DE2847921C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Schrittmotor entsprechend dem Hauptpatent, der insbesondere in einer Quarzarmbanduhr verwendbar ist.

Fig. 1 zeigt einen aus der dem Hauptpatent zugrundeliegenden DE-OS 25 09 883 bekannten Schrittmotor dieser Art, der durch Impulse abwechselnder Polarität schrittweise antreibbar ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Schrittmotor dieser Art derart zu verbessern, daß er verbesserte antimagnetische Eigenschaften aufweist, so daß bei dessen Verwendung in einer kleinen Uhr keine Abschirmplatte zur Abschirmung eines äußeren Magnetfelds erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Schrittmotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf den bekannten Schrittmotor;

Fig. 2 eine Darstellung des Verlaufs der magnetischen Feldlinien bei dem Schrittmotor gemäß der Erfindung;

Fig. 3 den magnetischen Feldlinienverlauf bei Anordnung eines Rotationsellipsoids in einem homogenen Magnetfeld; und

Fig. 4 die Abhängigkeit des Verhältnisses der Flußdichte in einem magnetischen Material zu der äußeren Flußdichte von dem Verhältnis der Länge der kurzen Achse zu der langen Achse des Rotationsellipsoids in Fig. 3.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Schrittmotor ist ein einstückiger Stator 4 vorgesehen, der aus einer Platte aus magnetischem Material besteht. Die Drehrichtung des Rotors 6 wird durch zwei Einbuchtungen 8 a, 8 b bestimmt, die an dem Stator 4 ausgebildet sind. Bei bekannten Schrittmotoren mit einem zweiteiligen Stator findet für den Kern und den Stator 78-Permalloy (78% Ni) Verwendung. Wenn jedoch entsprechend Fig. 1 ein einstückiger Stator 4 mit Einschnürungen 7 a, 7 b verwandt wird, müssen diese gesättigt werden, so daß es erforderlich ist, die Querschnittsabmessung des Kerns zu vergrößern, um den Betrag des Magnetflusses für eine Sättigung des Stators zu kompensieren. Wenn jedoch ein Kern mit einem größeren Querschnitt zur Erhöhung der Flußdichte für eine Sättigung des Stators benutzt wird, wird auch eine größere Anzahl von Wicklungen der Spule erforderlich, wodurch der Widerstand der Spule erhöht und der Wirkungsgrad des Schrittmotors verringert wird. Schwierigkeiten dieser Art sollen durch die Erfindung vermieden werden.

Fig. 2 zeigt den Magnetfluß bei einem Schrittmotor gemäß der Erfindung, bei dem die Sättigungsflußdichte in dem Kern etwa 1,2 Tesla und in dem Stator etwa 0,7 Tesla beträgt, und wobei der Querschnitt des Kerns kleiner als 0,8 mm² ist. In Fig. 2 ist Φ 1 der Magnetfluß, der an dem Rotor 6 auftritt. Φ 2 a und Φ 2 b ist der Magnetfluß, der zur Sättigung der Bereiche 7 a und 7 b des Stators 4 in dem Magnetfluß erforderlich ist, der durch den Rotor 6 erzeugt wird. Φ 3 ist der Magnetfluß, der von einem äußeren magnetischen Feld in dem Kern 5 erzeugt wird. Der weitere Magnetfluß Φ 4 zum Antrieb des Rotors 6, nachdem die Teile 7 a und 7 b des Stators 4 gesättigt sind, ist nicht dargestellt, da dieser Fluß sehr klein im Vergleich zu dem übrigen Fluß ist.

Ein bekannter Schrittmotor entsprechend Fig. 1 hat beispielsweise folgende Abmessungen:

Außendurchmesser des Rotors1,3 mm Dicke des Rotors0,6 mm Innendurchmesser der Öffnung
des Stators2,0 mm Dicke des Stators0,7 mm Kern1 mm · 1 mm Länge10 mm Material des RotorsSmCo₅ Material des Stators78-Permalloy Material des Kerns78-Permalloy

Bei diesem bekannten Motor beträgt Φ 1=40 · 10^-8 Wb, Φ 2=10,08 · 10^-8 Wb (die Breiten der Teile 7 a und 7 b sind 0,1 mm, die Dicke davon beträgt 0,7 mm, die Sättigungsflußdichte 0,72 T). Es ergibt sich deshalb für Φ 0=Φ 1+Φ 2≈ 50 · 10^-8 Wb.

Die Magnetfluß-Kapazität des Kerns beträgt Φ c=72 · 10^-8 Wb. Deshalb ergibt sich eine Toleranz entsprechend Φ c-Φ 0≈ 22 · 10^-8 Wb. Diese 22 · 10^-8 Wb werden durch ein äußeres Magnetfeld verursacht, durch welches ein Magnetfluß auf den dünnen länglichen Kern des Schrittmotors konzentriert wird.

