DE69201192T2 - Schnitt-oder synchronsparmotor. - Google Patents
Schnitt-oder synchronsparmotor.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zweiphasen-Motor des Typs Schritt- oder Synchronmotor umfassend einen Rotor mit dünnen Permanentmagneten mit alternierenden Polen. Der Motor dieses Typs umfaßt außerdem mehrere Statorpole, die unabhängig voneinander durch mindestens zwei Stromquellen im Phasenverhältnis zueinander erregt werden müssen, um die Rotation des Rotors in die eine oder die andere Richtung zu bewirken. Motoren dieser Art finden in mehreren Bereichen Verwendung, insbesondere bei Büromaschinen wie Drucker, Facsimilegeräte, Fotokopierer oder bei Haushaltsgeräten. In mehreren anderen Bereichen erfordert eine steigende Anzahl an Einrichtungen eine Motorisierung. So werden in Personenkraftwagen die motorisierten Steuerungen immer zahlreicher, wie bspw. zur Verstellung der Sitze, der Lüftungsklappen, der Einstellung der Scheinwerfer. Aus diesem Grunde beobachtet man wachsende Anforderungen im Hinblick auf die Reduzierung der Herstellkosten solcher Zweiphasen-Schritt- oder - Synchronmotoren. Andererseits stellen Motoren gemäß dem Stand der Technik im allgemeinen Bauteile für sich dar, welche mit unabhängig konzipierten Vorrichtungen mittels Verbindungs- und Kopplungsorganen zusammenwirken.
- Insbesondere wird bei dem Anwendungsfall einer automatischen Regelung der Klimatisierung eines Fahrzeugs gemäß dem Stand der Technik eine Positionssteuerung verwendet, die einen Gleichstrom-Kollektormotor umfaßt, welcher die Lüftungsklappe mittels eines Untersetzungsgetriebes steuert. Um eine digitale Steuerung zu ermöglichen wird der Gleichstrommotor durch einen Schrittmotor ersetzt. Dies zieht andererseits das Auswechseln der Verbindungsorgane nach sich und macht oft eine vollständige Neugestaltung der Luftklappensteuerung nötig. In der Regel wird der neue Motor von einem Sublieferanten gekauft, der ein standardisiertes zusammengebautes und getestetes Teil liefert. Die Maße eines solchen Teils, das außer Rotor und Stator Lager und ein Gehäuse integriert, sind nicht immer mit dem zu steuernden Mechanismus zu vereinbaren.
- Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Synchron- oder Schrittmotor zu schaffen, der mit dem Rest des Mechanismus integriert werden kann, den er steuert. Der erfindungsgemäße Motor kann somit in Einzelteilen geliefert werden, die zwischen zwei Gehäuseteilen integriert werden können, welche außerdem das Getriebe tragen, das bspw. eine Lüftungsklappe steuert. Diese Art des Zusammenbauens wird dadurch erleichtert, daß der erfindungsgemäße Motor vom einstufigen Typ ist. Der Preis des erfindungsgemäßen Motors verringert sich durch die Definition von dessen Einzelkomponenten, deren Herstellung der Bestandteile wirtschaftlich günstig ist, und durch die optimale Konzeption der Anordnung der verschiedenen Teile des Rotors und des Stators sowie deren Zusammenbau. Insbesondere ist die in dem erfindungsgemäßen Motor verwendete Eisen- und Kupfermasse geringer als bei Konkurrenzprodukten mit gleichem Moment und gleicher Schrittanzahl pro Umdrehung.
- Der erfindungsgemäß Motor umfaßt ein erstes Statorteil, welches mit mindestens zwei elektrischen Spulen zusammenwirkt, ein zweites Statorteil, welches den mindestens teilweisen Schluß des Magnetflußes gewährleistet, und einen Rotor, welcher 2N dünne, quer magnetisierte und in der Weise alternierend angeordnete Magnete umfaßt, daß auf jeder seiner Flächen abwechselnd positive und negative magnetische Pole entstehen. Der Rotor weist auf jeder seiner Flächen fünf Polpaare auf, und das erste Statorteil besteht aus zwei identischen Statorstücken von hoher magnetischer Permeabilität, die jeweils zwei Statorpole aufweisen, welche durch ein Mittelteil verbunden sind, wobei das Mittelteil von einer Wicklung umgeben ist, deren Länge im wesentlichen der Öffnungsbreite des Statorteils entspricht.
