CH625366A5 - - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Elektromotor mit mindestens zwei koaxialen Statorteilen, die je mit mindestens einer ringförmigen Spule versehen sind, wobei diese ringförmige Spule von einem Magnetkreis aus weichmagnetischem Material umschlossen ist, der in zwei 5 Anordnungen (10,11 bzw. 12,13) von Statorzähnen mündet, wobei die beiden Anordnungen von Statorzähnen jedes Statorteiles (4,5) durch ringförmige Teile gebildet sind, die am Innenumfang mit Zähnen versehen sind und die beide einen Teil des die ringförmige Spule umgebenden Magnetkreises bilden 10 sowie konzentrisch angeordnet sind, wobei der Magnetkreis jedes Statorteiles über einen Rotorteil mit Zähnen geschlossen ist, die mit den Statorzähnen über Luftspalte zusammenwirken, und die beiden Anordnungen (10, i 1 bzw. 12,13) der Statorzähne jedes Statorteiles oder zwei Anordnungen der Rotor- 15 zähne des Rotorteiles je um einen halben Zahnteilungsabstand gegeneinander versetzt sind, und wobei die beiden Anordnungen von Statorzähnen jedes Statorteiles mit bezüglich unterschiedlicher Statorteile abwechselnder Polarität vormagneti-sierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorteile (4,5) 20 längs axialer Ebenen in eine gerade Anzahl von Segmenten (4a, 4b,..., 5a, 5b,...) unterteilt sind, wobei für jeden Statorteil die Statorzähne (10a, 10b,..., IIa, IIb,..., 12a, 12b,..., 13a, 13b,...) jeweils zweier nebeneinanderliegender Segmente gegeneinander um einen halben Zahnteilungsabstand versetzt sind und für 25 jeden Statorteil (4,5) die beiden Anordnungen jeweils zweier nebeneinanderliegenden Segmente mit entgegengesetzten Polaritäten vormagnetisierbar sind.

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches. ss

Ein derartiger Motor eignet sich insbesondere als Schrittmotor und ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 14 503, Fig. 13, bekannt. Bei diesem Motor sind die Magnetisierungsmittel durch einen ringförmigen Dauermagnet gebildet, der axial magnetisiert ist und koaxial mit zwei Statorteilen zwi- 40 sehen diesen beiden Statorteilen liegt. Dieser Dauermagnet magnetisiert beide Zahnanordnungen jedes Statorteiles mit der gleichen Polarität, während die zu diesem Statorteil gehörige Ringspule beide Zahnanordnungen mit entgegengesetzter Polarität magnetisiert. Dadurch weist der Rotor eine bevor- 45 zugte Lage gegenüber den Zähnen einer der beiden Zahnanordnungen in Abhängigkeit von dem Erregungssinn dieser Ringspule auf. Diese beiden Lagen sind gegeneinander über einen halben Zahnteilungsabstand versetzt. Der andere Statorteil ist über einen Viertelzahnteilungsabstand gegen den einen 50 Statorteil versetzt, wodurch es vier bevorzugte Lagen gibt.

Wenn beide Statorspulen in der richtigen Reihenfolge erregt werden, führt der Rotor eine Drehbewegung, in Abhängigkeit-von der Art der Erregung synchron oder schrittweise, aus.

Bei diesem bekannten Motor ist das erzielte Drehmoment 55 als Funktion der Rotorlage nicht symmetrisch, d.h. das Drehmoment ist für die beiden möglichen Richtungen des Stromes in den Statorspulen nicht gleich gross. Diese Asymmetrie wird u.a. dadurch bewirkt, dass der magnetische Widerstand, der durch den Luftspalt gebildet wird, den der dauermagnetische w Ring bildet, nicht unendlich gross ist, wodurch für die Felder, die von den Statorspulen erzeugt werden, Magnetkreise über den dauermagnetischen Ring gebildet werden. Dadurch, dass die Richtung dieser Felder von der Richtung des Erregungsstromes durch diese Spulen abhängig ist, ist die Einstellung des 6s dauermagnetischen Ringes von der Erregungsrichtung abhängig, wodurch das genannte asymmetrische Drehmoment mit verursacht wird.

Die genannte Drehmoment-Asymmetrie kann auch dadurch auftreten, dass die magnetischen Widerstände von den Magnetisierungsmitteln zur Magnetisierung der Statorzähnesysteme zu jedem der beiden Zähnesysteme pro Statorteil ungleich sind. Auch andere Asymmetrien führen, in Abhängigkeit von der jeweiligen Ausführung des Motors, zu asymmetrischen Drehmomenten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei dem diese Asymmetrien ausgeglichen werden.

Der erfindungsgemässe Elektromotor ist durch die im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruches angeführten Merkmale gekennzeichnet.

