Schrittmotor Gegenstand des Hauptpatentes ist ein Schrittmotor mit mindestens einem elektromagnetisch erregbaren Sta- tor und einem Rotor aus mindestens zwei Teilen, welcher Motor dadurch gekennzeichnet ist, dass die Rotorteile mindestens einen zweipoligen Dauermagneten besitzen, deren magnetische Achsen senkrecht auf der Rotorachse stehen, dass ferner der elektromagnetisch erregbare Sta- tor mindestens zwei Statorpolpaare aufweist, welche Teile eines oder mehrerer magnetischer Kreise bilden, deren magnetische Flüsse verschiedene Rotorteile durch dringen,
wobei die Statorpole jedes Statorpolpaares am zugeordneten Rotorteil einander diametral gegenüber liegen, derart, dass die magnetische Achse des dem einen Statorpolpaar zugeordneten Rotorteils in der Achse der Statorpole dieses Statorpolpaares liegt, wenn gleichzeitig die magnetische Achse des einem andern Statorpolpaar zugeordneten Rotorteils mit der Achse der Statorpole dieses andern Statorpolpaares einen zwischen Null und 180 liegenden Winkel bildet.
Hierbei sind die Stator- pole flach und praktisch in einer durch die Rotorachse gehenden Fläche liegend ausgebildet.
Eine bevorzugte Ausführungsform des durch das Hauptpatent geschützten Schrittmotors besteht darin, dass der Stator aus drei Statorpolpaaren und der Rotor aus drei als zweipolige Dauermagnete ausgebildeten Rotorteilen besteht, welche je einem Statorpolpaar zu geordnet sind und von dessen Magnetfluss durchdrungen werden, wobei die magnetischen Achsen der drei Rotor teile senkrecht zur Rotorachse stehen und in Drehrich tung zueinander um je 120 versetzt sind, und dass fer ner die drei Statorpolpaare zu einem einzigen magneti schen Kreis gehören, derart,
dass der magnetische Fluss eines Statorpolpaares jeweils über die beiden andern Statorpolpaare zurückfliesst, und durch Wechsel der Polarität der Magnetflüsse in den Statorpolpaaren der Rotor l20 Drehschritte ausführt, und der Schrittmotor somit dreiphasig arbeitet. Ein solcher Motor zeichnet sich insbesondere durch ein gästiges Verhältnis zwi schen Drehmoment und Trägheitsmoment aus.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die zuletzt beschriebene patentgeschützte Ausführungs- form so zu verbessern bzw. abzuändern, dass der opti mal mögliche Drehmoment und damit das - Verhältnis zwischen Drehmoment und Trägheitsmoment weiter ge steigert werden kann.
Dies wird bei einem Schrittmotor nach dem Patentanspruch des Hauptpatentes und bei dem der Stator drei Statorpaare und der Rotor drei als zweipolige Dauermagnete ausgebildete Rotorteile auf weist, welche Rotorteile je einem Statorpolpaar zugeord net und von dessen Magnetfluss durchdrungen sind, wo bei die magnetischen Achsen der drei Rotorteile senk recht zur Rotorachse stehen und in Drehrichtung zuein ander um je 120 versetzt sind, erfindungsgemäss da durch erreicht,
dass die je drei Statorpole zu beiden Seiten des Rotors durch je ein Joch miteinander ver bunden sind, welche beiden Joche ihrerseits durch min destens einen magnetischen Kurzschluss-Schenkel mit einander verbunden sind, wobei Statorpole, Joche und Kurzschluss-Schenkel zumindest angenähert in einer Ebene liegen und einen einzigen gemeinsamen Magnet kreis bilden, bei welchem jeweils eines der Polpaare in einer und die beiden anderen Polpaare in der hierzu entgegengesetzten Richtung magnetisierbar sind.
Bei der vorliegenden Erfindung wird es mit der An ordnung des magnetisch kurzschliessenden Schenkels möglich, die Induktion jeweils in allen drei Rotorteilen gleichzeitig auf einen gleichen, insbesonders den maximal zulässigen Wert zu steigern. Das ist aber eine grundle gende Vorraussetzung dafür, dass das Rotordrehmoment den grösstmöglichen Wert erreicht. Eine ausführliche Erläuterung hierzu wird später mit Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung gegeben.
