystem zusammenarbeitet, wobei diese Rotorzähnesysteme dadurch gebildet sind, daß neben den genannten schraubenlinienförmigen Nuten auch kreisförmige Nuten angebracht sind, die die genannten Rotorzähnesysteme in axialer Richtung begrenzen. Dadurch wird die tangen­ tielle Ausrichtung des Motors durch die Lage der genann­ ten kreisförmigen Nuten bestimmt. Diese Lage kann während der Serienfertigung einfach geändert werden.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform kann dadurch gekennzeichnet sein, daß die Zähne der Statorzähnesysteme, was ihre axiale Höhe anbe­ langt, kleiner als die der damit zusammenarbeitenden Rotorverzahnung sind, und daß die Zähne der Rotorver­ zahnung in axialer Richtung die damit zusammenarbeitenden Zähne der Statorzähnesysteme in beiden Richtungen über­ lappen.

Bei dieser Ausführungsform wird die tangentielle Ausrichtung durch die Lage der axialen Begrenzungen der Statorzähnesysteme bestimmt.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch einen Schrittmotor nach der Erfindung,

Fig. 2 perspektivisch eine Ansicht eines Schrittmotors nach der Erfindung in ausein­ andergezogener Darstellung mit axial durchgeschnittenem Stator,

Fig. 3 schematisch die Lage der Statorzähne in bezug auf die Rotorzähne bei einer ersten Ausführungsform eines Schrittmotors nach den Fig. 1 und 2, und

Fig. 4 schematisch die Lage der Statorzähne in bezug auf die Rotorzähne bei einer zweiten Ausführungsform eines Schrittmotors nach den Fig. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt einen axialen Schnitt durch einen Schrittmotor, in dem das Prinzip nach der Erfindung angewandt wird, während Fig. 2 diesen Motor in auseinandergezogener Darstellung und perspektivisch mit axial durchgeschnittenem Stator zeigt. Der Schritt­ motor ist im wesentlichen drehsymmetrisch um die Achse A-A′ und enthält einen Rotor 1 und einen Stator 2. Der Stator besteht aus zwei koaxialen Statorteilen 3 und 4 mit einem koaxial dazwischenliegenden in axialer Richtung magnetisierten dauermagnetischen Ring 5. Jeder der Statorteile 3 bzw. 4 enthält eine koaxial liegende Ring­ spule 8 bzw. 9, die von einer magnetisch leitenden Umhüllung 6 bzw. 7 umgeben ist, die auf der Innenseite in zwei ringförmige Zähnesysteme 10 und 11 bzw. 12 und 13 mündet. Der Rotor 1 ist mit mit den ringförmigen Zähne­ systemen 10, 11, 12 bzw. 13 zusammenarbeitenden ringför­ migen Zähnesystemen 14, 15, 16 bzw. 17 versehen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, werden diese Zähne des Rotors von schraubenlinienförmigen Nuten begrenzt, von denen eine mit gestrichelten Linien 18 angegeben ist. Die Ausrichtung erfolgt dabei derart, daß die Zähne der Statorzähne­ systeme 10, 11, 12 und 13 axial miteinander fluchten und daß, wenn die Zähne des Rotorzähnesystems 14 den Zähnen des des Statorzähnesystems 10 gegenüber liegen, die Zähne der Statorzähnesysteme 11, 12 bzw. 13 in bezug auf die Rotor­ zähnesysteme 15, 16 bzw. 17 tangentiell über 180°, 90° bzw. 270° (oder als Alternative 180°, 270° bzw. 90°) verschoben sind, wobei 360° einem Zahnteilungsabstand entspricht.

Der axial magnetisierte dauer­ magnetische Ring magnetisiert die Zähnesysteme 10 und 11 mit einer bestimmten Polarität und die Zähnesysteme 12 und 13 mit einer dieser Polarität entgegengesetzten Polarität. Bei einer bestimmten Richtung des Stromes durch die Ring­ spule 8 bzw. 9 ist dann die Richtung des Feldes infolge der Erregung in dem zu dem Zähnesystem 10 bzw. 12 gehöri­ gen Luftspalt zwischen Stator und Rotor gleich der Richtung des von dem dauermagnetischen Ring erzeugten Feldes in diesem Luftspalt und in dem anderen zu dem Zähnesystem 11 bzw. 13 gehörigen Luftspalt dieser Richtung entgegengesetzt. Bei der entgegengesetzten Richtung des Stromes durch die Ringspule 8 bzw. 9 ist die Richtung des Feldes infolge dieser Erregung in dem zu dem Zähnesystem 11 bzw. 13 gehörigen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor gleich der Richtung des vom dauermagnetischen Ring erzeugten Feldes in diesem Luftspalt und in dem anderen zu dem Zähnesystem 10 bzw. 12 gehörigen Luftspalt dieser Richtung entgegengesetzt. Durch die Wahl der Erregungs­ richtung des Stromes in jeweils einer Spule oder jeweils beiden Spulen 8 und 9 können jeweils ein oder jeweils zwei Rotor-Statorzähnesysteme drehmomentliefernd werden, so daß es möglich ist, den Rotor schrittweise mit Schritten gleich einem Viertelzahnteilungsabstand anzutreiben.

