DE3110282C2 - Schrittschaltmotor - Google Patents

Abstract

Bei Schrittschaltmotoren mit einem aus Ferrit bestehenden Rotor nimmt das Drehmoment des Motors mit wachsender Temperatur ab, was es zu vermeiden gilt. Der Motor besteht aus einem Stator mit einem Joch und einer auf das Joch aufgewickelten Spule und besteht weiterhin aus einem Rotor mit einer Welle, auf welcher ein zylindrischer aus Ferrit bestehender Permanentmagnet angeordnet ist. Die Welle besteht aus Stahl oder einer Stahllegierung, deren magnetischer Widerstand mit wachsender Temperatur ansteigt. Das Joch dagegen besteht aus Stahl, dessen magnetischer Widerstand temperaturunabhängig ist. Nimmt infolge erhöhter Temperatur der vom Permanentmagnet erzeugte Fluß ab, dann wird diese Abnahme kompensiert durch eine Abnahme des durch die Welle hindurchgehenden Magnetflusses mit dem Ergebnis, daß der Magnetfluß, der über das Joch auf die Spule einwirkt, unabhängig von Temperaturänderungen konstant bleibt.

Description

zueinander angeordnet sind. Diese Zähne 7 werden durch Stanzen und Umbiegen erzeugt Die Joche werden so ineinandergesteckt, daß die Zähne bzw. die Pole 7 um jeweils 22,5 Grad versetzt zueinander angeordnet sind Mit 8a und %b sind Gehäuseteile bezeichnet, welehe die Lager 9a und 9b tragen. Die beiden Gehäuseteile 8a und 8t werden beispielsweise durch I-ölen oder Schweißen miteinander verbunden, wenn die Einzelteile zusammengebaut sind

Die Arbeitsweise des Motors wird nachfolgend anhand der Fig.7A bis 7D und anhand der Fig.8 beschrieben. Der Einfachheit halber wird vorausgesetzt daß das Joch 3 vier Zähne bzw. Pole und der Permanentmagnet 6 zwei Magnetpole aufweist

Wenn keine Spule bestromt ist dann stehen die Ma- is gnetpole N, S des Permanentmagneten 6 zwei Polen des Jochs 3 gegenüber und der Rotor steht still. Dies ist in F i g. 7A dargestellt Als nächstes sei vorausgesetzt, daß das Signal der Fig.8A der Spule la der ersten Phase und das Signal der Fig.8B der Spule \b der zweiten Phase zugeführt wird Während der Impulsdauer (1) der F i g. 8 werden die Zähne des Joches 3 entsprechend der F i g. 7B magnetisiert, wodurch der Rotor mit dem Magneten 6 und der Welle 5 im Uhrzeigersinn um 45 Grad dreht, wie dies die F i g. 7 B zeigt. Während der Dauer (2) nach F i g. 8 werden die Zähne des Joches 3 magnetisiert entsprechend der F i g. 7C, wodurch der Rotor im Uhrzeigersinn um weitere 90 Grad sich dreht. Während der Impulsdauer (3) nach F i g. 8 wird das Joch 3 entsprechend der F i g. 7D magnetisiert, so daß der Rotor im Uhrzeigersinn um weitere 90 Grad sich dreht.

Dies bedeutet also, daß der Rotor sich jeweils um 90 Grad dreht, wenn die Stromrichtung in der Spule la oder \b wechselt mit Ausnahme des Anlaufs während der Impulsdauer (t) nach Fig.8, wenn den Spulen la und \b ein zweiphasiger impulsförmiger Wechselstrom zugeführt wird, bei welchem die Phasen um 90 Grad verschoben sind, wie dies die F i g. 8 zeigt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 8 weist das Joch 3 acht Zähne für jede Phase auf, d. h. sechzehn Zähne für beide Phasen. Der Drehwinkel bei jedem Stromwechsel beträgt demnach 22,5 Grad (= 360/16). Dementsprechend weist der Rotor nach F i g. 6 acht Magnetpole auf, wobei die Nordpole und die Südpole entsprechend der F i g. 9 abwechselnd angeordnet sind.

Nachfolgend werden die Eigenschaften des Motors beschrieben, wenn sich die Temperatur ändert.

