DE3110282A1 - Schrittschaltmotor - Google Patents
SchrittschaltmotorInfo
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- H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
- H02K1/2706—Inner rotors
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- H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
- H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
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- H02K37/10—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type
- H02K37/12—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type with stationary armatures and rotating magnets
- H02K37/14—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
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Description
Schrittschaltmotor
Die Erfindung betrifft einen Schrittschaltmotor mit einem Stator, der mindestens ein Joch aufweist, das
eine Magnetstrecke bildet und auf dem eine Spule aufgewickelt ist, sowie mit einem drehbar im Stator angeordneten
Rotor, der mindestens eine im Stator drehbar gelagerte Welle aufweist, die einen zylindrischen aus
Ferrit bestehenden Permanentmagneten trägt, der in bezug auf die Welle symmetrisch ausgebildet ist, wobei
der vom Permanentmagneten erzeugte Magnetfluß durch das Joch hindurchgeht.
Ein derartiger Schrittschaltmotor ist beispielsweise in der US-PS 41 27 802 beschrieben. Dieser Motor weist
einen magnetisch gezahnten Rotor und einen Stator mit einer Spule auf. Wird ein Impulssignal an die Spule des
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Stators angelegt, dann dreht sich der Rotor um einen vorbestimmten Winkel.
Bei den bekannten Impulsmotoren weist der Rotor einen Permanentmagneten auf oder besteht selbst aus einem Permanentmagneten,
der aus einem Ferritmaterial besteht, welches relativ preisgünstig ist. Dieses Ferritmaterial
weist jedoch den Nachteil auf, daß sein magnetischer Widerstand bzw. seine Reluktanz mit ansteigender Temperatur
ansteigt. Ist also die Temperatur des Motors hoch, dann wird der durch den Permanentmagneten erzeugte Magnetfluß
vermindert, was dazu führt, daß das vom Motor erzeugte Drehmoment vermindert wird. Da sich die Temperatur
des Motors bei langem kontinuierlichem Betrieb erhöht,
ist die Verminderung des Motordrehmoments unvermeidlich. Um dieses Problem zu vermeiden, ist es bekannt,
einen überdimensionierten Motor zu verwenden, der ein höheres Drehmoment erzeugt, wodurch erreicht wird, daß
auch bei hohen Temperaturen das gewünschte hohe Drehmoment vorhanden ist. Dies bedeutet jedoch, daß der Motor
größer und schwerer wird im Vergleich zu einem Motor, welcher lediglich bei niedrigen Temperaturen arbeitet.
Es besteht die Aufgabe, den Motor so auszubilden, daß auch bei höheren Temperaturen der Motor ein hohes Drehmoment
erzeugt.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1· Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen
entnehmbar.
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Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Schrittschaltmotor;
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt entsprechend der Fig. 2 im Zustand bei höheren
Temperaturen;
Fig. 4 einen Querschnitt bei einer weiteren Ausflihrungsform;
Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 1;
Fig. 6 eine Explosionsdarstellung der Bauteile des Motors nach Fig. 1;
Fig. 7A verschiedene Arbeitslagen des
7ß Motors nach Fig. 1 zur Erläuterung von dessen Betrieb;
Fig. 8 ein Diagramm des Stromverlaufs
der die Statorspule durchfließenden
Stroms und
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Fig. 9 eine Draufsicht auf den Rotor nach Fig. 1 zur Verdeutlichung
von dessen Polarisierung.
Bei dem Motor nach Fig. Jl ist die Statorspule 1 auf einen Spulenkörper 2 aufgewickelt. Dieser Spulenkörper 2 umgibt
ein Joch 3, welches eine Magnetstrecke bildet und in das die Lager 4 eingesetzt sind, welche drehbar die
Motorwelle 5 lagert. Auf der Motorwelle 5 ist angeordnet ein zylindrischer Permanentmagnet aus einem Ferritmaterial
Wird der Spule 1 ein impulsförmiges Eingangssignal zugeführt,
dann dreht sich der Rotor mit seiner Welle um einen vorbestimmten Winkel bei jedem Impuls.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt längs der Linie B-B, aus
welchem hervorgeht, daß das Joch 3 gezahnt ist und die Teilung der Zahnung ρ beträgt. Die gestrichelten Pole
bzw. Zähne gehören zur zweiten Phase, während die ausgezogen dargestellten Pole oder Zähne die erste Phase
bilden. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 beträgt die Teilung ρ 22,5 Grad (= 360 / 16).
In Fig. 6 ist der Motor mit seinen Einzelteilen dargestellt. Mit la ist die Spule der ersten Phase, mit Ib
die Spule der zweiten Phase bezeichnet. Ein erstes, zweites, drittes und viertes Joch 3a - 3d weisen jeweils
vier Zähne bzw. Pole 7 auf, welche jeweils um 90 Grad versetzt zueinander angeordnet sind. Diese Zähne 7 werden
durch Stanzen und Umbiegen erzeugt. Die Joche werden so ineinandergesteckt, daß die Zähne bzw. die Pole 7
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um jeweils 22,5 Grad versetzt zueinander angeordnet sind.