Dabei sei bemerkt, daß die Anordnung des Dauermagnets in dem Stator nicht besonders wesentlich ist. Dieser Dauermagnet kann z. B. auch in dem Rotor an der Stelle, die in Fig. 1 mit 5′ bezeichnet ist, angeordnet werden oder kann z. B. als eine zylindrische Buchse die beiden Statorteile 3 und 4 umgeben. Auch kann der Dauermagnet grundsätzlich durch eine mit Gleichstrom erregte Spule ersetzt werden.

Fig. 3a zeigt schematisch eine Abwicklung eines Teiles der Rotorverzahnung, und darüber gezeichnet, die Lage jeweils zweier Zähne jedes Stator­ zähnesystems 10, 11, 12 und 13. Wenn der Abstand zwischen den Statorzähnesystemen in Vereinigung mit dem Winkel zu der Achse, unter dem die in der Abwicklung auf einer schrägen Reihe liegenden Rotorzähne angeordnet sind, passend gewählt ist, gilt, daß, wenn die Zähne des Statorzähnesystems 10 den Zähnen des Rotorzähnesystems 14 gegenüber liegen (als ein Winkel von 0° zwischen den beiden Systemen definiert), die Zähne des Statorzähnesystems 11 gerade zwischen den Zähnen des Rotorzähnesystems 15 liegen (als ein Winkel von 180° zwischen den beiden Systemen definiert), die Zähne des Statorzähnesystems 12 einerseits zur Hälfte den Zähnen des Rotorzähnesystems 16 gegenüber liegen (als ein Winkel von 90° zwischen den beiden Zähnesystemen definiert) und die Zähne des Stator­ zähnesystems 13 andererseits zur Hälfte den Zähnen des Rotorzähnesystems 17 gegenüber liegen (als ein Winkel von 270° zwischen den beiden Zähnesystemen definiert).

In der in Fig. 3a dargestell­ ten Situation erstrecken sich die Rotorzähne in axialer Richtung bis außerhalb der Statorzähne. Dies kann grund­ sätzlich derart weitergehen, daß sich die Zähne der unter­ schiedlichen Statorzähnesysteme 14, 15, 16 und 17 anein­ ander anschließen und schraubenlinienförmige Rippen bil­ den, die sich zwischen den beiden Stirnflächen des Rotors erstrecken. Um jedoch das Trägheitsmoment des Rotors herabzusetzen, ist es meistens vorteilhaft, die Rotorzahnhöhe h _r (siehe Fig. 3b) auf ein Mindestmaß zu beschränken.

Um den Effekt eines Rotor- Statorzähnesystemgebildes nach Fig. 3a auf die tangen­ tielle Ausrichtung der Zähnesysteme in bezug aufeinander zu veranschaulichen, zeigt Fig. 3b einen Rotorzahn t _r mit, darüber gezeichnet, einem Statorzahn t _s und Fig. 3c die­ selbe Konfiguration mit in bezug auf die Situation nach Fig. 3b einem in axialer Richtung über einen Abstand x verschobenen Statorzahn bei ungeänderter Lage des Rotor­ zahns t _r . In Fig. 3b befindet sich der Mittelpunkt a _s des Statorzahns t _s in tangentieller Richtung in einem Ab­ stand ¹/₂ y rechts von der Mittellinie b _r des Rotorzahns t _r . Nach Verschiebung des Statorzahns t _s über einen Abstand x in axialer Richtung (Fig. 3c) befindet sich der Mittel­ punkt a _s des Statorzahns t _s in einem Abstand ¹/₂ y links von der Mittellinie b _r des Rotorzahns t _r . Eine Ver­ schiebung des Statorzahns t _s über einen Abstand x in axialer Richtung ergibt also eine Verschiebung y des Statorzahns in bezug auf den Rotorzahn in tangentieller Richtung. Auf diese Weise wird die tangentielle Ausrich­ tung (Positionierung der Statorzähnesysteme in bezug auf die Rotorverzahnung unter richtigen Winkeln) durch die axiale Abstände zwischen den Statorzähnesystemen bestimmt, welche axiale Ausrichtung sich viel einfacher als eine tangentielle Ausrichtung verwirklichen läßt.