In der Zeichnung ist neben Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ein Schrittmotor ohne Kurz- schluss-Schenkel wiedergegeben. Die Darstellungen sind schematisch.
Der in Fig. 1 wiedergegebene Schrittmotor stimmt mit dem in Fig. 29 des Hauptpatentes gezeigten Motor überein. Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen drei verschiedene Ausführungsbeispiele eines gemäss der vorliegenden Er findung ausgebildeten Motors in der Seitenansicht. Die Fig. 5, 6 und 7 geben Querschnitte nach den Linien V, VI und VII der Fig. 1 bis 3 wieder. Die Fig. 8 zeigt einen speziell ausgebildeten Rotor in schaubildlicher Darstellung.
In Übereinstimmung mit dem Hauptpatent sind die drei Statorpolpaare mit P'1- P"1, P'2 - P"2, P'3 - P"3 und die diesen zugeordneten Rotorteile mit la, 1b, 1c bezeichnet. Bei dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Motoren ist jeder einzelne Pol der Paare mit einer eige nen Erregerwicklung versehen. Hierbei sind die Wick lungen der Pole P'1, P"1, P'2, P"2, P'3, P"3 in der gleichen Reihenfolge mit W'1, W"1, W'2, W"2, W'3, W"3 bezeich net.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Motor weist der Stator nur auf einer Seite des Rotors bewickelte, mit Magnetspulen versehene Kerne auf, wogegen die gegen überliegende Seite des Stators aus einem unbewickelten, weichmagnetischen Brückenglied besteht.
Wie den Fig. 5 bis 7 zu entnehmen ist, sind die ma gnetischen Achsen N - S der drei Rotorteile 1a, 1b, 1c um je 120 gegeneinander verdreht. Die eingezeich nete momentane Lage der magnetischen Achsen des Rotors entsprechen den in Fig. 1 bis 4 gezeigten Ma gnetisierungsphasen.
Hierbei sind die momentanen Strom- flussrichtungen in den einzelnen Erregerspulen durch die Pfeile il, i2 und i3 und die durch diese Ströme in den Polpaaren P'1 - P"1, P'2 - P"2, P'3 - P"3 indu zierten magnetischen Flüsse (oil, 012, 013) durch Rich tungspfeile angedeutet. Die miteinander verketteten Feld linien sind durch die strichlinierten Linien kenntlich ge macht.
Die schrittweise Drehung des Rotors um jeweils 120 pro Schritt kommt dadurch zustande, dass die in den Fig. eingezeichneten Stromrichtungen il, i2, i3 für den ersten Schritt in -il, -i2, i3 für den zweiten Schritt in -il, i2, i3, für den dritten Schritt in il, i2, i3 ge ändert werden. Diese Stromrichtungsänderungen können beispielsweise mittels der in Fig. 29 des Hauptpatentes eingezeichneten Schaltung vorgenommen werden.
Dadurch werden bei jedem Schrittimpuls die Stator- polpaare durch die in den Polwicklungen fliessenden Ströme so magnetisiert, dass der magnetische Fluss in einem der Polpaare jeweils umgekehrt gerichtet ist wie der Fluss in den beiden anderen Schenkeln. Hierbei sind die induzierten Flüsse in allen drei Polpaaren dem Ab solutwert nach zumindest angenähert gleich gross.
Wenn man wie oben angegeben den im Polpaar P'1 - P"1 in duzierten Magnetfluss mit 0 il, den im Polpaar P'2 - P"2 induzierten Fluss mit 0 i2 und den im Polpaar P'3 - P"3 induzierten Fluss mit 0i3 bezeichnet, so gilt / oil / _ /012/=/0i3/=/Oil.
