DE4118374C2

DE4118374C2 - Elektrischer Schrittmotor für zwei Drehrichtungen

Info

Publication number: DE4118374C2
Application number: DE4118374A
Authority: DE
Inventors: Roland Sudler
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1991-06-05
Filing date: 1991-06-05
Publication date: 2000-08-10
Anticipated expiration: 2011-06-06
Also published as: DE4118374A1; US5245233A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Schrittmotor für zwei Drehrichtungen, bestehend aus

a) einem Stator mit vier symmetrisch zu einer Rotorachse angeordneten Halbspulen mit Eisenkernen, von denen je zwei gegenüberliegende elektrisch miteinander verbun den sind und eine gleichsinnig angesteuerte Spule bil den, sowie mit einer die Eisenkerne (4) untereinander magnetisch verbindenden Rückschlußbrücke,
b) einem im Stator drehbar gelagerten Rotor, der einen zwei- oder sechspoligen Dauermagneten aufweist, sowie
c) einem Gehäuse.

Schrittmotoren für zwei Drehrichtungen werden vielfach mit einer eisenfreien Kreuzspulwicklung gemäß DE-OS 38 28 464 ausgeführt, bei der der mit dem Rotor drehfest verbundene Magnet vollständig im Inneren der Spule liegt. Diese Schrittmotoren haben den Vorteil, daß mit ihnen ein rein sinusförmiges Drehmoment erzeugt werden kann, wie es für eine Ansteuerung im Mikroschritt-Verfahren wichtig ist.

Nachteilig ist jedoch, daß die Art der Wicklung eine gewisse Mindestbauhöhe erfordert, so daß sich eine extreme Flachbauweise nicht oder nur mit erheblichen Einschränkun gen realisieren läßt.

Eine prinzipiell andere Bauweise von Schrittmotoren wird durch das deutsche Patent 30 26 004 repräsentiert. Dabei sind zwei Spulen auf einen Stator mit Polschuhen gewickelt, deren Achsen in der Ebene des Stators und unter einem Win kel von etwa 120° zueinander angeordnet sind. Insgesamt sind drei Polschuhe ausgebildet die durch Luftspalte von einander getrennt sind und den zweipoligen Magneten des Rotors umfassen. Derartige Schrittmotoren erlauben eine wesentlich flachere Bauweise, sie weisen jedoch eine ausge sprochen hohe Polfühligkeit auf, d. h. es kann nur ein an die Sinusform ungenügend angenähertes Drehmoment erzeugt werden und für die Ansteuerung im Mikroschrittverfahren müssen diese Abweichungen von der Sinusform gesondert berücksichtigt werden.

Außerdem sind Schrittmotoren bekannt, (DE-OS 39 18 538), bei denen ein Stator 4 nach innen weisende Polschuhe auf weist, auf denen vier Halbspulen angeordnet sind. Dabei muß im Zentrum den Stators ein ausreichend großer Freiraum vor gesehen werden, damit die Spulen auf die Polschuhe aufge schoben oder gewickelt werden können. Das bedingt zwangs läufig einen Rotor mit verhältnismäßig großem Durchmesser und entsprechend niedriger Start-Stop-Frequenz. Außerdem tritt wegen der Lücken zwischen den Polschuhen eine starke Polfühligkeit auf.

Es besteht somit die Aufgabe, einen Schrittmotor der ein gangs genannten Art anzugeben, der die geschilderten Nach teile nicht aufweist, d. h. der nicht polfühlig ist und den ideal sinusförmigen Drehmomentverlauf der eisenlosen Kreuz spulwicklung mit der flachen Bauweise der eisenhaltigen, auf einen gemeinsamen Stator gewickelten Spulen verbindet und der mit vertretbarem Aufwand und gut reproduzierbaren Eigenschaften herstellbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein elektromagnetischer Schrittmotor vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß

1. die Eisenkerne äquidistant und parallel zur Rotorachse senkrecht auf der Rückschlußbrüche angeordnet sind,
2. jede Halbspule gegensinnig zu der ihr gegenüberliegen den Halbspule gewickelt ist,
3. die Eisenkerne an ihren der Rückschlußbrüche gegen überliegenden Enden durch ein Polschuhkreuz magnetisch miteinander verbunden sind und
4. der Dauermagnet des Rotors unter Ausbildung eines Luftspaltes innerhalb einer zentralen Bohrung des Pol schuhkreuzes angeordnet ist.

