DE3039255C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem derartigen Schrittmotor, wie er aus der DE 26 13 038 A1 bekannt ist, wird eine elektromagnetische Kraft zum Antrieb des Rotors in bestimmten begrenzten Winkelbewegungen erzeugt, wenn Impulssignale auf die Statorwicklung übertragen werden. Bei einem solchen Schrittmotor ist daher die Drehfrequenz des Rotors proportional zur Impulsfrequenz, wenn der Motor dauernd angetrieben wird. Aus diesem Grunde ist ein Schrittmotor für die Erzielung einer gleichmäßigen Drehbewegung nicht geeignet, wie sie beispielsweise bei einem Direktantrieb für die Bandantriebsachse eines Magnetbandaufzeichnungs- und -wiedergabegerätes erforderlich ist, weil sich Ungleichmäßigkeiten der Drehung aufgrund des von der Impulsfrequenz abhängigen Laufes in Winkelschritten ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schrittmotor der eingangs angegebenen Art derart weiterzubilden, daß er einen Betrieb mit geringen Drehzahlschwankungen erlaubt, eine geringe Baugröße aufweist und leicht zur Überprüfung oder zur Reparatur der inneren Bauteile des Motors auseinandernehmbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Ein derartiger Motor hat die Vorteile einer konstanten Drehfrequenz eines Schrittmotors, der über eine Impulskette konstanter Frequenz angetrieben wird, wobei jedoch der Nachteil einer ungleichmäßigen Drehung durch den eingebauten Schwungmassenring kompensiert wird. Durch den Einbau des Schwungmassenringes innerhalb des Schrittmotors ergibt sich eine geringe Baugröße und zugleich kann der Motor leicht zur Überprüfung oder zur Reparatur auseinandergenommen werden, ohne daß der Schwungmassenring von der Rotorwelle abgenommen werden muß.

Aus der US-PS 29 82 872 ist es zwar bei einem Elektromotor bekannt, einen Schwungmassenring innerhalb des Motorgehäuses vorzusehen, jedoch handelt es sich dabei um eine relativ schwere Ausführungsform eines schrittweise arbeitenden Elektromotors nach dem Gleichpoltyp, bei dem die besondere Ausgestaltung der eingangs angegebenen Art nicht vorgesehen ist, denn der Schwungmassenring ist als separates Teil neben den magnetisch aktiven Rotorteilen auf der Motor­ welle aufgesetzt und besteht aus einem äußeren und einem auf der Welle befestigten inneren starren Ring, wobei zwischen den Ringen ein Gummiring angeordnet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht des in Fig. 1 dargestellten Motors,

Fig. 3 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform, und

Fig. 4 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Motor 10 weist einen Statorteil 11 und einen Rotorteil 15 auf. Der Statorteil 11 hat einen Aufbau, der dem Aufbau des Stators des bekannten Schrittschaltmotors entspricht, der einen Permanentmagnet­ rotor und äußere Joche 12, innere Joche 13 und Wicklungen 14 aufweist, die zwischen den äußeren und inneren Jochen ange­ ordnet sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei derartige Elemente dargestellt. Die äußeren Joche 12 wei­ sen eine Vielzahl von Polzähnen 12 a auf, die in einem konstan­ ten Abstand voneinander vom Innenumfang der Joche zu deren Achsen verlaufen. In ähnlicher Weise weisen die inneren Joche 13 eine Vielzahl von Polzähnen 13 a auf. Die Wicklung 14 ist zwischen dem äußeren Joch und dem inneren Joch jedes Jochpaares vorgesehen. Das äußere Joch 12 und das innere Joch 13, zwischen denen die Wicklung 14 angeordnet ist, sind miteinander derart verbunden, daß die Zähne 12 a des äußeren Joches 12 relativ zu den Zähnen 13 a des inneren Joches 13 versetzt sind. Die inne­ ren Joche 13 sind gegeneinander oder einander abgewandt an­ geordnet, und die Zähne eines inneren Joches sind um ¹/₄ Winkelgrad der Zähne des anderen inneren Joches versetzt oder winkelverschoben angeordnet. Die beiden Paare des in dieser Weise gebildeten Jochaufbaus sind an einem Flansch 16 ange­ bracht, der in seiner Mitte ein Lager 17 aufweist.