Im geschlossenen Statormagnetsystem des Motors gemäss Fig. 1 kann sich er in einem der Polarpaare induzierte magnetische Fluss nur über die beiden restli chen Polpaare schliessen. Für den Fall, dass der im Polpaar P'1-P", induzierte Fluss Oil entgegenge setzt zu den in den beiden restlichen Polpaaren P'2 - P"2 und P'3 - P"3 induzierten Flüssen 0 i2 und 0 i3 gerich tet ist, gelten bei Vernachlässigung der Streuung folgende Beziehungen:
EMI0002.0065
Mit der weiter oben angeführten Beziehung / 0i2 0i3 oi / ergibt sich daraus: 01 ,#, = 2 0#,i 0#,2 = O ,#,i 03 = Oi Analog erhält man für den Fall, dass 012 entgegen gesetzt zu 0 il und 0 i3 gerichtet ist:
0 1 = o i, 0 2 = 2 o i, o 3 - o i und wenn 0i3 entgegengesetzt zu 011 und 0i2 gerichtet ist: 0,-@1 = O@,i 02 = Oi 03 = 2 Oi Bei dem in Fig. 1 dargestellten Schrittmotor ist also der magnetische Fluss in einem der drei Polpaare jeweils doppelt so gross wie in jedem der beiden anderen Pol paare.
Bei gleich grossen Polflächen folgt daraus, dass die magnetische Induktion
EMI0002.0094
(F. . Polfläche) in einem der drei Rotorteile la, 1b, 1c jeweils doppelt so gross ist als in den beiden anderen Rotorteilen. Nun darf aber die Induktion in den Rotorteilen einen be stimmten Maximalwert nicht überschreiten, da sonst die Rotor-Dauermagnete unmagnetisiert würden.
Dies be deutet, dass beim Motor gemäss Fig. 1 jeweils nur in einem einzigen der Polpaare die maximal zulässige In duktion auftreten kann, wogegen in den beiden anderen Polpaaren jeweils nur die Hälfte dieses Wertes erreichbar ist. Die dem Rotordrehmoment dadurch gesetzte Schran ke wird durch die vorliegende Erfindung beseitigt. Dies ist nachstehend erläutert.
Bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Er findung ist durch den die beiden Joche J1 und J2 ma gnetisch kurzschliessenden Schenkel SK ein Weg ge schaffen, über den sich die in den einzelnen Polpaaren induzierten magnetischen Flüsse Oli, 02i und 03i schliessen können. Dadurch wird verhindert, dass sich diese Flüsse in den Polpaaren gegenseitig beeinflussen. Es kann immer erreicht werden, dass die Induktionen in allen drei Rotorteilen l a,<B>l b,</B> l c praktisch gleich gross sind. Daher kann die Induktion in allen drei Pol paaren jeweils gleichzeitig auf den maximal zulässigen Wert gesteigert werden.
Bei einem aus Ferrit bestehen den Rotor-Dauermagnet liegt der zulässige Induktions wert B bei etwa 3000 Gauss. Da alle drei Rotorteile gleichzeitig zum Gesamtdrehmoment beitragen, hängt dessen Grösse von der Summe der den einzelnen Rotur teilen erteilten Drehmomente ab. Daher ist das dem Ro tor erteilte Drehmoment der Summe der magnetischen Induktionen in den drei Roturteilen proportional.
Je grösser diese Summe, desto grösser das Rotordrehmo- ment. Da die optimale Schrittgeschwindigkeit des Mo tors im wesentlichen vom Verhältnis zwischen Drehmo ment und Trägheitsmoment abhängt, wächst die Schritt geschwindigkeit mit dem Rotordrehmoment. Demnach ist auch die Schrittgeschwindigkeit der Summe der In duktionen proportional.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Schrittmoor ist zu beiden Seiten der drei Polpaaren P'1 - P"1, P'2 - P" 2, P'3-P"3 je ein Kurzschluss-Schenkel SKl bzw. SK2 angeordnet. Hierdurch wird in jeder der drei Magneti- sierungsphasen der Kurzschlusspfad abgekürzt und der magnetische Kurzschluss zwischen den beiden Jochen J1 und J2 verbessert.
Bevorzugt kann wieder ein Rotor zur Anwendung gelangen, bei welchem die drei Rotorteile 1a, 1b, 1c zu einem einzigen Dauermagnetstab vereinigt sind und sich nur durch die in Drehrichtung verschieden gerichteten magnetischen Achsen unterscheiden. Ein solcher Rotor ist in Fig. 8 schaubildlich dargestellt.