- Die Achse der Spulen ist im wesentlichen in der Mittelebene des Magnets und der Statorstücke aus weichem Material senkrecht zur Rotationsachse angeordnet. Jedes gewickelte Statorstück bildet mit der den Fluß schließenden Zone des zweiten Statorstücks eine Phase des Stators des Zweiphasen-Motors. Die Mittellinien der beiden Pole sind um etwa 1,5 Schritte beabstandet. Das zweite Statorteil besteht aus einem Material von hoher magnetischer Permeabilität und weist vier Zonen auf, welche jeweils den vier Statorpolen entsprechen, wobei die vier Zonen jeweils zu zweit verbunden sind, um den Schluß des Magnetflußes jedes der Statorteile zu gewährleisten. Die Wahl von fünf Polpaaren ist besonders vorteilhaft; dies entspricht der minimalen mit einer ebenen zweiphasigen, einstufigen Struktur kompatiblen Polzahl, wobei jedes Element der Statorstruktur aus einem Stück oder einer Schichtung durch Zuschnitt eines Blechs aus einem weichen, permeablen magnetischen Material herstellbar ist; andererseits wird dadurch die Wicklung mit geordneten Lagen ermöglicht.
- Im Fall einer Struktur mit einer größeren Polzahl, z.B. sechs, wurde nämlich entweder, bei einem Motor mit Polen von konstanter Größe, ein Polpaar unbenutzt bleiben, und der Rotor würde somit teurer werden und ein größeres Trägheitsmoment aufweisen, oder, bei einem Motor mit einem konstanten Rotordurchmesser, das Moment wäre geringer.
- Aufgrund seiner Struktur ist der erfindungsgemäße Motor besonders geeignet für moderne, starke und wirtschaftliche, im Druck- oder Spritzverfahren geformte Magnete des Typs Neodym-Eisen.
- Gemäß einer ersten Variante betrifft die Erfindung einen Zweiphasen-Schritt- oder Synchronmotor, dessen Rotor aus einer quer magnetisierten Scheibe besteht und zehn alternierend positiv und negativ magnetisierte Zonen aufweist. Diese Zonen weisen die Form von 36º-Winkelsektoren auf, welche alternierend und senkrecht zur Scheibenoberfläche magnetisiert sind. Dieser Ausführungmodus ist dann von Vorteil, wenn der Raumbedarf in der Höhe auf ein Minimum reduziert werden muß.
- Die Erfindung betrifft gemäß einer bevorzugten Variante einen Zweiphasen-Schritt- oder -Synchronmotor, dessen Rotor aus einem radial magnetisierten Ringmagnet besteht und zehn alternierend positiv und negativ magnetisierte Zonen aufweist. Jede dieser Zonen weist eine Ziegelform mit einer Winkelöffnung von 36º auf. Diese Ausführungsform wird bevorzugt, weil er die axialen und radialen Störkräfte auf die Rotorachse reduzieren hilft, welche durch nicht vollkommen ausbalancierte Magnetkräfte aufgrund von Herstellungstoleranzen entstehen.
- Vorzugsweise beträgt die Winkelöffnung der Mittellinie beider Pole eines jeden Polstücks etwas mehr als 108º. Diese Ausführungsform ermöglicht es, ohne Strom das Restmoment auf 20 Perioden pro Umdrehung zu verringern und nebenbei die Länge der einfach spulbaren Wicklung zu erhöhen.
- Gemäß einer besonderen Ausführungsform bestehen die Statorteile aus einer Schichtung von zugeschnittenen, ca. 0,5 mm dicken magnetischen Blechen, vorzugsweise aus Eisen-Silizium. Diese Ausführungsform ermöglicht die Herstellung von Statorstrukturen, deren Dicke nicht begrenzt ist.
- Gemäß einer Ausführungsvariante der Spulen bestehen die Wicklungen aus einem elektrischen Draht, der direkt auf dem Mittelteil des Statorteils gespult ist. Obwohl die erste Windungsschicht in diesem Fall kurzgeschlossen ist, weist diese Lösung Vorteile auf durch das Weglassen eines Gehäuses oder einer Isolierschicht, was das Herstellverfahren vereinfacht und die Kosten reduziert.
- Gemäß einer weiteren Variante sind die Wicklungen um das Mittelteil eines jeden Statorteils umgebende Isoliergehäuse gespult, wobei diese Gehäuse entweder aus einem gegossenen und geschlitzten Einzelteil besteht oder aber aus mehreren komplementären Teilen, die beim Zusammenbauen eine Isoliermuffe bilden.
- Vorteilhafterweise besteht der Rotor aus einer mit der Drehachse koaxial angeordneten, rohrförmigen Hülse mit Verbindungszonen zur Rotationsachse, wobei die rohrförmige Hülse den rohrförmigen Magneten auf mindestens einem Teil seiner Höhe stützt.