Derartige Schrittmotoren erlauben eine sehr flache Bau weise, ohne daß eine störende Polfühligkeit festzustellen ist. Durch die Anordnung des Polschuhkreuzes werden die magnetischen Feldlinien sehr gut gebündelt und bis in die unmittelbare Nähe des Rotormagneten geführt. Dadurch erhält man eine sehr gute Kopplung und einen überraschend genauen sinusförmigen Verlauf des Drehmoments. Der Rotor-Magnet kann sehr klein gehalten werden, was für die Start-Stop- Frequenz des Motors vorteilhaft ist. Das dadurch zwangsläu fig vergleichsweise kleine Drehmoment kann durch das in den meisten Anwendungsfällen ohnehin notwendige bzw. übliche Getriebe sehr gut kompensiert werden. Wichtig ist, daß das Polschuhkreuz einstückig ausgebildet ist, und zwar so, daß die vier Arme nach der Herstellung der zentralen Bohrung im Kreuzungsbereich durch schmale, genau dimensionierte Stege miteinander verbunden sind.

Andere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen 3 bis 13 beschrieben.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgedankens werden anhand des in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Aus führungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Schrittmotors in Draufsicht,

Fig. 2 zeigt dasselbe Ausführungsbeispiel im Schnitt,

Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt mit Gehäuse.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 sind auf einer Rückschluß brücke 5, die von einer Kunststoffplatte 14 abgedeckt ist, vier Halbspulen 2 mit Eisenkernen 4 angeordnet und durch ein Polschuhkreuz 8 magnetisch miteinander verbunden. Außerdem sind vier Anschlußstifte 20 vorgesehen, an die einerseits die Enden der Spulenwicklungen und andererseits die Kabel für die Ansteuerung des Schrittmotors angeschlos sen werden. Das Polschuhkreuz 8 besitzt vier Arme 10, die nach Fertigstellung der zentralen Bohrung 9 im Kreuzungsbe reich durch schmale, genau dimensionierte Stege 11, 12 mit einander verbunden sind. Der Rotor 6 ist innerhalb der zen tralen Bohrung 9 des Polschuhkreuzes 10 drehbar angeordnet.

Aus der Schnittdarstellung nach Fig. 2 ist ersichtlich, wie die Kerne 4 der Halbspulen 2 einerseits in der Rückschluß brücke 5 des Stators 1 und andererseits im Polschuhkreuz 8 verankert sind. Die Halbspulen 2 sind auf Wickelkörpern 13 aus Kunststoff angeordnet, die ihrerseits auf die Eisen kerne 4 aufgesteckt sind und zusammen mit der Kunststoff platte 14 eine komplette Abdeckung der Rückschlußbrücke 5 bilden. Die Kunststoffplatte 14 kann einstückig mit den Wickelkörpern 13 ausgebildet sein. Alternativ kann man die Kunststoffplatte 14 und die Wickelkörper 13 auch als zusam mengesetztes Bauteil konzipieren oder die Kunststoffplatte 14 mit nur zwei Wickelkörpern 13 einstückig ausbilden.

Die Kunststoffplatte 14 ist mit einem Vorsprung 15 in eine zentrale Bohrung 16 der Rückschlußbrücke 5 eingepreßt. Sie besitzt ferner einen Vorsprung 19 und eine Bohrung 18, in der die Rotorwelle 17 drehbar gelagert ist. Auf der Rotor welle 17 ist der Rotor 6 mit zweipoligem Dauermagnet 7 und Ritzel 24 drehfest angeordnet. Alternativ kann man auch die Rotorwelle 17 drehfest in die Bohrung 18 einpressen und den Rotor 6 auf der Rotorwelle 17 drehbar lagern. Eine axiale Zentrierung des zweipoligen Dauermagneten 7 erfolgt dabei über das Polschuhkreuz 8.