Dadurch, dass von zwei nebeneinander liegenden Segmenten die Magetisierung entgegengesetzt gerichtet ist und die Zähne gegeneinander um einen halben Zahnteilungsabstand versetzt sind, sind die Asymmetrien im Drehmoment infolge jedes dieser Segmente gegenphasig und erscheinen nicht in dem insgesamt vom Rotor gelieferten Drehmoment.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles noch weiter erläutert. Es zeigen:

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

Fig. 2 eine Draufsicht auf diesen Motor,

Fig. 3 eine axialen Schnitt durch diesen Motor gemäss der Linie III-III in Fig. 2 und

Fig. 4 schematisch die gegenseitigen Lagen der Stator- und Rotorzähne dieses Motors.

Der in der Fig. 1 dargestellte Motor enthält einen Rotor 1, der aus einem zylindrischen Körper mit vier in einer zu der Achse A-A senkrechten Ebene liegenden kreisförmigen Scheiben 2 besteht, die am Umfang mit einem regelmässigen Muster von Rotorzähnen 3 versehen sind. Der Rotor 1 ist aus einem weichmagnetischen Material hergestellt.

Der Stator enthält zwei Teile 4 und 5, die je aus einer ringförmigen Spule 6 bzw. 7 besteht, die von einem Joch 8 bzw. 9 aus weichmagnetischem Material umschlossen ist, wobei diese Joche in ringförmige Verzahnungen oder Zahnanordnungen 10,11 bzw. 12,13 münden. Diese Verzahnungen liegen in derselben Ebene wie die Rotorscheiben 2 und bestehen alle aus einer gleichen Anzahl von Zähnen. Pro Statorteil sind die Zähne in den beiden Anordnungen 10,11 bzw. 12,13 über einen halben Zahnteilungsabstand gegeneinander versetzt, während die beiden Statorteile 4 und 5 gegeneinander über einen Vierteltei-lungsabstand versetzt sind (siehe auch Fig. 4).

Die beiden Statorteile sind axial voneinander durch einen Ring 14 aus dauermagnetischem Material getrennt, der axial magnetisiert ist. Der Ring 14 führt ein Magnetfeld herbei, dessen Verlauf in der linken Hälfte der Fig. 1 mit einer mit Pfeilen versehenen strichlierten Linie 16 angegeben ist. Für dieses Feld liegen die beiden Statorteile 4 und 5 und der Rotor 1 in Reihe, während pro Statorteil die beiden Luftspalten bei den Verzahnungen 10 und 11 bzw. 12 und 13 zueinander parallel liegen. Dadurch ist die magnetische Spannung infolge des dauermagnetischen Ringes 14 über jeweils diese zwei Luftspalte nahezu gleich und gleich gerichtet.

Die Ringspulen 6 und 7 führen, wenn sie mit einem im Uhrzeigersinn fliessenden Strom erregt werden, ein Feld herbei, dessen Verlauf in der rechten Hälfte der Fig. 1 mit mit Pfeilen versehenen strichlierten Linien 17 bzw. 18 angegeben ist. Der Magnetkreis für dieses Feld enthält pro Statorteil das Joch 8 bzw. 9, die beiden Zahnanordnungen 10,11 bzw. 12,13 und den Rotor. Infolgedessen weist die magnetische Spannung an den Luftspalten bei den Zahnsystemen jeweils eine entgegengesetzte Polarität auf, so dass stets bei Erregung der Spulen pro Statorteil die magnetische Spannung an einem der Luftspalte herabgesetzt und die magnetische Spannung am anderen Luft

spalt vergrössert wird, wodurch gleichsam in Abhängigkeit vom Erregungssinn der Spulen eines der beiden Zahnsysteme eines Statorteiles aktiviert wird. Wird eine Spule nicht erregt, so sind beide Zahnsysteme dieses Statorteils in gleichem Masse wirksam, und weil die Zahnsysteme über einen halben Zahnteilungsabstand gegeneinander versetzt sind, wird keine Kraft auf den Rotor ausgeübt.

Die Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Motor nach Fig. 1, wobei die obere Fläche des Joches 8 des Statorteiles 4 mit den Statorzähnen 10 und der Rotor 1 mit den Rotorzähnen 3 ersichtlich sind. Der Stator ist in vier mit a, b, c und d bezeichnete Segmente unterteilt, wobei die Buchstaben a, b, c und d als Zusätze zu den Bezugszeichen die Statorteile 4,5, Joche 8,9 und Zähne 10 bis 13 des jeweiligen Segmentes kennzeichnen. Die Segmente b und d sind ebenso wie die Segmente a und c identisch, während die Zähne 10a und 10c über einen halben Zahnteilungsabstand gegen die Zähne 10b und lOd versetzt sind. Dadurch sind die Zähne 10b und lOd über einen halben Zahnteilungsabstand gegen die Rotorzähne 3 versetzt, wenn die Zähne 10a und 10c gerade den Rotorzähnen gegenüberliegen. Die nicht sichtbaren Zähne 11 sind pro Segment a, b, c bzw. d über einen halben Zahnteilungsabstand gegen die Zähne 10 versetzt, während der andere Statorteil 5 wie erwähnt, über einen Viertelzahnteilungsabstand gegen den Statorteil 4 versetzt ist. Die vier Segmente a, b, c und d sind voneinander durch Luftspalte getrennt, damit das Feld des dauermagnetischen Ringes 14 nicht kurzgeschlossen wird.

Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt gemäss der Linie III-III in Fig. 2 durch den Motor. Der Ring 14 ist an der Stelle des Segments a gegensinnig zur Magnetisierung an der Stelle des Segments b magnetisiert, was mit den Pfeilen 19 und 20 angedeutet ist.

Wenn bei einem Erregungsstrom durch die Spule 6 die magnetische Spannung an den Luftspalten bei den Zahnanordnungen 10a und 10c relativ zur magnetischen Spannung an den Luftspalten bei den Zahnanordnungen 11 a und 11 c gross ist, trifft ähnliches in bezug auf die Zahnanordnungen IIb und 1 ld gegenüber den Zahnanordnungen 10b und lOd zu. Für die Zahnanordnungen 12 und 13 trifft auf entsprechende Weise ähnliches zu.

Die Fig. 4 zeigt schematisch die gegenseitigen Lagen der Statorzahnanordnungen 10,11,12 und 13, von denen nur die Segmente a und b dargestellt sind. Die Segmente c bzw. d nehmen in bezug auf die Rotorzähne 3 die gleichen Lagen wie die Segmente a bzw. b ein. Die Rotorzähne 3 sind in fünf Lagen Pi bis P5 dargestellt, wobei diese Lagen stets gegeneinander über einen Viertelzahnteilungsabstand versetzt sind. Die Anordnungen der Rotorzähne 3 in den Lagen Pi und P3 sowie in den

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Lagen P2 und P4 sind gegeneinander um je eine halbe Zahnteilung versetzt angeordnet.

Wenn angenommen wird, dass sich zu einem ersten Zeitpunkt die Rotorzähne 3 etwas vor den Statorzähnen 10a, 10c und somit ebenfalls etwas von den Statorzähnen 1 lb und 1 ld befinden, wird sich der Rotor bei Erregung der Ringspule 6 mit im Uhrzeigersinn fliessenden Strom und bei unerregter Ringspule 7 verschieben, bis sich die Rotorzähne 3 genau diesen Statorzähnen gegenüber befinden. Dies ist die Lage Pi in Fig. 4. Wenn nun die Spule 7 mit einem im Uhrzeigersinn fliessenden Strom erregt wird und die Spule 6 stromlos wird, wird die magnetische Spannung am Luftspalt bei den Statorzähnen 12a, 12c, 13b und 13d am grössten, während sich die Rotorzähne 3 einen Viertelteilungsabstand von diesen Statorzähnen befinden. Der Rotor wird dann angezogen, bis sich die Rotorzähne den letzteren Statorzähnen gegenüber befinden; dies ist die Lage P2. Ebenso wird sich dann, wenn die Spule 6 mit einem im Gegenuhrzeigersinn fliessenden Strom erregt wird und die Spule 7 stromlos wird, der Rotor in die Lage P3 bewegen, in der er mit seinen Zähnen 3 den Statorzähnen 1 la, 1 le, 10b und lOd gegenüberliegt; wenn danach die Spule 7 mit einem im Gegenuhrzeigersinn fliessenden Strom erregt wird und die Spule 6 stromlos wird, bewegt sich der Rotor in der Lage P4, in der er dann den Statorzähnen 13a, 13c, 12b und 12d gegenüberliegt. Der Rotor nimmt nun wieder in bezug auf die Statorzähne die gleiche Lage wie gerade von dem ersten Zeitpunkt ein, und es ist ein vollständiger Zyklus vollendet.

Obgleich die Fig. 2 und 3 eine Unterteilung in vier axiale Segmente zeigen, ist jede axiale Unterteilung in eine gerade Anzahl von Segmenten möglich, allerdings kann eine Unterteilung in zwei Segmente ungünstig sein, weil dann unausgewuchtete radiale Kräfte auf den Rotor ausgeübt werden. Auch ist es möglich, die Zähne 10,11,12 und 13 in der gleichen Lage anzuordnen und die unterschiedlichen Verzahnungen des Rotors gegeneinander um 0, V2, lU und 3I* eines Zahnteilungsab-standes zu versetzen.

Weiters ist es möglich, mehrere Statorteile zu verwenden.

Beim beschriebenen segmetierten Motor ist es möglich, den dauermagnetischen Ring 14 wegzulassen und durch Dauermagnete zu ersetzen, die in beiden Statorteilen zwischen den Segmenten an den in Fig. 2 angegebenen Stellen 35,36,37 und 38 angeordnet werden. Diese Dauermagnete sollen dann in bezug auf den Rotor in tangentialer Richtung magnetisiert sein, wobei die Magnetisierungsrichtung der Dauermagnete an den Stellen 35 und 37 der Magnetisierungseinrichtung der Dauermagnete an den Stellen 36 und 38 entgegengesetzt sein soll, wie mit den strichlierten Pfeilen in Fig. 2 angedeutet ist.

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2 Blatt Zeichnungen