Die Welle 5 des Motors besteht aus Stahl oder einer Stahllegierung, deren magnetischer Widerstand bzw. Reluktanz mit wachsender Temperatur der Welle 5 ansteigt, d. h. der Magnetfluß durch die Welle 5 nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Vorzugsweise besteht die Legierung aus einer Fe-Ni-Co-Legierung, wie sie beispielsweise von der Firma Sumitomo Tokushu Kinzoku Co.Ltd. in Tokio/Japan unter der Bezeichnung « MS-1, MS-2 und MS-3 hergestellt wird. Die Legierung MS-2 weist einen Temperaturkoeffizienten der Magnetflußdichte von -0,8%/°Caul.

Die Verteilung des Magnetflusses im Motor der F i g. 1 wird anhand der F i g. 2 und 3 nachfolgend erläu- to tert.

Es sei vorausgesetzt, daß der Permanentmagnet aus Ferrit einen Fluß Φ erzeugt. Ein Teil Φ\ des Gesamtflusses Φ tritt nach außen aus dem Rotor aus und ergibt in Verbindung mit der Statorspule 1 das Drehmoment des b5 Motors. Ein anderer Teil Φ2 des Gesamtflusses Φ schließt sich über die Welle 5 des Rotors kurz. Der Gesamtfluß genügt also folgender Formel:

Φ - Φ\ + Φι

Ist die Temperatur des Rotors gering, dann ist die Flußdichte, wie sie vom Permanentmagneten erzeugt wird, groß, d. h. der Wert des Gesarntflusses Φ ist groß. Diese Verhältnisse sind in F i g. 2 gezeigt

Steigt jedoch die Temperatur des Magneten 6 an, dann erzeugt der Parameter 6 einen geringeren Fluß und der Wert des Gesamtflusses Φ wird dadurch geringer wie dies in F i g. 3 gezeigt ist. Hierbei ist zu bemerken, daß die Welle 5 und der Magnet 6 fest miteinander verbunden sind, so daß der Magnet 6 und die Welle 5 im wesentlichen die gleiche Temperatur aufweisen. Infolge des höheren magnetischen Widerstandes der Welle 5 bei höherer Temperatur nimmt der Fluß φ> durch die Welle 5 ab. Hierbei ist der Motor so auszulegen, daß die Abnahme des Flusses Φι durch die Welle 5 im wesentlichen gleich ist mit der Abnahme des Gesamtflusses Φ bei erhöhter Temperatur, so daß unabhängig von der Temperatur der Fluß Φ\ im wesentlichen gleichbleibt, was bedeutet, daß das vom Motor erzeugte Drehmoment trotz einer Änderung der Temperatur und trotz einer Änderung des Gesamtflusses Φ sich nicht ändert

Auf diese Weise werden Temperaturänderungen in bezug auf das Drehmoment völlig kompensiert.

Die F i g. 4 zeigt einen weiteren Querschnitt eines Rotors gemäß der Erfindung, bei welchem die Welle aus einer inneren Stahlwelle 5a besteht, welche von einer zylindrischen Hohlwelle Sb umgeben ist. Der aus Ferrit bestehende Permanentmagnet ist mit 6 bezeichnet Die innere aus Stahl bestehende Welle 5a weist unabhängig von Temperaturänderungen konstante magnetische Eigenschaften auf. Die Hohlwelle 7 dagegen, welche die Welle 5a umgibt, besteht aus einer Legierung, welche bei höheren Temperaturen den Magnetfluß vermindert. Der Fluß Φι, der in Verbindung steht mit der Spule 1 kann dadurch unabhängig von Temperaturänderungen konstant gehalten werden. Die Abnahme und/oder Zunahme des Flusses durch die Hohlwelle 7 kompensiert also eine Veränderung des Gesamtflusses Φ des Permanentmagneten mit der Temperatur. Durch Wahl des Verhältnisses des Radiusses η der Welle 5a zum Radius r₂ der Hohlwelle 7 können die Eigenschaften des Motors entsprechend ausgelegt werden. Dieses Verhältnis r₂/n ist so gewählt, daß der äußere Fluß Φ\, der in Verbindung steht mit der Spule 1 unabhängig von Temperaturänderungen konstant bleibt.

