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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hybrid-
Schrittmotor und insbesondere auf neue Verbesserungen des
Hybrid-Schrittmotors, indem das Winden und die Anordnung von
Spulen erleichtert ist durch Anwenden eines Spule-auf-
Spulenkörper-Windungsverfahrens, und die Dichte der Spulen
ist erhöht, um eine höhere Effizienz und ein kostengünstiges
Design bereitzustellen.
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In dem in Fig. 1 gezeigten herkömmlich verwendeten Hybrid-
Schrittmotor ist ein Rotorjoch 9 als ein äußerer Rotor
drehbar durch ein Statorjoch 6 gelagert, und eine Spule ist
um jeden Zahn 7 des Statorjochs gewunden.
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Fig. 2 zeigt eine Struktur, offenbart durch Nikkei
Mechanical, veröffentlicht am 13. August 1984, in der ein
Rotorjoch 9 drehbar zwischen einem inneren Statorjoch 6A und
einem äußeren Stator 6B gelagert ist, und eine nicht gezeigte
Spule ist direkt um jeden der Zähne 7 des Stators 6A, 6B
gewunden. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist in einem weiteren
bekannten Hybrid-Schrittmotor eine Drehwelle 1 drehbar durch
ein Paar von Lagern 2, 3 gelagert, die an beiden Enden eines
Gehäuses 4 befestigt sind. Ein im allgemeinen ringförmiges
Statorjoch 6, das eine Statorspule 5 besitzt, ist an der
inneren Fläche 4a des Statorgehäuses 4 montiert. Eine
Vielzahl von Statorzähnen 7 ist unter gleichmäßigen Abständen
in Umfangsrichtung entlang des inneren Umfangs des
Statorjochs 6 beabstandet angeordnet. Zwischen den Lagern 2,
3 sind ringförmige erste und zweite Statorjoche 9, 10
angeordnet, die in einem einheitlichen Körper auf der
Drehwelle mit einem Magneten 8 dazwischen angeordnet sind,
und die Rotorjoche 9, 10 besitzen auf ihren Umfängen eine
Vielzahl von Rotorzähnen 9a, 10a, und die Rotorjoche 9, 10
wechseln sich in ihrer Polarität miteinander ab. Durch
Zuführen eines Antriebsimpulses von einer nicht gezeigten
Antriebsschaltung zu der Statorspule 5 rotieren die
Rotorjoche 9, 10 schrittweise.
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Der derart aufgebaute Hybrid-Schrittmotor des Standes der
Technik besitzt somit die folgenden Probleme.
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In dem Hybrid-Schrittmotor, der wie in Fig. 3 gezeigt
Rotorjoche besitzt, zwischen denen jeweils ein Magnet
eingelegt ist, ist die Statorspule, die um jeden Zahn des
Statorjochs gewunden ist, innerhalb des Gehäuses
positioniert, und somit ist das Winden der Spule um jeden
Zahn schwierig und ein Erhöhen der Dichte der Spule ist
ebenfalls schwierig. In den in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten
Strukturen sollte die Spule direkt um jeden Zahn gewunden
sein, und somit entstehen dieselben obigen Probleme.
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DE-C-38 21 660 offenbart einen Motor, der einen becherförmigen
Rotor besitzt, jedoch ist dies nicht ein Hybrid-Motor.
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EP-A-0 544 200 offenbart eine Hybrid-Synchronmaschine mit
transversalem magnetischen Fluss. Die offenbarte Vorrichtung
ist auf das technische Problem hoher Dichte des transversalen
magnetischen Feldes in dem Luftspalt gerichtet und dient zum
Lösen des Problems, Rotordauermagneten mittels einer
magnetisierten Scheibe anstelle einzeln eingefügter Magneten
zu installieren.
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GB-A-2 052 176 offenbart einen Schrittmotor derart, die ein
Stator mit einem Dauermagneten, Antriebswindungen, vier
versetzten Sätzen von Zähnen und einen Rotor mit vier
entsprechend ausgerichteten Sätzen von Zähnen besitzt. In
diesem besonderen Motor werden Drehmomentvariationen und
Bedienungsschrittwinkelfehler vermindert durch geringe
Winkelverschiebungen des üblichen 90º Unterschieds zwischen
verschiedenen Sätzen von Statorzähnen oder von Rotorzähnen.
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Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die obigen
Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen hoch effizienten und kostengünstigen
Schrittmotor bereitzustellen, in welchem das Winden und das
Anordnen von Spulen erleichtert sind und die Dichte von
Spulen erhöht ist.
