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Elektrischer Schrittmotor Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor,
d. h. eine Vorrichtung zur Erzeugung einer schrittweisen Drehbewegung in Abhängigkeit
von elektrischen Impulsen wechselnder Polarität.
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Für viele Zwecke, insbesondere in der elektrischen Meßtechnik, ist
es wünschenswert, eine Vorrichtung zu haben, die elektrische Impulse wechselnder
Polarität in schrittweise Drehbewegungen umwandelt. Bisher bekannte, für diesen
Zweck geeignete Vorrichtungen weisen in der Regel einen Elektromagneten auf, der
über eine Klinke ein Klinkenrad antreibt. Derartige Vorrichtungen erfordern beträchtliche
Kräfte für den Antrieb; sie arbeiten geräuschvoll, sind hohem Verschleiß unterworfen
und nur schwierig in der richtigen Einstellung zu halten.
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Es sind bereits Schrittmotoren bekanntgeworden, bei denen erregbare
Statorpole mit permanenten Rotorpolen zusammenwirken. Die Ausbildung der Pole des
Stators und des Rotors und ihr Zusammenwirken ist dabei derart, daß die Herstellung
dieser Motoren relativ aufwendig wird. Außerdem werden für ein betriebssicheres
Arbeiten verhältnismäßig große Anforderungen an die Genauigkeit bei der Herstellung
gestellt. Diese Nachteile zu beheben, ist Aufgabe der Erfindung.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer schrittweisen
Drehbewegung in Abhängigkeit von elektrischen Impulsen, die Statorpole elektromagnetisch
derart erregen, daß benachbarte Pole entgegengesetzte Polarität aufweisen, wobei
die Statorpole mit durch einen Dauermagneten erregten Rotorpolen zusammenwirken
und besteht im besonderen darin, daß jeder Statorpol als zweiteiliger Spaltpol ausgebildet
ist, wobei je ein Teilpol mit einer Dämpferwicklung umgeben ist.
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Bei Einphasenwechselstrommotoren ist es an sich bekannt, Statorpole
in zwei Teilpole zu unterteilen, von denen einer von einer Dämpferwicklung umgeben
ist, um ein Anlaufmoment mit eindeutiger Drehrichtung zu erhalten. Diese Motoren
eignen sich aber nicht ohne weiteres als Schrittmotoren.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung besitzt deshalb weiterhin eine
gemeinsame Erregerspule für die Erregung der verschiedenen Statorteilpole und einen
Rotor, dessen Pole die gleiche Winkelteilung wie die magnetisch unverzögerten Pole
des Stators besitzen und durch einen gemeinsamen permanenten Magneten magnetisiert
werden, und zwar derart, daß jeweils zwei in der Bewegungsrichtung nebeneinanderliegende
Pole eine unterschiedliche Polarität aufweisen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Schrittmotors gemäß
der Erfindung dargestellt.
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Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch einen ringschalenförmigen
Teil für den Statorkern eines Schrittmotors gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine vereinfachte
schematische Darstellung der Abwicklung zweier in Fig. 1 dargestellter schalenförmiger
Teile des Stators, Fig. 3 eine Seitenansicht eines Rotors für den Gebrauch in dem
in Fig. 1 dargestellten Stator, Fig. 4 eine Frontansicht des Rotors gemäß der Fig.
3 und Fig. 5 eine schematische Darstellung der gegenseitigen Lage der Polelemente
in drei verschiedenen Stellungen des Rotors zur Erläuterung der Wirkungsweise des
in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Schrittmotors.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schrittmotors
besteht im wesentlichen aus einem Statorkern, einer Erregerspule und einem Rotor.
Der Statorkern besteht aus zwei einander gleichen, aus weichem Eisen bestehenden
ringschalenförmigen Teilen, von denen eines in Fig. 1 dargestellt und mit a bezeichnet
ist. Die zentrale Öffnung ist mit ä bezeichnet, deren nach innen gebogener Rand
mit Aussparungen versehen ist, um die gleichmäßig am inneren Umfange verteilten
Polelemente c zu bilden. Jeder Teil a besitzt die gleiche Anzahl von längs seines
inneren Zylindermantels gleichen Durchmessers verteiI-ten Polelementen c.
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Ein aus zwei Ringscheiben bestehender, zur Phasenverschiebung dienender
Kupferring d ist auf den Boden jeder Ringschale a gelegt, wobei jedes einzelne Polelement
c
durch eine entsprechende Öffnung des Ringes d hindurchragt. über dem Kupferring
d liegt ein aus weichem Eisen bestehender Ring e, dessen Außenrand f rechtwinklig
aufgebogen ist und sich zwischen dem Außenrand des Kupferringes d und dem äußeren
Mantel g der zugehörigen Ringschale a befindet, in den er mit Preßsitz eingefügt
ist.
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Der aus weichem Eisen bestehende Ring e weist an seinem Innenrand
die gleiche Anzahl von gleichmäßig verteilten rechtwinklig zu seiner Ebene abgebogenen
Polelementen 1a auf, die auf dem gleichen Zylindermantel liegen wie die Polelemente
c der Ringschale a, so daß jedes Polelement h mit einem Polelement c von gleicher
Polarität jeweils einen aus zwei Teilpolen bestehenden Spaltpol bildet. Die Polelemente
der Ringschalen a und der Weicheisenringe e haben alle dieselbe Breite. Alle
Teile einer Statorhälfte sind miteinander vernietet, während die beiden Statorhälften
zusammengepreßt sind.
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Der Kupferring d bewirkt, daß die die Polelemente c eines jeden Polpaares
durchsetzenden Flüsse, wie erwähnt, magnetisch verzögert werden.
