DE102005016178B4

DE102005016178B4 - Elektromagnetischer zweiphasiger Schrittmotor

Info

Publication number: DE102005016178B4
Application number: DE200510016178
Authority: DE
Original assignee: Konekamp Herbert
Current assignee: Konekamp Herbert
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2025-04-09
Also published as: DE202005021396U1; DE102005016178A1

Abstract

Elektromagnetischer zweiphasiger Schrittmotor bestehend aus einem scheibenförmigen Rotor aus einem Permanentmagneten, der vier um 90° gegeneinander versetzte Pole mit in Umfangsrichtung wechselnder Polarität aufweist, und zwei jeweils eine Magnetspule aufweisenden Magnetkreisen, von denen jeder mit zwei auf den Rotorumfang ausgerichteten Statorpolen versehen ist, deren auf die Rotorachse ausgerichtete Mittellinien jeweils einen Winkel von 90° einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnetkreis (4, 5) einen breiten, sich über einen Winkel zwischen 129° und 133° beidseitig über einen Pol des Rotors (1) hinaus ersteckenden Statorpol (19, 20) und einen schmalen, sich über einen Winkel zwischen 39° und 43° erstreckenden, auf einen Pol des Rotors (1) focussierenden Statorpol (21, 22) aufweist und daß die breiten Statorpole (19, 20) beider Magnetkreise (4, 5) einerseits und die schmalen Statorpole (21, 22) beider Magnetkreise (4, 5) andererseits jeweils durch einen schmalen Luftspalt (23, 24) voneinander getrennt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen zweiphasigen Schrittmotor bestehend aus einem scheibenförmigen Rotor aus einem Permanentmagneten, der vier um 90° gegeneinander versetzte Pole mit in Umfangsrichtung wechselnder Polarität aufweist, und zwei jeweils eine Magnetspule aufweisenden Magnetkreisen, von denen jeder mit zwei auf den Rotorumfang ausgerichteten Statorpolen versehen ist, deren auf die Rotorachse ausgerichtete Mittellinien jeweils einen Winkel von 90° einschließen.
Ein derartiger Schrittmotor ist aus der EP 0 696 836 A1 bekannt. Derartige Schrittmotore werden hauptsächlich zum Antrieb analoger Kraftfahrzeuganzeigeinstrumente benutzt, bei denen digitate Meßwerte in analoge Anzeigen umgesetzt werden müssen. Zum Betrieb sind verschiedene Ansteuerverfahren möglich. Die übliche Ansteuerung erfolgt dadurch, daß die Magnetspulen mit Stromimpulsen gleicher und/oder entgegengesetzter Polarität beaufschlagt werden, die eine Schrittfolge des Rotors erzeugen. Bei entsprechender Pulsfolge ist die Möglichkeit gegeben, den Rotor in zwei Drehrichtungen zu bewegen.
Es ist des weiteren aus der US 4 144 467 A ein zweiphasiger Schrittmotor mit einem vierpoligen Permanenmagnetrotor für Uhren bekannt, bei dem jeder Magnetkreis einen breiten und einen schmalen Statorpol aufweist, wobei sich der breite Statorpol beidseitig über einen Rotorpol hinaus erstreckt, während sich der schmale Statorpol auf einen Rotorpol focussiert. Ein derartiger Zweiphasen-Schrittmotor weist im stromlosen Zustand ein hohes Rastmoment auf, was einerseits zu einer zittrigen Zeigerbewegung führt und sich andererseits negativ auf die Batterielebensdauer auswirkt.
Die Verwendung solcher und anderer bekannter Schrittmotore in Anzeigeinstrumenten erfordert neben einer hohen Schrittauflösung – diese ist in Verbindung mit einem Untersetzungsgetriebe ohne Schwierigkeiten erreichbar – eine möglichst gleichmäßige, zitterfreie Bewegung des von dem Schrittmotor angetriebenen Zeigers. Wie sich gezeigt hat, sind die Ursachen für rhythmische Unregelmäßigkeiten des Zeigerumlaufs Rastmomente bzw. eine Polfühligkeit des Rotors des Schrittmotors, wie sie insbesondere im unbestromten Zustand des Schrittmotors erkennbar sind. Es ist daher versucht worden, durch besondere Ausbildung der Statorpole solche Schrittunregelmäßigkeiten zu beseitigen ( US 5 959 378 A ). Jedoch sind auch bei diesen Statorausbildungen noch Polfühligkeiten vorhanden, die die Schrittwinkel verzerren.
Diese Nachteile sollen durch die Erfindung beseitigt werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen zweiphasigen Schrittmotor zu schaffen, dessen Rastmoment im stromlosen Zustand möglichst klein ist und somit eine zitterfreie Bewegung jedes Rotorschritts gestattet, der aber andererseits jeden Einzelschritt sauber ausführt, also einzelne Schritte nicht "verschluckt" oder zusätzliche ausführt. Die dafür erforderlichen Maßnahmen sollen möglichst wenig aufwendig sein, stehen doch in der Kraftfahrzeugindustrie einzusetzende Erzeugnisse unter besonderem Kostendruck.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Magnetkreis mit einem breiten, sich beidseitig über einen Pol des Rotors hinaus erstreckenden und einem schmalen, sich auf einen Pol des Rotors focussierenden Statorpol versehen ist und daß die breiten Statorpole beider Magnetkreise einerseits und die schmalen Statorpole beider Magnetkreise andererseits jeweils durch einen schmalen Luftspalt getrennt sind.
Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die Polfühligkeit im stromlosen Zustand des Schrittmotors auf ein äußerst geringes Maß reduziert wird und somit eine zitterfreie Bewegung des Rotors und damit eines von diesem angetriebenen Zeigers von Schritt zu Schritt erfolgt.
Wie Versuche gezeigt haben, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, jeden schmalen Statorpol dahingehend auszubilden, daß er sich über einen Winkel zwischen 39° und 43° erstreckt, und andererseits jeden breiten Statorpol dahingehend, daß er sich über einen Winkel zwischen 129° und 133° erstreckt. Als optimal erwiesen sich für den schmalen Statorpol ein Winkel von 41° und für den breiten Statorpol ein solcher von 131°.
Hinsichtlich der Ausbildung des Luftspalts zwischen den schmalen Statorpolen einerseits und den breiten Statorpolen andererseits hat sich ein solcher zwischen einem Winkel yon 2° und 6° als vorteilhaft gezeigt. Optimal ist ein solcher von 4°.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, das Luftspaltverhältnis von Rotordurchmesser zu Durchmesser Statorpolausschnitt zu ungefähr 0,8 zu wählen. Dadurch lassen sich mit den vorgenannten optimalen Winkeln besonders gute technische Ergebnisse hinsichtlich der Schrittausführung erzielen.
Die Erfindung sei anhand der Zeichnung, die in zum Teil schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel enthält, näher erläutert. Es zeigen
1 eine Ansicht eines bekannten Zweiphasen-Schittmotors,
2 das Drehmomentverhalten des Schrittmotors nach 1 bei verschiedenen Bestromungszuständen der Magnetspulen,
3 eine Ansicht eines nach der Erfindung ausgebildeten Zweiphasen-Schrittmotors und
4 das Drehmomentverhalten des Schrittmotors nach 3 bei verschiedenen Bestromungszuständen der Magnetspulen.
Der bekannte Zweiphasen-Schrittmotor nach 1 besteht aus einem scheibenförmigen Rotor 1 aus einem Permanentmagneten mit vier in Umfangsrichtung um 90° versetzten Polen wechselnder Polarität und zwei Magnetkreisen 2 und 3, von denen jeder eine Magnetspule 4 und 5 sowie zwei Statorbleche 6 und 7 bzw. 8 und 9 aufweist, die an ihren Enden in gleich große Statorpole 10 übergehen. Die Statorpole 10 zweier zusammengehörender Statorbleche 6 und 7 bzw. 8 und 9 schließen mit ihren auf die Rotorachse 11 ausgerichteten Mittellinien 12 und 13 jeweils einen Winkel von 90° ein.
Wie aus 2 ersichtlich ist, ergibt sich bei Beaufschlagung beider Magnetspulen 4 und 5 mit der gleichen Amperewindungszahl ein Drehmomentverlauf 14. Wird die Magnetspule 4 mit der Amperewindungszahl Null und die Magnetspule 5 mit der maximalen Amperewindungszahl beaufschlagt ergibt sich der Drehmomentverlauf 15, der den Rotor 1 nicht auf die gewünschte Position 16, sondern auf die Position 17 stellt. Mitverantwortlich für diese falsche Position des Rotors 1 ist das Rastmoment, dessen Verlauf die Kurve 18 zeigt.
Der nach der Erfindung ausgebildete Zweiphasenschrittmotor, der in 3 dargestellt ist, umfaßt wieder einen permanentmagnetischen scheibenförmigen Rotor 1 mit vier um 90° versetzten Polen mit in Umfangsrichtung wechselnder Polarität sowie zwei Magnetkreise 2 und 3 mit jeweils einer Magnetspule 4 und 5, von denen jeder aus zwei Statorblechen 6 und 7 bzw. 8 und 9 besteht. Die Statorbleche 6 und 8 der beiden Magnetkreise 2 und 3 besitzen jeweils einen breiten, sich beidseitig über einen Pol des Rotors 1 erstreckenden Statorpol 19 bzw. 20, wahrend die Statorbleche 7 und 9 jeweils einen schmalen, sich auf einen Pol des Rotors 1 focussierenden Statorpol 21 bzw. 22 aufweisen. Sowohl die schmalen Statorpole 21 und 22 als auch die breiten Statorpole 19 und 20 sind jeweils durch einen schmalen Luftspalt 23 getrennt. Die schmalen Statorpole 21 und 22 sind von den breiten Statorpolen 19 und 20 ebenfalls durch einen Luftspalt 24 voneinander getrennt.
Die auf die Rotorachse 11 ausgerichteten Mittellinien 12 und 13 der Statorpole 19 und 21 bzw. 20 und 22 eines Magnetkreises 2 bzw. 3 schließen jeweils einen Winkel von 90° zwischen sich ein.
Jeder der schmalen Statorpole 21 und 22 erstreckt sich über einen Winkel von 41° und jeder der breiten Statorpole 19 und 20 erstreckt sich über einen Winkel von 131°. Die Luftspalte 23 und 24 betragen jeweils 4°.
Bei dem erfindungsgemäßen Schrittmotor ist darüber hinaus das Luftspaltverhältnis vom Durchmesser 25 des Rotors 1 zu Durchmesser 26 des Statorpolausschnitts zu 0,8 gewählt.
Werden, wie aus 4 ersichtlich ist, die Magnetspulen 4 und 5 des erfindungsgemäßen Schrittmotors wieder wie zuvor mit Strom beaufschlagt, so ergibt sich bei gleicher Amperewindungszahl für beide Magnetspulen 4 und 5 ein Drehmomentverlauf 27 und bei Amperewindungszahl Null für die Magnetspule 4 und maximaler Amperewindungszahl für die Magnetspule 5 ein Drehmomentverlauf 28.
Durch die auf ein Minimum reduzierte Polfühligkeit wird der Rotor 1 exakt auf die neue Position 29 geführt.
Der erfindungsgemäße Schrittmotor eignet sich daher in besonderem Maße nicht nur zur Verwendung in Anzeigeinstrumenten für Kraftfahrzeuge sondern auch für Uhrwerke aller Art, wo es auf eine zitterfreie und schrittgenaue Vorwärtsbewegung des Zeigers ankommt.