Das Wesen der Erfindung besteht also darin, daß die Welle des Motors oder mindestens ein Teil der Welle aus einem Stahl oder einer Stahllegierung besteht, bei welcher der Fluß mit höherer Temperatur abnimmt. Obwohl der Fluß, den der aus einem Ferritmaterial bestehende Permanentmagnet erzeugt, mit höherer Temperatur abnimmt, wird diese Abnahme des Gesamtflusses kompensiert durch eine Abnahme des durch die Welle gehenden Magnetflusses, so daß der äußere Magnetfluß Φ\, welcher in Verbindung steht mit der Statorspule, sich nicht verändert, so daß das Drehmoment des Motors unabhängig von Temperaturänderungen konstant bleibt.

Auf diese Weise ergibt sich ein kleinsr Schrittschaltmotor, welcher sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen ein relativ großes und konstantes Drehmoment erzeugt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Permanentmagneten tragende Welle muß aus einem Patentansprüche: nicht magnetischen Material bestehen. Auch hier nimmt der Nutzfluß und damit das Motordrehmoment mit stei-

1. Schrittschaltmotor mit einem Stator, der minde- gender Temperatur ab.

stens ein Joch mit in Umfangsrichtung angeordneten s In Feinwerktechnik, Jg. 68, H. 9,1964 ist auf Seite 369 Zähnen aufweist mit einer Spule, wobei bei erregter ein Magnetkreis gezeigt bei welchem zwischen .zwei Spule aufeinanderfolgende Zähne entgegengesetzt über einen Permanentmagneten miteinander vorbundemagnetisiert werden, mit einem vom Stator umgebe- nen Joche ein Luftspalt besteht Die beiden Joche sind nen Rotor, dessen Welle einen zu ihr symmetrischen, außerdem Ober einen parallel zum Luftspalt verlaufen· zylindrischen aus Ferrit bestehenden Permanentma- io den Steg miteinander verbunden, der aus einem Materigneten trägt der einen bei ansteigender Temperatur al besteht dessen magnetischer Widerstand mit steigenabnehmenden Magnetfluß aufbaut der aus einem der Temperatur zunimmt Hierdurch wird erreicht daß Nutzfluß und einem Streufluß besteht wobei sich bei steigender Temperatur trotz Abnahme des Magnetder Nutzfluß über die Zähne und das Joch schließt flusses des Permanentmagneten infolge einer Abnahme dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (3) is des durch den Steg hindurchgehenden Streuflusses der aus einem Stahl besteht dessen magnetischer Wi- Nutzfluß im Luftspalt konstant bleibt
derstand temperaturunabhängig ist, und die Welle Dem Stand der Technik sind Eisen-Siliciumlegierun-

(S) aus einem Material besteht dessen magnetischer gen entnehmbar, die einen weitgehend temperaturun-Widerstand mit wachsender Temperatur anwächst abhängigen magnetischen Widerstand aufweisen. Es ist wobei die temperaturbedingte Abnahme des die 20 bekannt, derartige Legierungen als Dynamobleche zu Welle (5) diametral durchsetzenden Streuflusses des verwenden.

Permanentmagneten (6) etwa gleich dessen tempe- Es besteht die Aufgabe, den eingangs genannten

raturbedingte Abnahme des Magnetflusses ist Schrittschaltmotor so auszubilden, daß bei steigender

2. Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, dadurch Temperatur eine Abnahme des Motordrehmoments gekennzeichnet daß die Welle (5) aus einem inneren 25 verhindert wird.

zylindrischen Wellenteil (Sa) und einem hohlzylindri- Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden

sehen äußeren Wellenteil (Sb) besteht, wobei der Merkmalen des Anspruches 1. Eine vorteilhafte Ausgeinnere Wellenteil (Sa) aus einem Material hergestellt staltung -st dem Unteranspruch entnehmbar.

ist dessen magnetischer Widerstand sich mit der Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand

Temperatur nicht ändert, während das äußere WeI- 30 der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

lenteil(5£>j aus einem Material hergestellt ist, dessen Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Schrittschalt-

magnetischer Widerstand mit sich erhöhender Tem- motor;

peratur anwächst. F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A in F i g. 1;