Der Rotorteil 15 ist mit einem Schwungmassenring 18 in einem Stück ausgebildet, wobei der Schwungmassenring scheibenförmig mit einem oberen Teil 18 a, einem mittleren Teil 18 b, dessen Durchmesser größer als der des oberen Teils 18 a ist, und mit einem unte­ ren Teil 18 c ausgebildet ist, dessen Durchmesser größer als der des mittleren Teils 18 b ist. Der Schwungmassenring 18 weist eine Aussparung 19 im mittleren unteren Teil und eine zentrale Bohrung 20 auf, die mit der Aussparung 19 in Verbindung steht. Eine Rotorwelle 21 ist in die Bohrung 20 durch Preßsitz eingepaßt, wobei sich das Ende der Rotorwelle 21 bis zu der horizontalen Ebene des unteren Teils des Schwungmassenrings er­ streckt. Am mittleren Teil 18 b ist starr ein ringförmiger Permanentmagnet 22, beispielsweise ein Ferritmagnet, vorgesehen, der einen Außendurchmesser hat, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser des mittleren Teils 18 b ist. Der ringförmige Permanentmagnet 22 weist eine gleichbeab­ standete Vielpolmagnetisierung auf, wobei benachbarte Pole entgegengesetzt polarisiert sind, so daß die Anzahl der Pole des Rotors gleich der des Stators ist. Der Schwungmassenring 18 ist so ausgebildet, daß er einen maximalen äußeren Durchmesser hat, der im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des kom­ binierten Aufbaus der Joche 12 und 13 ist. Das äußere Ende des unteren Teils 18 c des Schwungmassenringes 18 ist nämlich in vertikaler Richtung im wesentlichen in einer Linie zur äuße­ ren Umfangsfläche des Statorteils 11 ausgerichtet.

Der Rotorteil 15 mit dem beschriebenen Aufbau ist eng in den Statorteil 11 derart eingesetzt, daß die Rotorwelle 21 dreh­ bar im Lager 17 gehalten ist. Ein Gehäuse 23 ist am Abdeckelement bzw. Flansch 16 befestigt. Die Rotorwelle 21 ist gleichfalls an ihrem Ende in einem Lager 24 gelagert, das in der Mitte des Gehäuses 23 vorgesehen ist. Der Permanentmagnet 22 ist somit symmetrisch bezüglich des Stators 11 oder in der Trennebene zwischen den beiden inneren Jochen 13 angeordnet.

Wenn der Motor dazu verwandt wird, ein Magnetband eines Mag­ netbandaufzeichnungs- und -wiedergabegerätes anzutreiben, so daß der durch die Wicklungen des Motors erzeugte magnetische Fluß abgeschirmt werden muß, damit er den Magnetkopf nicht beeinflußt, ist es wünschenswert, daß der Flansch 16 sowie das Gehäuse 23 aus magnetischen Materialien bestehen.

Im folgenden wird der Betrieb des in den Fig. 1 und 2 darge­ stellten Motors beschrieben. Ein elektrischer Stromimpuls konstanter Frequenz liegt an den Wicklungen 14, um den Motor anzutreiben. Wenn die Last des Motors kleiner als das syn­ chronisierende Moment des Motors bei der anliegenden Frequenz ist, dreht sich der Rotorteil genau proportional zur anlie­ genden Frequenz. Das bedeutet, daß die Eigenschaft einer konstanten Drehzahl des Motors hauptsäch­ lich von der Stabilität der anliegenden Frequenz und nicht vom Aufbau des Motors abhängt. Eine absolut genaue Drehzahl kann somit dadurch erreicht werden, daß ein Kristall- oder Quarzoszillator verwandt wird. Ungleichmäßigkeiten im Dreh­ moment, die durch die im Abstand voneinander angeordneten Polzähne 12 a und 13 a hervorgerufen werden, und Unregelmäßig­ keiten in der Umfangsgeschwindigkeit aufgrund von Ungleich­ mäßigkeiten im Drehmoment werden nahezu vollständig durch den Schwungmassenring 18 absorbiert, so daß sich eine gleichmäßige und regelmäßige Drehung ergibt.

Wie es allgemein bekannt ist, kann ein Schrittmotor mehrpolig ausgebildet sein, wobei der Winkelschritt so klein wie möglich gehalten werden kann. Eine konstante Drehung in einem geringen Frequenzbereich kann daher dadurch erzielt werden, daß ein Oszillator mit stabiler Frequenz verwandt wird. Der Motor wird vollständig im Gleichge­ wicht relativ zur Drehrichtung betrieben, da die Bauelemente, wie beispielsweise die Zähne der Joche 12 und 13, symmetrisch zur Drehrichtung des Rotorteils 15 sind und alle Zähne we­ nigstens eines Paares von inneren und äußeren Jochen zum sel­ ben Zeitpunkt unter denselben Verhältnissen erregt werden. Der Motor ist daher frei von einem unausgeglichenen Lauf und erzeugt keinen Schwankungsanteil oder eine niederfrequente Instabilität.