- Die Statorstücke sind auf einer Trägerplatine angeordnet und befestigt, die komplementäre Aufnahmen und Stifte umfaßt, welche die Statorstücke aufnehmen und in ihrer Position halten können. Die genannte Platine kann aus einer gedruckten Schaltung bestehen.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante ist das zweite Statorteil fest und gezahnt. Diese Ausführungsform ermöglicht es einerseits, die Trägheit des Rotors zu verringern, und andererseits durch das Vorhandensein einer Zahnung auf jeder Seite des dünnen Magnets das Moment zu erhöhen. Diese Charakteristika sind für Anwendungen von Vorteil, bei denen hohe Beschleunigungen verlangt werden. Außerdem wird man dadurch von den Kompatibilitätsmängeln zwischen den jeweiligen Dehnungskoeffizienten eines Eisenteils und eines gegossenen Magnets unabhängig.
- Bei jeder der oben genannten Ausführungsvarianten, ob scheibenförmiger oder zylinderförmiger Rotor, besteht eine erste Variante der Erfindung darin, daß das zweite Statorteil mit dem Rotor zusammenwirkt. Diese Ausführungsform ermöglicht die Schaffung eines Rotors von hoher Steifigkeit und somit von hoher mechanischer Festigkeit, was ein vorteilhaftes Kennzeichen für die Schaffung eines sehr zuverlässigen Zweiphasen-Schritt- oder Synchronmotors darstellt.
- Die vorliegende Erfindung wird anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen dabei:
- Fig. 1 eine transversale Schnittansicht, und
- Fig. 2 eine Schnittansicht gemäß BCDEF.
- Der Schrittmotor gemäß dem beschriebenen Beispiel umfaßt eine Statorstruktur und einen Rotor. Die Statorstruktur umfaßt ein aus zwei Statorstücken 1, 2 gebildetes erstes Statorteil, wobei jedes Statorstück jeweils mit einer Spule 3, 4 magnetisch gekoppelt ist, und ein innerhalb des röhrenförmigen Rotors 6 angeordnetes zweites Statorteil 5.
- Der harte magnetische Teil des Rotors weist zehn Zonen 7 bis 16 in Form von radial und alternierend magnetisierten Ziegeln auf, so daß alternierend ein SÜD-Pol auf der Innenseite des Rotors und ein SÜD-Pol auf dessen Außenseite entstehen. Ein jedes der magnetisierten Teile umfaßt einen Winkelsektor von 36º. Das zylinderförmige Magnet kann durch Zusammensetzen unabhängiger magnetisierter Teile oder durch Magnetisierung der verschiedenen Zonen eines Ringes hergestellt werden; dieser kann vorzugsweise durch Druck- oder Spritzguß einer Legierung aus plastischem Neodym-Eisen mit hohem Koerzitivfeld entstehen, mit einer im wesentlichen linearen B(H) Charakteristik im zweiten Quadrant, wie z.B. Magnete, die unter der Bezeichnung "NP8L" von der DAIDO STEEL CORPORATION vertreiben werden und auf der Grundlage eines von GENERAL MOTORS unter der Bezeichnung "MQI" vertriebenen Pulvers hergestellt sind. Es kann ebenfalls ein Material mit radialer Orientierung verwendet werden wie das "SAMLET 9R" von EPSON.
- Die zwei das erste Statorteil bildenden Statorstücke 1, 2 sind zur die Rotationsachse 18 des Rotors enthaltenden Mittelebene 17 des Motors mit der symmetrisch angeordnet. Die Statorstücke 1, 2 sind symmetrisch zu Ebenen 29 und 30, welche einen Winkel von 162º einschließen, d.h. 81º zur Mittelebene 17 des Motors. Jedes der Statorstücke 1, 2 weist zwei Statorpole 19, 20 bzw. 21, 22 auf, welche jeweils durch ein Mittelteil 23 bzw. 24 verbunden sind. Die Breite eines Statorpols ist im wesentlichen kleiner als die Breite einer der magnetisierten Zonen 7 bis 16 und entspricht ca. 28º. Sie weist eine konkave Fläche auf, deren Radius leicht größer ist als der Außenradius des Rotors. Die Höhe eines jeden der Statorpole 19 bis 22 entspricht der Höhe des magnetisierten Teils des Rotors 6. Der Winkelabstand zwischen den Symmetrieachsen 25, 26 bzw. 27, 28 der jeweiligen Statorpole 19, 20 bzw. 21, 22 beträgt 108º + β, wobei β 0º beträgt, wenn man auf die Kompensierung der magnetostatischen Momente (bei Stromlosigkeit) verzichtet, oder aber nahezu 9º, wenn man versucht, die 4. Harmonische zu 20 Perioden pro Umdrehung zu kompensieren. Eine 2. Harmonische zu 10 Perioden pro Umdrehung wird automatisch kompensiert durch das Vorhandensein von zwei Phasen in 90º- Phasenverschiebung.