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Dementsprechend stellt die Erfindung einen Hybrid-
Schrittmotor nach Anspruch 1 bereit.
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Der Magnetsatz weist bevorzugt einen ersten Magneten, der
zwischen den inneren Statorjochen eingelegt ist, und einen
zweiten Magneten, der zwischen den äußeren Statorjochen
eingelegt ist, auf.
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Der Magnetsatz weist bevorzugt einen ersten Magneten, der
zwischen der festen Welle und den inneren Statorjochen
eingelegt ist, und einen zweiten Magneten, der zwischen den
äußeren Statorjochen und der äußeren Wand der festen Welle
eingelegt ist, auf, wobei die Magneten einander über den
Trommelrotor zugewandt sind.
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Fig. 1 ist eine Perspektivansicht, welche einen Motor des
Standes der Technik zeigt.
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Fig. 2 ist eine Draufsicht, welche einen Motor des Standes
der Technik zeigt.
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Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Motor
des Standes der Technik zeigt.
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Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Hybrid-
Schrittmotor der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht des Schrittmotors aus
Fig. 4.
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Fig. 6 ist ein erläuterndes Diagramm, welches die Ströme
der magnetischen Flüsse zeigt, die durch den
Magnetsatz erzeugt sind.
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Fig. 7 ist ein erläuterndes Diagramm, welches die Ströme
der magnetischen Flüsse zeigt, die durch die Spulen
erzeugt sind.
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Fig. 8 ist ein erläuterndes Diagramm, welches die
kombinierten Flüsse des Magnetsatzes und der Spulen
zeigt, wobei Ströme durch diese fließen, und die
Rotation des Rotorjochs.
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Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht, welche ein weiteres
Beispiel des Schrittmotors aus Fig. 4 zeigt.
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Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht, welche den
Schrittmotor aus Fig. 9 zeigt.
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Fig. 11 ist ein erläuterndes Diagramm, welches die Ströme
der magnetischen Flüsse zeigt, die durch den
Magnetsatz erzeugt sind.
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Fig. 12 ist ein erläuterndes Diagramm, welches die Ströme
der magnetischen Flüsse zeigt, die durch die Spulen
erzeugt sind.
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Fig. 13 ist ein erläuterndes Diagramm, welches die
Schrittrotation des Motors zeigt.
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Fig. 14 ist ein erläuterndes Diagramm, welches eine
Fortsetzung der Schrittrotation des in Fig. 13
gezeigten Motors zeigt.
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Fig. 15 ist eine Querschnittsansicht, welche ein weiteres
Beispiel des Schrittmotors zeigt.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden bevorzugte
Ausführungsformen des Hybrid-Schrittmotors gemäß der
vorliegenden Erfindung nun diskutiert. Identische oder
gleichwertige Komponenten zu denjenigen in Bezug auf den
Stand der Technik sind mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet. Fig. 4 bis 8 zeigen eine erste Ausführungsform,
und Fig. 4 zeigt zuerst einen Hybrid-Schrittmotor mit
Außenrotorstruktur. Mit Bezugszeichen 1 ist eine hohle feste
Welle bezeichnet, die aus einem nicht magnetischen Material
hergestellt ist, und ein auf der festen Welle 1 montiertes
Lager 2 lagert einen im allgemeinen trommelförmigen Rotor 4
drehbar. Der Rotor 4 besitzt auf seinem inneren und seinem
äußeren Umfang eine Vielzahl von Zähnen 7 wie in Fig. 5
gezeigt.
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Mittels erster und zweiter Magneten 8a, 8b, die den
Magnetsatz 8 auf der festen Welle 1 darstellen, sind die
ringförmigen ersten und zweiten inneren Statorjoche 9, 10
nebeneinander in der Richtung der Welle mit dem Magnetsatz 8
dazwischen in einem einheitlichen Körper angeordnet, und die
Statorjoche 9, 10 besitzen axial zentrierte, kreisförmige
Spulenschlitze 20a, 21a auf ihren Umfängen. Die
Spulenschlitze 20a, 21a besitzen eine erste Spule 22 und eine
zweite Spule 23, die jeweils in einer Spule-auf-Spulenkörper-
Windungsart gewunden sind (die Spulen 22, 23 sind in einem
automatischen Verfahren mittels einer Spulenwindungsmaschine
gewunden). Das erste Statorjoch 9 besitzt auf seinem Umfang
erste und zweite N-Pole, N1 und N2, zwischen denen die erste
Spule 22 eingelegt ist, und das zweite Statorjoch 10 besitzt
auf seinem Umfang erste und zweite S-Pole, S1 und S2,
zwischen denen die zweite Spule 23 eingelegt ist, jeder der
Pole N1, N2, S1 und S2 entspricht zu dem Rotorzahn 7, und die
Pole N1, N2, S1, S2 besitzen eine Vielzahl von Zähnen 9a,
10a, die denselben Abstand wie die Rotorzähne 7 besitzen. Wie
in dem erläuternden Diagramm in Fig. 8 gezeigt, sind die
Statorzähne 9a und 10a derart gebildet, dass die Pole N1 und
N2 um einen halben Abstand ("pitch") versetzt sind, und dass
die Pole S1 und S2 um einen halben Abstand versetzt sind, und
die N-Pole N1 und N2 und die S-Pole S1 und S2 der Statorzähne
9a und 10a sind jeweils um 1/4 Abstand versetzt.
