DE2410745A1

DE2410745A1 - Schrittschaltmotor

Info

Publication number: DE2410745A1
Application number: DE19742410745
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Fukushima; Shojiro Komaki; Seiji Koshida; Naoki Takashina; Akira Torisawa
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1973-04-11
Filing date: 1974-03-06
Publication date: 1974-10-24
Also published as: GB1451825A; FR2225869A1; CH512474A4; AR198456A1; JPS49127115A; IT1003724B; DD110989A1; BR7402812D0

Description

Die Erfindung "betrifft einen sehr kleinen Schrittschaltmotor, welcher als elektromechanisch er Wandler in Uhren mit Quarz-, kristallen sowie in anderen Uhren verwendbar ist.

Es ist bereits ein Motor dieser Art vorgeschlagen worden, welcher zwei Ständer bzw. Statoren und einen Rotor mit sechs Polen aufweist. Bei dieser Art Motor erzeugen jedoch nur zwei der sechs Magnetpole ein wirksames Drehmoment, und der Motor besitzt somit nicht genutzte Pole. Dies wiederum hat einen geringeren Wirkungsgrad des Motors zur Folge. Der Rotor dreht sich bei Anliegen eines Impulses um einen Winkel von 60 °, er neigt jedoch dazu, infolge seiner Massenträgheit sich um einen Wert zu drehen, welcher zwei Polen entspricht, d. h. um 120 °. Darüber hinaus ist eine spezielle Magnetisier-

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einrichtung erforderlich, um "die sechs Pole des Rotors zu magnetisieren, und es ist sehr schwierig, sechs Pole mit der gleichen magnetischen Belegung zu magnetisieren.

Es ist noch ein weiterer Motor für Uhren vorgeschlagen worden, bei welchem ein Rotor aus einem Permanentmagneten unmittelbar in einem Solenoid angeordnet ist. Da jedoch bei einem Motor dieser Art unmittelbar ein in einem Hohlraum in dem Solenoid erzeugtes Magnetfeld verwendet wird, kann die magnetische ELußdichte bzw. Induktion unmöglich vergrößert werden, wodurch wiederum den? Wirkungsgrad verschlechtert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die vorerwähnten Nachteile zu beseitigen und einen Motor für Uhren zu schaffen, bei welchem bei einem geringen Stromverbrauch und einer niedrigen Spannung eine hohe Ausgangsleistung erhalten werden kann. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafterweise ist bei einem Schrittschaltmotor gemäß der Erfindung ein Rotor mit zwei magnetisierten Polen und einem Paar Ständer bzw. Statoren verwendet, welche im wesentlichen den gesamten Umfangsbereich des Rotors umschließen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines kleinen Schrittschaltmotors gemäß der Erfindung;

I¹Xg. 2 eine Wellenform von an eine Spule angelegte Impulsen:

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lig. 3 die Beziehung zwischen einer Gleichgewichtslage eines Rotors und einem magnetischen Potential;

Fig. 4 und 5 Gleichgewichtslagen eines Motors und Magnetbahnen, über welche ein Magnetfluß fließt}

lig. 6 in Abhängigkeit von einer Gleichgewichtslage eines Rotors eine Abänderung' eines magnetischen Potentials; und

Fig. "7 eine Beziehung zwischen dem Durchmesser eines Rotors und dessen minimaler Steuerspannung.

In "Fig. 1 sind Statoren 2 und 3 in Gegenüberlage um einen Rotor 1 mit zwei Magnetpolen angeordnet· Diese Statoren sind an einem Joch 5» um welches eine Spule 4 gewickelt ist, mittels Schrauben 6 befestigt, wodurch ein Statorpaar geschaffen ist. Damit sich der Rotor 1 nur in einer Richtung dreht, ist mittels eines exzentrisch angeordneten Stiftes 7j mit welchem der lichte Abstand zwischen dem Rotor

1 und den Statoren 2 und 3 einstellbar ist, zumindest eine zylindrische !"lache der Statoren 2 und 3 etwas exzentrisch bezüglich der Mitte des Rotors 1 angeordnet; der Rotor 1 ist in der Lage ausgeglichen und im Gleichgewicht, in welcher seine Magnetpole (N, S) auf eine Seite der Statoren 2 und hin schräg stehen bzw. geneigt sind.