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Der äußere Mantel g der einen Ringschale a ist so ausgebildet, daß
er mit dem Außenmantel der zugehörigen anderen Ringschale a durch Preßsitz verbunden
werden kann, so daß beide Teile a in magnetischer Verbindung stehen, wobei die Anordnung
der Polelemente des Motors derart ist, daß jedes Polpaar bzw. jeder Spaltpol der
einen Ringschale a zwischen zwei Polpaaren der anderen Ringschale a liegt, wie der
vereinfachten schematischen Darstellung der Fig.2 zu entnehmen ist. Die Pole c sind
dabei die magnetisch verzögerten und die Pole h die unverzögerten Pole der einen
Ringschale a., wobei der der Phasenverschiebung dienende Kupferring gesondert für
jeden Pol c bei d eingezeichnet ist, während die Pole c' und h' die zugehörigen
Pole der anderen Ringschale a mit bei d' angedeutetem Kupferring sind.
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Die Weicheisenringe e und die beiden Ringschalen
a
sind so angeordnet, daß, «renn sie zusammengefügt sind, alle Polelemente
c und lt in gleichmäßigen Winkelabständen um die gemeinsame Symmetrieachse
verteilt sind.
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Die Erregerspule i (vgl. Fig. 1) und der Spurenkörper j, auf welchem
die Windungen der Erregerspule angeordnet sind, füllen den ringförmigen Raum zwischen
dem Außenmantel des Statorkernes und seinen Polelementen c und h aus. Die nicht
dargestellte Anschlußleitung ist durch eine Aussparung im Außenmantel einer der
beiden Ringschalen a hindurchgeführt.
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Der in den Fig.3 und 4 dargestellte Rotor besteht aus zwei schalenförmigen
Teilen k und L, von denen ein jeder eine Anzahl gleichmäßig verteilter, rechtwinklig
zum Schalenboden angeordneter Polelemente k' und L' aufweist. Die Teile k
und L sind auf der Rotorwelle zaa so mit einander zugewandten Polelementen
befestigt, daß jeder Pol k' oder l.' der einen Rotorhälfte sich zwischen
zwei Polen l' bzw. k' der anderen Rotorhälftebefindet. Die Gesamtzahl der Rotorpolek',L'
entspricht der Gesamtzahl der unverzögerten bzw. ungedämpften Statorpole c, so daß
die Winkelteilung der Rotorpole gleich der Winkelteilung der unv erzögerten Statorpole
ist.
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Zwischen den beiden Rotorschalen k und L ist auf der Rotorwelle
der Permanentmagnet n angeordnet, der beide Rotorschalen magnetisiert, und zwar
derart, daß die nebeneinanderliegenden Polelemente k' und 1' am Umfange des Rotors
unterschiedliche Polarität aufweisen. Die Rotorwelle m ist in zwei nicht dargestellten
Lagern gelagert, die von zwei steifen Platten getragen werden, zwischen denen der
Stator eingeklemmt ist.
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Wenn ein Gleichstromimpuls durch die Erregerspule i fließt, ist der
Rotor durch die Anziehung zwischen jedem Rotorpol und den unverzögerten Statorpolenh
entgegengesetzter Polarität gehemmt (vgl. Fig 5 a). Wechselt der Erregerstrom seine
Polarität, so wechseln auch die Statorpole ihre Polarität. Hierbei wechseln die
nicht verzögerten Pole 7a und 1i als erste ihre Polarität, so daß die Rotorpole
durch die Statorpole, die sie eben noch angezogen hatten, abgestoßen werden. Der
Rotor bewegt sich daher gegen die verzögerten und daher noch eine entgegengesetzte
Polarität aufweisenden Statorpole c und c'. Die Bedingungen entsprechen dann den
in Fig. 5 b dargestellten Verhältnissen.
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Wenn kurz nachher die verzögerten Pole c und c' ihre Polarität wechseln,
bewegt sich der Rotor in der Richtung des in Fig. 5 eingezeichneten Pfeiles, so
daß seine Pole von den unverzögerten, nunmehr entgegengesetzt polarisierten Polen
h und h' (Fig. 5c) vollends angezogen werden.
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Da an die Spule i eine Gleichstromspannung gelegt ist, die periodisch
ihre Richtung wechselt, mit anderen Worten, da der Spule i elektrische Impulse wechselnder
Polarität zugeleitet werden, wird dem Rotor eine schrittweise, immer in der gleichen
Richtung liegende Drehbewegung aufgezwungen. Bei jeder Spannungsumkehr bewegt sich
also der Rotor um eine Polteilung in Richtung der in Fig.5 eingezeichneten Pfeile,
wobei die Größe der Winkeldrehung des Rotors durch die Anzahl der Pole an Stator
und Rotor bestimmt wird.
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Die gleichmäßige Winkelteilung der Statorpolelemente ist nicht zwingend
notwendig. Die Vorrichtung arbeitet auch dann in der beschriebenen Weise, wenn die
Pole um einen gewissen Betrag ungleichmäßig verteilt sind, obwohl eine solche Ungleichmäßigkeit
sich in ungleicher Schrittbewegung auswirkt.
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Vorrichtungen der beschriebenen Art arbeiten leise und weisen im wesentlichen
keine Abnutzung und im übrigen einen geringeren Kraftverbrauch als die bisher benutzten
Vorrichtungen dieser Art auf. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das beschriebene
Ausführungsbeispiels beschränkt, da viele Veränderungen in der Konstruktion der
Schrittschaltvorrichtung durchgeführt werden können, ohne daß der Erfindungsgedanke
dabei verlassen wird. Beispielsweise kann an Stelle der zylindrischen zweifellos
auch eine radiale Ausführungsform der Polelemente, d. h. statt des zylinderförmigen
auch ein scheibenförmiger Luftspalt gewählt werden.