Ein Problem der ungleichmäßigen Drehung in einem relativ hochfrequenten Bereich, nämlich die Instabilität, wird im we­ sentlichen vollständig durch das Trägheitsmoment des Schwungmassenrings 18 aufgefangen, das den hochfrequenten Anteil absorbiert und das gewünschte Schwankungs- und Insta­ bilitätsverhalten bei einer kleinstmöglichen Größe des Schwungmassenrings liefert. Es hat sich herausgestellt, daß ein druckgegossener Schwungmassenring aus einer Zinklegierung mit einer kleinstmöglichen Größe, beispielsweise mit einem Durchmesser von 43 mm und einer Stärke von 1,5 mm in zufriedenstellender Weise bei einem Motor für den Direktantrieb der Bandantriebs­ achse für ein Magnetbandaufzeichnungs- und -wiedergabegerät verwendbar ist.

Der Motor kann leicht dadurch auseinanderge­ nommen werden, daß lediglich der Flansch 16 vom Gehäuse 23 gelöst wird. Wenn der Flansch 16 vom Gehäuse 23 gelöst ist, kann der Rotorteil 15, der aus dem Schwungmassenring 18, der Rotorwelle 21 und dem Permanentmagneten 22 besteht, leicht entfernt werden, um eine notwendige Überprüfung oder Repara­ tur durchzuführen. Wenn Fremdstoffe oder unerwünschte Ver­ hältnisse, wie beispielsweise eine falsche Lage der Bauele­ mente, wie beispielsweise der Polzähne, gefunden werden, kön­ nen diese Fremdstoffe leicht entfernt werden oder es können die unerwünschten Verhältnisse nachgestellt werden. Der leichte Ausbau der Bauteile erlaubt eine Überprüfung der verschiede­ nen Eigenschaften des Motors, während der Schwungmassenring 18 an der Rotorwelle 21 befestigt bleibt.

Ein Beispiel des Motors mit einem Außen­ durchmesser von 48 mm, einer Höhe von 18 mm, 48 Impulsen pro Umdrehung und einem Schwungrad mit 100 bis 150 g · cm² wurde versuchsweise mit 360 Upm, nämlich mit einer Impulsfrequenz von 280 Impulsen pro Sekunde betrieben. Der Versuch hat er­ wiesen, daß der gewichtsbezogene quadratische Mittelwert (WRMS) kleiner als 0,02% ist, ein Wert, der für ein Prüfband für ein Bandaufzeichnungs- und -wiedergabegerät der Grenzwert ist.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Statorteil 15 oder der kombinierte Aufbau der Joche 12 und 13 so weit wie möglich von einem nicht dargestellten Magnetkopf angeordnet, der sich im allgemeinen über dem Flansch 16 befindet, um ei­ nen magnetischen Einfluß auf den Magnetkopf abzuschirmen. Um die magnetische Abschirmung in der beschriebenen Weise zu er­ zielen, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Schwungmassenring so ausgebildet, daß er einen Zwischenraum aufweist, um dort den Statorteil 11 anzuordnen. Der Schwungmassenring 18, der mit dem un­ teren Ende einer Rotorwelle 21 in Eingriff steht, weist näm­ lich einen mittleren Teil 33, der nach außen verläuft, einen aufrecht stehenden Teil 34, der vom äußeren Ende des mittleren Teiles 33 nach oben verläuft, eine Verlängerung 35, die vom oberen Ende des aufrecht stehenden Teiles 34 nach außen vor­ steht, und eine Schulter 36 an einer inneren Unterfläche der Verlängerung 35 auf, um daran den ringförmigen Permanentmag­ neten 22 in Verbindung mit einer äußeren Unfangsfläche des aufrecht stehenden Teiles 34 zu befestigen. Es ist ohne wei­ teres ersichtlich, daß der mittlere Teil 33, die Schulter 36 und die Verlängerung 35 den oberen Teil 18 a, den mittleren Teil 18 b und den unteren Teil 18 c des Schwungmassenrings bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wiederge­ ben oder diesen Teilen entsprechen.

Das Gehäuse 23 hat bei diesem Ausführungsbeispiel die Form einer flachen Platte, während der Hilfsabdeckteil 30′ becher­ förmig ausgebildet ist. Zwischen der inneren Umfangsfläche des Hilfsabdeckteils 30′ und der äußeren Umfangsfläche der Joche 12 und 13 ist ein Ringraum vorgesehen, um darin einen Ring 31 zu befestigen, der die Wirkung einer Abschirmung ei­ nes magnetischen Streuflusses von den Jochen hat, die Win­ dungen enthalten.