In Hg. 2 ist eine Wellenform einer an die Spule 4 angelegten Steuerspannung dargestellt. Sie weist beispielsweise einen Impulszug aus positiven und negativen Impulsen auf, welche abwechselnd jeweils _{nacn e}i_ner Sekunde anliegen. Der Rotor 1 dreht sich dann um 180 °, da seine Magnetpole N und S bei Anliegen der Spannung eine magnetische Abstoßoder Anziehungskraft auf die Magnetpole If und S der Statoren

2 und 3 erzeugen. Der Rotor 1 dreht sich dann weiter entsprechend dem nächsten Impuls um 180 °, da die umgekehrten

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Magnetpole H und S an den Statoren 2 und 3 erzeugt werden. Durch das wiederholte Anlegen der Impulse kann dann eine kontinuierliche Drehung des Rotors in einer Richtung erhalten werden.

In ]fig. 3 ist in Jform einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen dem magnetischen Potential in dem durch den Rotor und die Statoren gebildeten, freien Raum und der Gleichgewichtslage des Rotors 1 dargestellt« Die Steuerspannung des Motors ist proportional dem Unterschied zwischen einem Maximalwert Pmax. und einem Minimalwert Pmin. eines magnetischen Potentials P, d. h. proportional Pmax.-Pmin.. Um den Motor mit einer niedrigen Spannung steuern und betreiben zu können, muß daher der Wert Pmax.-Pmin. so klein wie möglich sein bzw. auf ein Minimum herabgesetzt werden. Folglich ist ein weiteres Ziel der Erfindung die Schaffung eines Verfahrens zur Verwirklichung der vorbeschriebenen Bedingung.

Gemäß der Erfindung sind Versuche mit den folgenden vier Verfahren gemacht worden, um den vorerwähnten Wert Pmax.-Pmin. so klein wie möglich zu machen bzw. auf ein Minimum herab zus et ζ en.

1) Wurde der Rotor 1 kleiner gemacht, um dadurch die magnetomotorische Kraft des Magneten zu vermindern;

2) der Spalt 8 zwischen den Statoren 2 und 3 wurde auf einen minimalen Wert herabgesetzt;

3) der lichte Abstand zwischen dem Rotor 1 und den Statoren 2 und 3 wurde vergrößert4

4-) der Winkel OG an den spitz zulaufenden Enden der Statoren 2 und 3 wurde so gewählt, daß der optimale Wert des magnetischen Widerstandes in der Nähe der spitz zulaufenden Enden erhalten werden kann.

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Die vorerwähnten Verfahren werden nunmehr im einzelnen beschrieben.

Die Miniaturisierung des Rotors 1 macht nicht nur eine Verringerung des Pegelunterschieds des magnetischen Potentials möglich, sondern ergibt auch vorteilhafte dynamische Kennwerte an dem Rotor selbst. Das Drehmoment To, welches an den kreisförmigen Rotor 1 in dem gleichförmigen Magnetfeld angelegt wird, ist gegeben durch die Gleichung:

To- = -4— MoBoDt sin β = KMo(HI)Dt sin 9 .... 1, 2/to

wobei Mo die Intensität der Magnetisierung,'D der Durchmesser des Rotors, θ der Winkel zwischen dem magnetischen Dipol des Rotors und dem Magnetfeld, n_o die Permeabilität im Vakuum, Bo die magnetische ITußdichte bzw, Induktion, t die Dicke des Rotors, H die Windungszahl der Spule und I der durch die Spule fließende Strom ist.

Das Trägheitsmoment Io des Rotors ist dann durch äie Gleichung gegeben:

/L 4

wobei f die Dichte, D der Durchmesser und t die Dicke des Rotors ist.