Mit 8a und 8b sind Gehäuseteile bezeichnet, welche die Lager 9a und 9b tragen. Die beiden Gehäuseteile 8a und 8b
werden beispielsweise durch Löten oder Schweißen miteinander verbunden, wenn die Einzelteile zusammengebaut sind.
Die Arbeitsweise des Motors wird nachfolgend anhand der Figuren 7A bis 7D und anhand der Fig. 8 beschrieben.
Der Einfachheit halber wird vorausgesetzt, daß das Joch 3 vier Zähne bzw. Pole und der Permanentmagnet 6 zwei
Magnetpole aufweist.
Wenn keine Spule bestromt ist dann stehen die Magnetpole
N, S des Permanentmagneten 6 zwei Polen des Jochs 3 gegenüber und der Rotor steht still. Dies ist in Fig. 7A dargestellt.
Als nächstes sei vorausgesetzt, daß das Signal der Fig. 8A der Spule la der ersten Phase und das Signal
der Fig. 8B der Spule Ib der zweiten Phase zugeführt wird. Während der Impulsdauer (1) der Fig. 8 werden die Zähne
des Joches 3 entsprechend der Fig. 7B magnetisiert, wodurch der Rotor mit dem Magneten 6 und der Welle 5 im
Uhrzeigersinn um 45 Grad dreht, wie dies die Fig. 7B zeigt. Während der Dauer (2) nach Fig. 8 werden die Zähne des
Joches 3 magnetisiert entsprechend der Fig. 7C, wodurch der Rotor im Uhrzeigersinn um weitere 90 Grad sich dreht.
Während der Impulsdauer (3) nach Fig. 8 wird das Joch 3 entsprechend der Fig. 7D magnetisiert, so daß der Rotor
im Uhrzeigersinn um weitere 90' Grad sich dreht.
Dies bedeutet also, daß der Rotor sich jeweils um 90 Grad dreht, wenn die Stromrichtung in der Spule la oder Ib
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wechselt mit Ausnahme des Anlaufs während der Impulsdauer (1) nach Fig. 8, wenn den Spulen la und Ib ein zweiphasiger
impulsförmiger Wechselstrom zugeführt wird, bei welchem
die Phasen um 90 Grad verschoben sind, wie dies die Fig. 8 zeigt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 weist das Joch 3 acht Zähne für jede Phase auf, d.h. sechzehn Zähne für
beide Phasen. Der Drehwinkel bei jedem Stromwechsel beträgt demnach 22,5 Grad (= 360 / 16). Dementsprechend
weist der Rotor nach Fig. 6 acht Magnetpole auf, wobei die Nordpole und die Südpole entsprechend der Fig. 9 abwechselnd
angeordnet sind.
Nachfolgend werden die Eigenschaften des Motors beschrieben, wenn sich die Temperatur ändert.
Die Welle 5 des Motors besteht aus Stahl oder einer Stahllegierung,
deren magnetischer Widerstand bzw. Reluktanz mit wachsender Temperatur der Welle 5 ansteigt, d.h. der
Magnetfluß durch die Welle 5 nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Vorzugsweise besteht die Legierung aus einer
Fe-Ni-Co-Legierung, wie sie beispielsweise von der Firma Sumitomo Tokushu Kinzoku Co.Ltd. in Tokio/Japan unter der
Bezeichnung MS-I, MS-2 und MS-3 hergestellt wird. Die Legierung MS-2 weist einen Temperaturkoeffizienten der
Magnetflußdichte von -0,8 %/°C.
Die Verteilung des Magnetflusses im Motor der Fig. 1 wird
anhand der Fig. 2 und 3 nachfolgend erläutert.
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Es sei vorausgesetzt, daß der Permanentmagnet aus Ferrit einen Fluß 0 erzeugt. Ein Teil 0, des Gesamtflusses 0
tritt nach außen aus dem Rotor aus und ergibt in Verbindung mit der Statorspule 1 das Drehmoment des Motors.
Ein anderer Teil 02 des Gesamtflusses 0 schließt sich
über die Welle 5 des Rotors kurz. Der Gesamtfluß genügt also folgender Formel:
0 = P1 + 02
Ist die Temperatur des Rotors gering, dann ist die Flußdichte, wie sie vom Permanentmagneten erzeugt wird, groß,
d.h. der Wert des Gesamtflusses 0 ist groß. Diese Verhältnisse
sind in Fig. 2 gezeigt.