- Die Statorstücke 1, 2 gemäß dem beschriebenen Beispiel sind durch Sinterung eines weichen magnetischen Materials hergestellt. Die Mittelteile 23, 24 haben einen rechteckigen Querschnitt und setzen sich auf jeder Seite in den gebogenen Abschnitten 31 bis 34 fort , deren Enden die Statorpole 19 bis 22 bilden. Die monolithische Ausführung jedes Statorstücks 1, 2 ist besonders vorteilhaft, denn sie ermöglicht die Vermeidung jeder Art magnetischer Verbindung in Flußrichtung.
- Jedes Statorstück 1, 2 trägt eine Spule 3, 4 und ist mit dieser magnetisch verbunden. Diese Spulen sind direkt auf den Statorstücken gewickelt, um die Anzahl an Bestandteile des Motors zu reduzieren und den Herstellvorgang zu vereinfachen. Es kann daher zu einem Kurzschluß der ersten Lage kommen, der mit einer Erhöhung der Anzahl an Umdrehungen kompensiert werden muß.
- Wenn dieser Nachteil jedoch vermieden werden soll, kann eine Isoliermuffe verwendet werden, die aus zwei komplementären, um die Mittelteile 23, 24 der Statorstücke zusammenzusteckenden Teilen besteht. Deren Anbringung ist einfach, und sie verhindert den Kurzschluß der ersten Lage. Diese Muffen können evtl. die Verbindungsschuhe der Wicklung tragen.
- Die Länge der Wicklungen 3, 4 ist begrenzt auf die Öffnung der Statorstücke 1, 2, welche der Distanz zwischen den Innenrändern 35, 36 oder 37, 38 eines entsprechenden Statorstücks 1 oder 2 entspricht.
- Das zweite Statorteil 5 ist mit dem Rotor 6 koaxial angeordnet. Es ist ebenfalls aus einem weichen gesinterten Material oder durch Schichtung von zugeschnittenen Blechen hergestellt. Der geschichtete Stator ist von Vorteil, wenn hohe Rotationsgeschwindigkeiten (bspw. über 200 Schritte pro Sekunde im Schrittmodus, d.h. 10 U/sec und 50 Hz Strom in den Spulen) sowie eine günstige Energiekonversionsausbeute gewünscht sind. Eine weitere Lösung besteht darin, Statoren statt aus reinem Eisen aus einer Eisen-Nickel oder Eisen-Silizium zu sintern, um den höheren Leitungswiderstand dieser Materialien auszunutzen.
- In dem beschriebenen Beispiel ist das zweite Statorteil 5 fest und wird von der Rotationsachse des Rotors durchdrungen. Es weist vier Polzonen 39 bis 42 auf, welche jeweils den Statorpolen 19 bis 22 entsprechen. Der magnetische Fluß schließt sich an den Polzonen, die über die massiven Teile 43 und 44 übereinstimmen, welche die Polzone 39 mit der Polzone 40 und die Polzone 4l mit der Polzone 42 verbinden. Die Form dieses zweiten Statorteils 5 kann in erheblichem Maße variieren: es ist möglich, ein massives Teil oder aber unabhängige, sichelförmige oder röhrenförmige Teile einzusetzen. Vorzugsweise sollen jedoch die Durchlaßbereiche für Streufluß zwischen den Zähnen 39 und 41 einerseits und 40 und 42 andererseits, wie in Fig. 1 dargestellt, verringert werden.
- Fig. 2 stellt eine Schnittansicht gemäß BCDE durch den in Fig. 1 gezeigten Motor dar. Die verschiedenen den erfindungsgemäßen Motor bildenden Teile können in jeden existierenden Mechanismus oder in jede Vorrichtung integriert werden und können unabhängig von jedem Gehäuse geliefert werden.
- Der Rotor 6 umfaßt einen Ringmagnet, dessen magnetisierte Teile 8 und 13 auf Fig. 2 zu sehen sind. Die Achse 18 des Rotors 6 trägt eine Muffe 55 aus nicht-magnetischem Material, wie z.B. aus Kunststoff. Der Magnet ist auf diese Muffe 55 geklebt, die ihm als Unterlage und als Verbindung zur Achse 18 dient. Die Lager 53, 53' sichern den Sitz der Achse 18 gegenüber der inneren, festen Statorstruktur 5.