Ein zusätzlicher Vorteil kann darin bestehen, daß das Verhältnis y/x gleich der Tangente des Winkels ist, den die Mittellinie des Rotorzahns mit der des Statorzahns einschließt. Wenn dieser Winkel kleiner als 45° ist, ergibt eine Verschiebung x in axialer Richtung eine kleinere Verschiebung y in tangentieller Richtung, so daß eine bestimmte Toleranz in y mit einer größeren Toleranz in x gepaart ist.

Fig. 4a zeigt eine gleiche Situation wie Fig. 3a, jedoch mit Statorzähnen, die sich in axialer Richtung bis außerhalb der Rotorzähne er­ strecken. Fig. 4b zeigt einen Rotorzahn t _r aus der Konfiguration nach Fig. 4a in einer bestimmten Lage, mit, darüber gezeichnet, einem Statorzahn t _s und Fig. 4c dieselbe Situation, jedoch mit einer Verschiebung über einen Abstand x in Richtung der Schraubenlinie, entlang deren er sich erstreckt, dadurch, daß beide Flächen, die das Rotorzähnesystem, zu dem der Zahn t _r gehört, begrenzen, in axialer Richtung über einen Abstand x ver­ schoben sind. In der Situation nach Fig. 4b befindet sich der Mittelpunkt a _r des Rotorzahns t _r in einem Abstand ¹/₂ y links von der Mittellinie b _s des Statorzahns t _s . Eine Verschiebung des Rotorzahns entlang der Schraubenlinie, auf der er sich befindet, über einen axialen Abstand x ergibt sich die Situation nach Fig. 4c, in der der Mittelpunkt a _r dieses Rotorzahns in einem Abstand ¹/₂ y rechts von der Mittellinie b _s des Statorzahns t _s liegt (da der kleinste Zahn die gegenseitige Lage beider Zähne bestimmt, gilt für die gegenseitige tangentielle Lage zweier Zähne der tangentielle Abstand zwischen der Mittellinie des längeren Zahns und dem Mittelpunkt des kürzeren Zahns).

Eine Verschiebung der axialen Grenzflächen der Rotorzähnesysteme über einen Abstand x ergibt also eine Verschiebung y des Statorzahns in bezug auf den Rotorzahn in tangentieller Richtung. Auf diese Weise wird die tangentielle Ausrichtung durch die axialen Abstände zwischen den Rotorzähnesystemen bestimmt.

In der in Fig. 3 gezeigten Situation ist die Höhe h _r der Rotorzähne größer als die Höhe h _s der Storzähne gewählt, wobei die Statorzähne, was ihre Höhe anbelangt, innerhalb der Höhe der Rotor­ zähne fallen. Bei dieser Lösung ist die axiale Ausrich­ tung der Statorteile und sind somit die axialen Abstände zwischen den Statorzähnesystemen 10 bis 13 entscheidend für die tangentielle Ausrichtung und ist die Lage der die Rotorzähnesysteme 14 bis 17 in axialer Richtung begrenzenden Flächen nicht kritisch. In der in Fig. 4 gezeigten Situation ist es gerade umgekehrt. Hier fällt die Höhe h _r der Rotorzähnesysteme 14 bis 17 innerhalb der Höhe h _s der Statorzähne und sind die die Rotorzähne­ systeme in axialer Richtung begrenzenden Flächen ent­ scheidend für die tangentielle Ausrichtung, während die axialen Abstände zwischen den Statorzähnesystemen nicht kritisch sind. Grundsätzlich kann aber auch z. B. h _r = h _s gewählt werden. Die axiale Lage sowohl der Statorzähne­ systeme als auch der Rotorzähnesysteme ist dann ent­ scheidend für die tangentielle Ausrichtung. Hinzu kommt dann noch, daß eine falsche Anordnung nicht nur die Aus­ richtung, sondern auch die Größe der Drehmomente beein­ flußt, weil der in bezug auf die axiale Lage gemeinsame Teil der Höhe der Stator- und Rotorzähne, der in diesem Falle von der axialen Lage beider Zähnesysteme in bezug aufeinander abhängig geworden ist, für das Drehmoment entscheidend ist. Es ist daher zu bevorzugen, die Höhe entweder der Rotor- oder der Statorzähne kleiner als die der anderen zu wählen und diese betreffenden Zähne in bezug auf ihre Höhe auf beiden axialen Seiten innerhalb der axialen Seiten der anderen Zähne fallen zu lassen.