Demgemäß kann die Gleichung 1 auch folgendermaßen umgeformt werden:

To=KMoHI sine

wobei Vo das Volumen des Rotors ist. Aus der letzten Gleichung ist zu ersehen, daß das Drehmoment, welches durch das

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Magnetfeld an den Rotor angelegt wird, umgekehrt proportional der Quadratwurzel des Trägheitsmomentes des Rotors ist. Das I'rägheitsuoment dee JL-to rs ist proportional der vierten Potenz des Iiütoi'durchmeauer.:,, wenn das Volumen des Rotors als konotant angenommen /<lr-i. .Folglich kann unter der Annahme, daß dn.3 /oluinen de.u Hotors konstant ist, die S teuer spannung herabgesetzt und das Drehmoment vergrößert werden, wenn der Durchmesser des Rotors verkleinert wird. Als Ergebnis der Versuche und Untersuchungen mit der vorliegenden Erfindung wurde die in 2¹Ig. 7 dargestellte Beziehung zwischen dem Durchmesser des Rotors 1 und der minimalen Steuerspannung erhalten. Der Durchmesser des Rotors wurde gemäß der Erfindung auf einen Wert festgesetzt, welcher Meiner als. 2,5 mm ist, um eine Uhr mit einer ausreichenden, von einer Batterie gelieferten elektromotorischen Kraft bzw„ Spannung zu betreiben ο Die elektromotorische Kraft bzw. die Spannung der insbesondere bei Uhren verwendeten Batterie beträgt bei einer Silberbatterie 1,5Ϊ und bei einer Quecksilberbatterie 1,3 V₀ Folglich sind zwei Batterien erforderlich, wenn der Durchmesser des Rotors größer als 2,5 mm wird. Überdies kann ein Rotor mit einem Durchmesser von 3»5 mm aufgrund der Daten in ]?ig. 7 geschaffen werden, wenn eine Lithiumbatterie verwendet wird, deren elektromotorische Kraft bzw. Spannung 2,5 V beträgt und welche inzwischen entwickelt ist.

Im folgenden wird nunmehr die Wirkung des Spaltes 8 zwischen den Statoren 2 und 3 erläutert. (Im folgenden wird der Einfachheit halber nur noch von de» Spalt 8 gesprochen). Der Wert Bnax.-Pmin. nimmt allmählich zu, wenn der Spalt 8 von null an nach und nach vergrößert wird. Infolgedessen ist es erstrebenswert und vorteilhaft, den Spalt 8 so klein wie möglich zu halten, um den Motor mit niedriger Spannung steuern und antreiben zu können. Eine bestimmte Spaltgröße ist jedoch erforderlich, da das Drehmoment, welches auf den Rotor durch

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das Magnetfeld ausgeübt wird, hauptsächlich von dem magnetischen !Fluß abhängt, der in der Nähe des Spaltes 8 erzeugt wird. Bei dem Motor gemäß der Erfindung, haben die Versuche und Untersuchungen gezeigt, daß eine angemessene Abmessung des Spaltes

8 für einen Rotor 1 mit einem Durchmesser von 2 mm etwa 0,1 mm ist.

Als nächstes wird der Einfluß des lichten Abstandes 9 zwischen dem Rotor und den Statoren erläutert, d. h. der dazwischen festgelegte, freie Raum 9» wenn die zylindrischen Flächen der Statoren konzentrisch bezüglich des Rotors 1 angeordnet sind. (Im folgenden wird der Einfachheit halber von lichtem Abstand bzw. lichtem Zwischenraum 9 gesprochen).

Eine zu starke Vergrößerung des lichten Abstandes 9 führt zu einer Verschlechterung des Nutzeffektes, da das auf den Rotor

1 ausgeübte Drehmoment in Abhängigkeit von dem in der Nähe des Spaltes 8 erzeugten, magnetischen Flusses abnimmt, und da die in der Spule 4 erzeugte gegenelektromotorische Kraft bzw. die · Gegen-EMK verringert wird. Demgemäß haben die Versuche bestätigt, daß die angemessene Abmessung-des lichten Abstandes

9 das 1,0 bis 1,5-fache des vorerwähnten Spaltes 8 ist.