F i g. 3 einen Schnitt entsprechend der F i g. 2 im Zu-

35 stand bei höheren Temperaturen;

F i g. 4 einen Querschnitt bei einer weiteren Ausführungsform;

Die Erfindung betrifft einen Schrittschaltmotor mit F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie B-B in F i g. 1;

einem Stator, der mindestens ein Joch mit in Umfangs- F i g. 6 eine Explosionsdarstellung der Bauteile des

richtung angeordneten Zähnen aufweist, mit einer Spu- 40 Motors nach F i g. 1;

Ie, wobei bei erregter Spule aufeinanderfolgende Zähne F i g. 7A bis 7D verschiedene Arbeitslagen des Mo-

entgegengesetzt magnetisiert werden, mit einem vom tors nach F i g. 1 zur Erläuterung von dessen Betrieb;
Stator umgebenen Rotor, dessen Welle einen zu ihr F i g. 8 ein Diagramm des Stromverlaufs der die Stasymmetrischen, zylindrischen aus Ferrit bestehenden torspule durchfließenden Stroms und
Permanentmagneten trägt, der einen bei ansteigender v> F i g. 9 eine Draufsicht auf den Rotor nach F i g. 1 zur Temperatur abnehmenden Magnetfluß aufbaut, der aus Verdeutlichung von dessen Polarisierung,
einem Nutzfluß und einem Streufluß besteht, wobei sich Bei dem Motor nach F i g. 1 ist die Statorspule 1 auf

der Nutzfluß über die Zähne und das Joch schließt. einen Spulenkörper 2 aufgewickelt. Dieser Spulenkör-

Ein derartiger Motor ist aus der DE-OS 26 13 038 und per 2 umgibt ein Joch 3, welches eine Magnetstrecke aus L'Electricien, Sept. 1966, S. 223—228 bekannt. In 50 bildet und in das die Lager 4 eingesetzt sind, welche beiden Fällen ist zwischen Welle und Permanentmagnet drehbar die Motorwelle 5 lagert. Auf der Motorwelle 5 eine Büchse aus nicht magnetischem Material vorgese- ist angeordnet ein zylindrischer Permanentmagnet aus hen, so daß der Streufluß nicht durch die Welle hin- einem Ferritmaterial. Wird der Spule 1 ein impulsförmidurchgeht. Bei einer Ausführungsvariante gemäß der ges Eingangssignal zugeführt, dann dreht sich der Rotor DE-OS 26 13 038 ist zwischen dieser Büchse und dem 55 mit seiner Welle um einen vorbestimmten Winkel bei Permanentmagneten ein rohrförmiges Teil hoher Per- jedem Impuls.

meabilität vorgesehen, durch den der Streufluß hin- F i g. 5 zeigt einen Querschnitt längs der Linie B-B,

durchgeht. aus welchem hervorgeht, daß das Joch 3 gezahnt ist und

Nimmt bei einem solchen Motor die Temperatur zu, die Teilung der Zahnung ρ beträgt. Die gestrichelten dann vermindert sich der Magnetfluß des Permanent- t>o Pole bzw. Zähne gehören zur zweiten Phase, während magneten und damit auch der Nutzfluß, was zu einer die ausgezogen dargestellten Pole oder Zähne die erste Abnahme des Motordrehmoments führt. Phase bilden. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 be-

Bei dem aus der US-PS 41 27 802 bekannten Schritt- trägt die Teilung ρ 22,5 Grad (= 360/16).
schaltmotor ist zwischen zwei gezahnten Rotorscheiben In F i g. 6 ist der Motor mit seinen Einzelteilen darge-

ein axial magnetisiertcr Permanentmagnet angeordnet. 65 stellt. Mit \a ist die Spule der ersten Phase, mit IZj die Die Zähne eines gezahnten Joches und die Zähne der Spule der zweiten Phase bezeichnet. Ein erstes, zweites, Rotorscheiben, die jeweils zu einer Magnetstrecke gc- drittes und viertes Joch 3a—3d weisen jeweils vier Zähhören, liegen hierbei axial einander gegenüber. Die den ne bzw. Pole 7 auf, welche jeweils um 90 Grad versetzt