Claims

Elektromagnetischer zweiphasiger Schrittmotor bestehend aus einem scheibenförmigen Rotor aus einem Permanentmagneten, der vier um 90° gegeneinander versetzte Pole mit in Umfangsrichtung wechselnder Polarität aufweist, und zwei jeweils eine Magnetspule aufweisenden Magnetkreisen, von denen jeder mit zwei auf den Rotorumfang ausgerichteten Statorpolen versehen ist, deren auf die Rotorachse ausgerichtete Mittellinien jeweils einen Winkel von 90° einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnetkreis (4, 5) einen breiten, sich über einen Winkel zwischen 129° und 133° beidseitig über einen Pol des Rotors (1) hinaus ersteckenden Statorpol (19, 20) und einen schmalen, sich über einen Winkel zwischen 39° und 43° erstreckenden, auf einen Pol des Rotors (1) focussierenden Statorpol (21, 22) aufweist und daß die breiten Statorpole (19, 20) beider Magnetkreise (4, 5) einerseits und die schmalen Statorpole (21, 22) beider Magnetkreise (4, 5) andererseits jeweils durch einen schmalen Luftspalt (23, 24) voneinander getrennt sind.
Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder schmale Statorpol (21, 22) sich über einen Winkel von 41°, erstreckt.
Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder breite Statorpol (19, 20) sich über einen Winkel von 131°, erstreckt.
Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Luftspalt (23, 24) sich über einen Winkel zwischen 2° und 6°, vorzugsweise 4°, erstreckt.
Schrittmotor nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Rotordurchmesser (25) zu Durchmesser (26) des durch die Polflächen der Statorpole (19, 20, 21, 22) gebildeten Statorpolausschnittes ungefahr 0,8 beträgt.