Steigt jedoch die Temperatur des Magneten 6 an, dann erzeugt der Permanentmagnet 6 einen geringeren Fluß und der
Wert des Gesamtflusses 0 wird dadurch geringer wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Hierbei ist zu bemerken, daß die
Welle 5 und der Magnet 6 fest miteinander verbunden sind, so daß der Magnet 6 und die Welle 5 im wesentlichen die
gleiche Temperatur aufweisen. Infolge des höheren magnetischen Widerstandes der Welle 5 bei höherer Temperatur
nimmt der Fluß 02 durch die Welle 5 ab. Hierbei ist der
Motor so auszulegen, daß die Abnahme des Flusses 02 durch
die Welle 5 im wesentlichen gleich ist mit der Abnahme des Gesamtflusses 0 bei erhöhter Temperatur, so daß unabhängig
von der Temperatur der Fluß 0-, im wesentlichen gleichbleibt, was bedeutet, daß das vom Motor erzeugte
Drehmoment trotz einer Änderung der Temperatur und trotz einer Änderung des Gesamtflusses 0 sich nicht ändert.
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Auf diese Weise werden Temperaturänderungen in bezug auf das Drehmoment völlig kompensiert.
Die Fig. 4 zeigt einen weiteren Querschnitt eines Rotors gemäß der Erfindung, bei welchem die Welle aus einer
inneren Stahlwelle 5a be'steht, welche von einer zylindrischen Hohlwelle 5b umgeben ist. Der aus Ferrit bestehende Permanentmagnet ist mit 6 bezeichnet. Die innere
aus Stahl bestehende Welle 5a weist unabhängig von Temperaturänderungen konstante magnetische Eigenschaften auf.
Die Hohlwelle 7 dagegen, welche die Welle 5a umgibt, besteht aus einer Legierung, welche bei höheren Temperaturen den Magnetfluß vermindert. Der Fluß 0,, der in Verbindung steht mit der Spule 1 kann dadurch unabhängig
von Temperaturänderungen konstant gehalten werden. Die Abnahme und/oder Zunahme des Flusses durch die Hohlwelle
7 kompensiert also eine Veränderung des Gesamtflusses 0
des Permanentmagneten mit der Temperatur. Durch Wahl des Verhältnisses des Radiuses r, der Welle 5a zum Radius r«
der Hohlwelle 7 können die Eigenschaften des Motors entsprechend ausgelegt werden. Dieses Verhältnis r2/rl ^st
so gewählt, daß der äußere Fluß 0,, der in Verbindung steht mit der Spule 1 unabhängig von Temperaturänderungen konstant bleibt.
Das Wesen der Erfindung besteht also darin, daß die Welle des Motors oder mindestens ein Teil der Welle aus einem
Stahl oder einer Stahllegierung besteht, bei welcher der Fluß mit höherer Temperatur abnimmt. Obwohl der Fluß,
den der aus einem Ferritmaterial bestehende Permanentmagnet erzeugt, mit höherer Temperatur abnimmt, wird
diese Abnahme des Gesamtflusses kompensiert durch eine
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Abnahme des durch die Welle gehenden Magnetflusses, so
daß der äußere Magnetfluß 0,, welcher in Verbindung steht mit der Statorspule, sich nicht verändert, so daß das
Drehmoment des Motors unabhängig von Temperaturänderungen konstant bleibt.
Auf diese Weise ergibt sich ein kleiner Schrittschaltmotor, welcher sowohl bei hohen als auch bei niedrigen
Temperaturen ein relativ großes und konstantes Drehmoment erzeugt.
- 12 -
L e e r s e 11 e
Claims (2)
1. ^Schrittschaltmotor mit einem Stator, der mindestens
—^ein Joch aufweist, das eine Magnetstrecke bildet und
auf dem eine Spule aufgewickelt ist, sowie mit einem drehbar im Stator angeordneten Rotor, der mindestens
eine im Stator drehbar gelagerte Welle aufweist, die einen zylindrischen aus Ferrit bestehenden Permanentmagneten
trägt, der in bezug auf die Welle symmetrisch ausgebildet ist, wobei der vom Permanentmagneten erzeugte
Magnetfluß durch das Joch hindurchfließt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Welle aus einem Material besteht, bei dem der magnetische
Widerstand mit wachsender Temperatur anwächst und das Joch aus einem Stahl besteht, dessen magnetischer Widerstand
unabhängig von Temperaturänderungen konstant ist.
2. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle aus einem
inneren zylindrischen Wellenteil und einem hohlzylindrischen
äußeren Wellenteil besteht, wobei der innere Wellenteil aus einem Material hergestellt ist,
dessen magnetischer Widerstand sich mit der Temperatur
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nicht ändert, während das äußere Wellenteil aus einem
Material hergestellt ist, dessen magnetischer Widerstand mit sich erhöhender Temperatur anwächst.
Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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