Nunmehr wird der Einfluß des Winkels 06 an den spitz zulaufenden Enden der Statoren 2 und 3 erläutert. (Im folgenden wird der Einfachheit halber immer von Endwinkel CXi gesprochen). Wenn der Rotor 1 in die Statoren 2 und 3 eingesetzt ist, wobei der lichte Abstand 9 zwischen ihnen so gewählt ist, daß er gleich ist, gibt es zwei Lagen, in welchen der Rotor 1 im Gleichgewicht ist. Der Rotor 1 ist in der Lage im Gleichgewicht, in welcher seine S- und N-PoIe gegenüber den Statoren

2 und 3 so angeordnet siri4, wie in Fig. 4 dargestellt» ist. Der Rotor 1 befindet sich aber auch in einer anderen Lage im Gleichgewicht, in welcher seine S- und N-PoIe gegenüber dem Spalt 8 angeordnet sind, wie in Fig. 5 dargestellt ist.

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Oder kurz gesagt, die Gleichgewiclitslage des Rotors ist in Abhängigkeit von dem Endwinkel & verschieden. Im einzelnen ausgeführt heißt das, der Rotor 1 ist im Gleichgewicht, wie in Fig. 4- dargestellt ist, wenn der Endwinkel 00 klein ist, während der Rotor 1 im Gleichgewicht ist, wie in Fig. 5 dargestellt ist, wenn der Endwinkel 06 groß ist. Der magnetische Fluß bzw. der Induktionsfluß in jeder der beiden vorbeschriebenen Lagen ist in Fig. 4- bzw. in Fig. 5 durch Pfeilmarkierungen dargestellt.

Wenn der magnetische Widerstand der magnetischen Bahn 10 in Fig. 4- mit RA und der magnetische Widerstand der magnetischen Bahn 11 in Fig. 5 mit RB angegeben wird, dann ist in Fig. 4· der Wert RB größer als der Wert RA, während in Fig. 5 der Wert RB kleiner ist als der Wert RA. Der magnetische Widerstand RB in der magnetischen Bahn 11 hängt von dem Endwinkel Qb ab. Mit anderen Worten, je kleiner der Endwinkel 06 wird, um so größer wird der Wert RBj oder umgekehrt, je größer der Endwinkel (Xf wird, um so kleiner wird der Wert RB. Auf diese Weise wird die Gleichgewichtslage des Rotors 1 entsprechend der relativen Größenbeziehung zwischen dem magnetischen Widerstand RB und dem magnetischen Widerstand RA in der magnetischen Bahn einschließlich der Steuerspule bestimmt. Oder kurz gesagt, der Rotor 1 befindet sich im Gleichgewicht, wenn seine Magnetpole den mittleren Bereichen der Statoren gegenüberliegen, wobei dann RB größer ist als RA, während sich der Rotor 1 im Gleichgewicht befindet, wenn seine Magnetpole dem Spalt gegenüberliegen, wobei dann RB kleiner als RA ist. Sie Beziehung zwischen dem magnetischen Potential und der Gleichgewichtslage des Rotors ist in Fig. 6 für jeden der beiden vorbeschriebenen Gleichgewichtslagen des Rotors dargestellt· In Fig. 6 gibt die ausgezogene Kurve 12 die Beziehung wieder, wenn RA kleiner ist als RB, während die gestrichelte Kurve 13 die Beziehung wiedergibt, wenn RA größer ist als RB. Die Kurven 12 und 13 werden flacher, wenn RA

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gleich RB istο In diesem Fall wird dann der magnetische Potentialunterschied null und der Rotor kann mit einer sehr kleinen Spannung gesteuert und betrieben werden_o In diesem Fall neigt der Rotor jedoch dazu, sich leicht in der entgegengesetzten Richtung zu drehen, wenn irgendeine Belastung von außen an ihn angelegt wird. Folglich muß der Wert der magnetischen Potentialdifferenz entsprechend festgelegt werden. Hierbei hat sich bestätigt, daß der angemessene Wert der magnetischen Potentialdifferenζ durch Indern des Endwinkels OG erhalten werden kann, indem der magnetische Widerstand nahe der (Stator^Enden geändert wird. Andererseits ändert sich der Wert dieses magnetischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Dicke des Stators« Bei einem Rotor und Statoren, die etwa halb so dick wie der Rotor sind, befindet sich der Rotor, wie in Fig. 5 dargestellt, bei einem Endwinkel 00 von etwa 60 im Gleichgewicht, und die magnetische Potentialdifferenz hat den kleinsten Wert bei einem Endwinkel Oi von etwa 50 . In der praktischen Ausführung ist der Stator 2 jedoch etwas bezüglich des Rotors 1 verschoben und die Lage der Magnetpole an dem Rotor ist um etwa JO ° geneigt, wie in Fig. 1 dargestellt ist, um . die Drehrichtung des Rotors zu bestimmen und festzulegen«