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung des im Vorhergehenden beschrie­ benen Ausführungsbeispiels, wobei einige Teile zur Deutlichkeit der Darstellung weggelassen sind. Bei diesem abgewandelten Aufbau sind im wesentlichen ringförmige Per­ manentmagnete 38, 39 an den gegenüberliegenden Außenflächen des Schwungmassenringes 18 und des Gehäuses 23 angeordnet. Die ring­ förmigen Magnete sind an den Elementen 18 und 23 einfach da­ durch angebracht, daß eine Aussparung in der Unterfläche des Schwungrades 18 und eine Aussparung in der oberen Außenfläche des Gehäuses 23 ausgebildet sind, und diese Magnete in den Aussparungen durch geeignete Einrichtungen, beispielsweise durch ein Klebemittel, befestigt sind. Die einander gegen­ überliegenden Magnete 38, 39 haben eine derartige Polarität, daß benachbarte Pole eine entgegengesetzte Polarität haben. Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß die ringförmigen Magnete 38, 39 einander anziehen, und daß die Anordnung der Magnete insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn der Motor in ein trag­ bares Gerät eingebaut ist, bei dem die Drehachse 21 nicht notwendigerweise vertikal zu einer horizontalen Ebene ver­ läuft, wohingegen bei dem Aufbau der vorhergehenden, in den Fig. 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele manchmal eine axiale Bewegung des Rotorteils 15 auftreten kann, da die Welle 21 lediglich durch die beiden Lager 17 und 24 ge­ halten ist. Die magnetische Kraft der ringförmigen Magnete 37, 38 wird eine stabile Drehung des Motors überhaupt nicht beeinflussen, da die Richtung der magnetischen Kraft identisch mit der Axialrichtung des Rotors ist.

Claims (5)

1. Schrittmotor nach dem Klauenpolprinzip mit einem Stator (11) mit Antriebswicklungen (14) und ersten (12) und zweiten (13) Jochen, wobei jedes Joch eine Vielzahl von Polzähnen (13 a, 12 a) aufweist, die in Umfangsrichtung in konstanten Abständen derart nach innen vorstehen und axial gerichtet sind, daß jeweils die Polzähne des ersten Joches (12) in die durch die Polzähne gebildeten Lücken des zweiten Joches (13) greifen, und wobei benachbarte Joche miteinander verbunden und die Antriebswicklungen (14) jeweils im Raum zwischen dem ersten (12) und dem zweiten (13) Joch angebracht sind, und mit einem Rotor (15), der auf der Welle (21) angebracht ist und aus einem auf der Welle im Schrittmotor angebrachten Rotorteil (15) und einem auf dem Rotorteil (15) befestigten ringförmigen Permanentmagneten (22) besteht, wobei der Permanentmagnet mehrpolig magnetisiert ist, so daß er eine Vielzahl von Nord- und Südpolen aufweist, die abwechselnd entlang seines Umfanges angeordnet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein einstückig mit dem Rotorteil (15) verbundener Schwungmassenring (18) vorgesehen ist, der neben dem jeweiligen äußeren Joch innerhalb des Schrittmotors angeordnet ist.

2. Motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein topfförmiges Gehäuse (23) und ein Abdeckelement (16), in denen der Rotor (15), der Stator (11) und der ringförmige Permanentmagnet (22) enthalten sind.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (23) innen in der Mitte ein Lager (24) aufweist, um drehbar ein Ende der Rotorwelle (21) zu lagern.

4. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwungmassenring (18) einen Permanentmagneten (38) an der Oberfläche aufweist, die dem Gehäuse (23) gegenüberliegt, wobei das Gehäuse (23) einen weiteren Permanentmagneten (39) an der Oberfläche aufweist, die dem Schwungmassenring gegenüberliegt, und der Permanentmagnet des Schwungmassenringes den Permanentmagneten des Gehäuses axial anzieht, wobei der Permanentmagnet (38) des Schwungmassenringes in einer Linie zum weiteren Permanentmagneten (39) des Gehäuses ausgerichtet angeordnet ist und beide Permanentmagneten (38, 39) ringförmig sind.

5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in einem Stück mit dem Schwungmassenring (18) ausgebildete Rotor eine Öffnung aufweist, um den ringförmigen mehrpolig magnetisierten Permanentmagneten (22) zu befestigen.