Fig. 3 zeigt zum Zwecke der Simulation die magnetische Flußdichte eines Rotationsellipsoids, welches der Form (Länge und Breite) eines Kerns entspricht und in einem homogenen Magnetfeld angeordnet ist. Im Vergleich zu der äußeren Flußdichte ist die Flußdichte in dem Kern 100mal so groß. Wenn die Feldstärke des äußeren Magnetfelds 20 · 10^-4 T beträgt, beträgt der Fluß in dem Kern etwa 20 · 10^-8 Wb, so daß die Sättigungsgrenze des Kerns 5 erreicht wird. Wenn der Kern 5 gesättigt ist, wird keine Antriebsleistung auf den Rotor 6 übertragen, so daß dieser sich nicht drehen kann. Damit ein Schrittmotor antimagnetisch ist, muß deshalb eine äußere Feldstärke von 20 · 10^-4 T abgeschirmt werden, weshalb bisher eine Abschirmplatte in der Umgebung eines derartigen Schrittmotors erforderlich war.

Ferner ist eine Querschnittsabmessung von 1 mm · 1 mm für den Kern bekannter Schrittmotoren unzweckmäßig im Hinblick auf den Wirkungsgrad des Kerns 5 zu verringern. Ein für einen Kern geeignetes Material, das eine höhere magnetische Permeabilität und eine höhere Flußdichte als Permalloy-78 besitzt, ist Permalloy-45, das eine Sättigungsflußdichte von 1,2 T besitzt. Um dieselbe Kapazität für die Flußdichte wie bei dem bekannten Kern aus Permalloy-78 mit einem Querschnitt von 1 mm · 1 mm zu erzielen, beträgt bei Verwendung von Permalloy-45 der erforderliche Querschnitt (0,72/1,2) · 1 mm²=0,6 mm². Deshalb können dann Querschnittsabmessungen von 0,8 mm · 0,8 mm gewählt werden, so daß es dadurch möglich ist, den Wirkungsgrad eines Schrittmotors zu verbessern.

Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften von Kernen mit Querschnitten von 0,8 mm² und 1,0 mm², auf welche eine Spule mit dem jeweils selben Durchmesser aufgewickelt ist, so daß sich der gleiche Außendurchmesser ergibt:

Eigenschaften

Spule:51 Ω/m Außendurchmesser der Spule: 2,5 mm Länge der Spule: 8,2 mm

Das Verhältnis der magnetomotorischen Kraft dieser Kerne beträgt 1,06, so daß der Wirkungsgrad eines Schrittmotors um etwa 6% erhöht werden kann. Deshalb ist es möglich, den Wirkungsgrad des Schrittmotors durch Verwendung von Permalloy-45 als Kernmaterial für den Kern 5 zu verbessern, welches Material eine hohe magnetische Permeabilität und eine hohe Sättigungsflußdichte aufweist.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, hängt das Verhältnis der Flußdichte Φ m in dem magnetischen Material zu der äußeren Flußdichte Φ a von dem Verhältnis der kurzen Achse A 1 zu der langen Achse A 2 des Rotationsellipsoids ab. Das äußere Magnetfeld, das auf den Kern konzentriert wird, wird deshalb bei Verkürzung des Kerns 5 kleiner. Wenn der äußere Magnetfluß weniger als 20 · 10^-8 Wb beträgt, kann auf eine Abschirmplatte verzichtet werden.

Wie ferner aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist es zweckmäßiger, ein Abmessungsverhältnis von mehr als 0,1 zu wählen.

Wenn der Querschnitt des Kerns rechteckförmig ist, ergibt sich (Länge+Breite)/2. Wenn die Querschnittsform des Kerns kreisförmig ist, ergibt sich ein Durchmesser.

Claims (1)

1. Elektromagnetischer Schrittmotor, der in einer Quarzarmbanduhr verwendbar ist und durch Impulse abwechselnder Polarität zwischen stabilen stationären Lagen schrittweise antreibbar ist, bestehend aus einem von einer Spule umgebenden Magnetkern, mit dem zur Bildung eines geschlossenen magnetischen Flußwegs ein zweipoliger Stator verbunden ist, dessen zwei im wesentlichen halbkreisförmige Statorpolflächen über einen Luftspalt an einen mindestens ein Magnetpolpaar aufweisenden Rotor angrenzen und mindestens eine von der Kreisform abweichende, die Drehrichtung des Rotors und die Anziehungskraft zwischen Stator und Rotor in der stationären Lage bestimmende Ausbildung aufweisen, bei dem die Statorpolflächen durch eine kreisförmige Statoröffnung zwischen diametral gegenüberliegenden eingeschnürten Verbindungsstegen eines einstückigen Stators gebildet sind, mindestens eine Einbuchtung oder Ausbuchtung mit vorbestimmter Größe an der Statoröffnung ausgebildet ist, und die magnetische Sättigungsflußdichte des Materials des Magnetkerns größer als diejenige des Materials des Stators ist, nach dem Hauptpatent 25 09 883, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsflußdichte in dem Kern (5) etwa 1,2 Tesla und in dem Stator (4) etwa 0,7 Tesla beträgt, und daß der Querschnitt des Kerns (5) kleiner als 0,8 mm² ist.