Ein Rotor eines Motors nach der Erfindung kann einfach dadurch hergestellt werden, daß in einem zylindrischen Körper schraubenlinienförmige Nuten angebracht werden, z. B. indem ein Fräsmeißel in axialer Richtung über die Oberfläche des Zylinders bewegt und inzwischen diesem Zylinder eine Drehbewegung erteilt wird. Wenn gesonderte Zähnesysteme auf diesem Rotor gewünscht sind, kann dann zunächst oder anschließend das Material zwischen diesen Zähnesystemen mittels einer dazu geeigneten Bearbeitung entfernt werden. Bei einer Situation nach Fig. 4 ist dann die Stelle, an der dieses Material entfernt, z. B. abgedreht wird, entscheidend für die tangentielle Ausrichtung des Rotors in bezug auf den Stator. Dieses Verfahren weist dabei den Vorteil auf, daß es verhältnismäßig einfach ist, während der Serienfertigung diese Ausrichtung dadurch zu ändern, daß eine andere Einstellung der verwendeten Bearbei­ tungsmaschine, z. B. einer Drehbank, gewählt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, von einer Rotorkon­ struktion nach Fig. 2 auszugehen, jedoch noch ohne die die Zähne definierenden schraubenlinienförmigen Nuten, und diese Nuten in allen vier Zähnesystemen in einer einzigen Bearbeitung anzubringen.

Das Prinzip nach der Erfindung ist bei jedem Motor mit axial voneinander getrennt angebrachten ringförmigen und drehsymmetrischen Zähnesy­ stemen anwendbar.

Claims (4)

1. Schrittmotor mit einem Stator (2), der wenigstens enthält:
einen ersten ringförmigen Statorteil (3) mit einer Ring­ spule (8) und einer diese Ringspule umschließenden, magne­ tisch leitenden Umhüllung (6) die in ein erstes (10) und ein zweites (11) ringförmiges Statorzähnesystem mündet;
einen zweiten ringförmigen Statorteil (4) mit einer Ring­ spule (9) und einer die Ringspule umschließenden, magne­ tisch leitenden Umhüllung (7), die in ein drittes (12) und ein viertes (13) ringförmiges Statorzähnesystem mündet; und
einen Rotor (1) mit einer mit dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Statorzähnesystem zusammenarbeitenden Rotor­ verzahnung (4, 15, 16, 17), wobei die Zähne der Statorzähnesysteme (10, 11, 12, 13) axial miteinander fluchten,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne der Rotorverzahnung auf dem Umfang des Rotors (1) derart angebracht sind, daß in der Rotoroberfläche schraubenlinienförmige Nuten (18) vorgesehen sind.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (14, 15, 16, 17) der Rotorverzahnung, was ihre axiale Höhe anbelangt, kleiner als die der damit zusammenarbeitenden Statorzähnesysteme (10, 11, 12, 13) sind und daß die Zähne der Statorzähnesysteme in axialer Richtung die damit zusammenarbeitenden Rotorzähne in beiden Richtungen überlappen.

3. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes (14), ein zweites (15), ein drittes (16) bzw. ein viertes (17) Rotorzähnesystem vorhanden ist, das mit dem ersten (10), dem zweiten (11), dem dritten (12) bzw. dem vierten (13) Statorzähnesystem zusammenarbeitet, wobei diese Rotorzähnesysteme dadurch gebildet sind, daß neben den genannten schraubenlinienförmigen Nuten (18) auch kreisförmige Nuten, die die genannten Rotorzähne­ systeme in axialer Richtung begrenzen, angebracht sind.

4. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne der Statorzähnesysteme (10, 11, 12, 13), was ihre axiale Höhe anbelangt, kleiner als die (14, 15, 16, 17) der damit zusammenarbeitenden Rotorverzahnung sind und daß die Zähne (14, 15, 16, 17) der Rotorverzahnung in axialer Richtung die damit zusammenarbeitenden Zähne der Statorzähnesysteme (10, 11, 12, 13) in beiden Richtungen überlappen.