- Die verschiedenen Bestandteile des Motors sind auf einer Platine 63 befestigt, die bspw. aus Kunststoff sein kann. Diese Platine 53 kann Bestandteil der zu motorisierenden Vorrichtung sein. Sie weist eine Aufnahme 64 für den Halt des inneren Statorteils 5 sowie Stifte 65 für die Befestigung der beiden Statorstücke 1 und 2 auf.
- Der Rotor kann auch als eine magnetisierte Scheibe ausgebildet sein, wobei dann die vier Statorpole des ersten Statorteils und die vier Statorpole des zweiten Statorteils in zwei zur Rotationsachse senkrechten Ebenen angeordnet sind.
Claims (10)
1. Zweiphasen-Motor, nämlich Schrittmotor oder Synchronmotor,
mit einem ersten Statorteil, welches mit zwei elektrischen
Spulen zusammenwirkt, einem zweiten Statorteil (5), welches
den Schluß des magnetischen Flusses gewährleistet, und
einem Rotor (6), welcher 2N dünne, quer magnetisierte und
in der Weise alternierend angeordnete Magneten umfaßt, daß
auf jeder seiner Flächen abwechselnd positive und negative
magnetische Pole vorhanden sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (6) fünf Polpaare aufweist und daß das erste
Statorteil aus zwei identischen Statorstücken (1, 2) aus
magnetisch weichem Material besteht, die je zwei Statorpole
(19, 20) und (21, 22) aufweisen, welche durch ein
Mittelteil (23, 24) verbunden sind, wobei das Mittelteil
von einer Wicklung (3, 4) umgeben ist, welche im
wesentlichen eine der Breite der Öffnung des
Statorteilstücks (1, 2) entsprechenden Länge aufweist,
wobei die Mittellinien (25 bis 28) der genannten Statorpole
(19 bis 22) einen Winkel von ca. 108º bilden und das zweite
Statorteil (5) aus einem magnetisch weichen Material
besteht, welches den Schluß des magnetischen Flusses
gewährleistet.
2. Zweiphasenmotor als Schritt- oder Synchronmotor gemäß
Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (6) aus einem radial magnetisierten
Ringmagnet besteht, welcher zehn benachbarte magnetisierte,
ziegelförmige Zonen (7 bis 13) aufweist.
3. Zweiphasenmotor als Schritt- oder Synchronmotor gemäß
Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Statorteil (5) mit dem Rotor (6)
zusammenwirkt.
4. Zweiphasenmotor als Schritt- oder Synchronmotor gemäß
Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Statorteil (5) fest ist und vier Zonen (39
bis 42) aufweist, welche jeweils den vier Statorpolen (19
bis 22) entsprechen, wobei die genannten vier Zonen (39 bis
42) paarweise verbunden sind, um den Schluß des
magnetischen Flusses jedes Statorteiles (1, 2) zu
gewährleisten.
5. Zweiphasenmotor als Schritt- oder Synchronmotor gemäß einem
der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Winkelöffnung der Mittellinien (25 bis 28) der
beiden Pole (19 bis 22) jedes Statorteiles (1, 2) etwas
größer als 108º ist.
6. Zweiphasenmotor als Schritt- oder Synchronmotor gemäß einem
der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Statorteile (1, 2) aus einer Schichtung von
zugeschnittenen magnetischen Blechen bestehen.
7. Zweiphasenmotor als Schritt- oder Synchronmotor gemäß einem
der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Statorteile (1, 2) aus einem weichen magnetischen
Sintermaterial bestehen.
8. Zweiphasenmotor als Schritt- oder Synchronmotor gemäß einem
der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wicklungen (3, 4) aus einem direkt auf dem
Mittelteil des Statorteils gespulten elektrischen Draht
bestehen.
9. Zweiphasenmotor als Schritt- oder Synchronmotor gemäß einem
der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wicklungen (3, 4) auf das Mittelteil (23, 24) jedes
Statorteils (1, 2) umgebenden Isoliergehäusen aufgespult
sind, wobei diese Gehäuse aus mehreren komplementären
Teilen bestehen, welche eine Isoliermuffe bilden, wenn sie
zusammengefügt sind.
10. Zweiphasenmotor als Schritt- oder Synchronmotor gemäß einem
der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (6) aus einer mit der Drehachse koaxial
angeordneten, rohrförmigen Hülse besteht, welche
Verbindungszonen zur Drehachse (18) aufweist, wobei die
rohrförmige Hülse den rohrförmigen Magneten (7 bis 13) auf
mindesten einem Bereich seiner Höhe stützt.
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