Wie leicht die Statoreinstellung durchführbar ist, hängt folglich von der Beziehung zwischen dem Verstellwinkel des Stators und der Winkelverschiebung bzw. -Versetzung des Rotors ab« Oder kurz gesagt, bei einem Endwinkel (X* von etwa 45 ° ist der Rotor bei einem kleinen Verstellwinkel des Stators im Winkel stark versetzte Im Vergleich zu dem Stator, dessen Endwinkel ty kleiner als 45 ° ist, ist die Einstellung des vorbeschriebenen Stators sehr schwierig. Ferner ist bekannt, daß sich die Leistung des Motors stark in Abhängigkeit von der Gleichgewichtslage des Rotors ändert. Die Tatsache, wie leicht die Statoreinstellung durchführbar ist, hat daher einen Einfluß

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auf die Leistung sowie den Preis des Motors.

Der Endwinkel OCf wurde dan er im Hinblick- auf die Versuchsund Untersuchungsergebnisse in einem Winkelbereich von 10 ° "bis 45 ° festgelegt. Darüber hinaus haben die Versuche gezeigt, daß der angemessenste Endwinkel (/, etwa bei 25 ° liegtο

Mit der Erfindung ist somit ein sehr kleiner Schrittschaltmotor geschaffen, dessen Rotordurchmesser 2,5 mm beträgt und der in einer Uhr mit Quarzkristall verwendbar ist. Der Schrittschaltmotor gemäß der Erfindung weist hierbei folgende Vorteile auf: die Leistungsaufnahme des Schrittschaltmotors beträgt etwa 5 bis 7 ^uw", wenn er schrittweise jede Sekunde angesteuert bzw. angetrieben wird, so daß die Uhr mit Quarzkristall mit einer Batterie ein Jahr lang betrieben werden kann. Das Ausgangsdrehmoment des Motors beträgt dann mehr als 4 Dyn cm (4,08 mgcm), wodurch ein Drehmoment garantiert ist, das etwa fünfmal so groß ist, wie das Drehmoment,. das zum Antrieb des gesamten Aufzugsrades in-der Uhr erforderlich ist· Darüber hinaus kann eine hohe Zuverlässigkeit erhalten werden, da die Unregelmäßigkeit des Drehwinkels des Rotors durch die Verwendung des zweipoligen Schrittschal tmotors gemäß der Erfindung herabgesetzt ist.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

1. !Kleiner Schrittschaltmotor, dadurch gekennzeich^s—-'n e t, daß ein Rotor (1) aus einem zylindrischen Permanentmagneten ein Paar Magnetpole. aufweist,und daß sein Durchmesser kleiner als 2,5 mm ist, daß zwei Statoren (2, 3) zwei einander gegenüberliegende, zylindrische Flächen aufweisen, die so um den Rotor (1) herum angeordnet sind, daß dessen Umfang mindestens über mehr als 300 ° umschlossen ist, daß zumindest eine der zylindrischen Flächen exzentrisch bezüglich der Rotorachse angeordnet ist, und daß zumindest eine Spule (4) magnetisch mit den Statoren (2, 3) verbunden ist.

2. Kleiner Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet , daß eine Einstelleinrichtung (7) vorgesehen ist, um zumindest eine der zylindrischen Flächen der Statoren (2, 3) exzentrisch bezüglich der Rotorachse einzustellen, um dadurch eine GieichgewichtsXage des Rotors (1) festzulegen, und daß die einander gegenüberliegenden zylindrischen Flächen der Statoren (2, 3) ■ 1_tO- bis 1,5-mal so stark sind wie der aus einem Permanentmagneten hergestellte Rotor (1).

3. Kleiner Schrittschaltmotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Statoren (2, 3) einen Endwinkel Φ an ihren spitz zulaufenden Enden aufweisen, und daß dieser Endwinkel 00 in einem Winkel* bereich von 10 ° bis 45 ° eingestellt ist.

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