In Fig. 3 ist noch einmal ein Teilschnitt mit Gehäuse 23 dargestellt. Die Rückschlußbrücke 5 ist wiederum von einer Kunststoffplatte 14 abgedeckt, die mit Vorsprüngen 15, 22 in Bohrungen 16 der Rückschlußbrücke 5 eingepreßt ist. Die Vorsprünge 15, 22 besitzen ihrerseits Bohrungen 18, 21 in die die Rotorwelle 17 und die Anschlußstife 20 eingesetzt sind, die sowohl durch die Rückschlußbrücke 5 als auch durch das Gehäuse 23 nach außen vorstehen und so den Anschluß der Kabel für die Ansteuerung des Motors ermögli chen. Auf der Rotorwelle 17 ist der Rotor 6 mit Dauermagnet 7 und Ritzel 24 angeordnet.

Claims

1. Elektromagnetischer Schrittmotor für zwei Drehrichtun gen, bestehend aus

a) einem Stator (1) mit vier symmetrisch zu einer Rotorachse (3) angeordneten Halbspulen (2) mit Eisenkernen (4), von denen je zwei gegenüberlie gende elektrisch miteinander verbunden sind und eine gleichsinnig angesteuerte Spule bilden, sowie mit einer die Eisenkerne (4) untereinander magnetisch verbindenden Rückschlußbrücke (5),
b) einem im Stator (1) drehbar gelagerten Rotor (6), der einen zwei- oder sechspoligen Dauermagneten (7) aufweist, sowie
c) einem Gehäuse (23),

dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Eisenkerne (4) äquidistant und parallel zur Rotorachse (3) senkrecht auf der Rückschlußbrüche (5) angeordnet sind,
2. jede Halbspule (2) gegensinnig zu der ihr gegen überliegenden Halbspule (2) gewickelt ist,
3. die Eisenkerne (4) an ihren der Rückschlußbrücke (5) gegenüberliegenden Enden durch ein Polschuh kreuz (8) magnetisch miteinander verbunden sind und
4. der Dauermagnet (7) des Rotors (6) unter Ausbil dung eines Luftspaltes innerhalb einer zentralen Bohrung (9) des Polschuhkreuzes (8) angeordnet ist.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polschuhkreuz (8) einstückig ausgebildet ist, wobei die vier Arme (10) nach Herstellung der zentralen Bohrung (9) im Kreuzungsbereich durch schmale, genau dimensionierte Stege (11, 12) miteinander verbunden sind.

3. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Eisenkerne (4) durch Nieten mit der Rück schlußbrücke (5) verbunden sind.

4. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polschuhkreuz (8) durch Nieten mit den Eisenkernen (4) verbunden ist.

5. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbspulen (2) auf Wickelkörpern (13) aus Kunststoff angeordnet sind, die auf die Eisenkerne (4) aufgesteckt sind.

6. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlußbrücke (5) spulenseitig durch eine Kunststoffplatte (14) abgedeckt ist.

7. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffplatte (14) und die Wickelkörper (13) ein zusammengesetztes Bauteil bilden.

8. Schrittmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickelkörper (13) in die Kunststoffplatte (24) ein geklipst sind.

9. Schrittmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffplatte (14) mit wenigstens zwei Wickel körpern (13) einstückig ausgebildet ist.

10. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffplatte (14) mit der Rück schlußbrüche (5) durch Eindrücken von Vorsprüngen (15) der Kunststoffplatte (14) in Bohrungen (16) der Rückschlußbrü che (5) miteinander verbunden sind.

11. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle (17) in der Bohrung (18) eines zentralen Vorsprungs (19) der Kunststoffplatte (14) gelagert ist.

12. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstifte (20) in Bohrungen (21) von dezentral angeordneten Vorsprüngen (22) der Kunst stoffplatte (14) eingesteckt sind.

13. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Stator und Rotor von einem flach-zylin derförmigen Gehäuse (23) umgeben sind, bei dem die Anschlußstifte (20) aus einer oder aus beiden Stirnflächen hervorstehen.