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Die feste Welle 1 besitzt auf ihrem äußeren Umfang eine
äußere Wand 1A mit einem L-förmigen Querschnitt, und auf der
äußeren Wand 1A sind erste und zweite Statorjoche 50, 51 auf
dieselbe Weise montiert wie die inneren Statorjoche 9, 10
installiert sind, und die Statorjoche 50, 51 besitzen auf
ihrem inneren Umfang dritte und vierte, axial zentrierte,
kreisförmige Spulenschlitze 20b, 21b, dritte und vierte
Spulen 24, 25, und Statorzähne 9c, 9d, auf dieselbe Weise wie
sie die inneren Statorjoche 9, 10 besitzen.
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Der Betrieb des Motors wird nun diskutiert. Fig. 6 zeigt den
Strom der durch die ersten und zweiten Magneten 8A, 8B
erzeugten Flüsse, und Fig. 7 zeigt die durch die Spulen 22
bis 25 erzeugten Flüsse, worin die Richtungen der Ströme der
Flüsse durch die Richtungen der Stromströme in den Spulen 22
bis 25 bestimmt sind. In Fig. 8, wenn eine nicht gezeigte
Antriebsschaltung ermöglicht, dass Strom durch die Spulen 22
bis 25 fließt, mit den Magneten 8A, 8B dazwischen in den
Richtungen A und B angeordnet, rotiert der Rotor 4 unter der
bekannten magnetischen Wirkung von dem Zustand 0 in den
Zustand I. Anschließend, wenn ermöglicht wird, dass die
Ströme in den Richtungen A bar und B bar entgegengesetzten
Richtungen A und B fließen, rotiert der Rotor 4 wie gezeigt
in einen Zustand II und einen Zustand III, und kehrt dann in
den Zustand 0 zurück, was eine Schrittrotation um einen
Abstand des Rotorzahns 7 abschließt. Da in der Struktur in
Fig. 1 der Rotor 4 selbst dünn konstruiert ist, besitzt er
eine geringe Trägheit ("inertia"), das Spulenwinden ist
einfach, die Belegungsrate der Spulen wird erhöht und
doppelte Windungsspulen verdoppeln das Drehmoment.
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Die Spulen 22, 23 sind extern auf Spule-auf-Spulenkörper-
Weise mittels einer Spulenwindungsmaschine gewunden, und im
Falle der Spulen 24, 25 sind die Statorjoche 50, 51 entlang
der gestrichelten Linien geschnitten und dort getrennt, um
sich an die Spulen 24, 25 anzupassen, die um Spulenkörper
spulenartig gewunden sind.
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Fig. 9 bis 14 zeigen eine zweite Ausführungsform, worin der
Rotor 4 dicker ist als der Rotor 4 in Fig. 4, und dessen
Trägheit ist entsprechend größer, jedoch wird
Drehmomentungleichmäßigkeit verhindert. Identische Bauteile
zu denjenigen in Bezug auf Fig. 4 bis 8 sind mit denselben
Bezugszeichen in der nachfolgenden Diskussion bezeichnet. Die
Anordnungen sind in den Richtungen der Stromflüsse in den
Spulen 22 bis 25 derart vorgenommen, dass die Spulen 22 und
24 in ihren magnetischen Flüssen entgegengesetzt sind, und
die Spulen 23 und 25 in ihren magnetischen Flüssen
entgegengesetzt sind, wie in Fig. 12 gezeigt. Wie in Fig. 13
und 14 gezeigt, wenn die entgegengesetzten Ströme in den
Spulen 22, 24 fließen, ist der Rotor 4 in dem Zustand 0, und
der Rotor 4 wechselt von dem Zustand 0 in den Zustand I, wenn
entgegengesetzte Ströme in den Spulen 23, 25 zugelassen
werden. Wenn die Spulen 22, 24 und die Spulen 23, 25
stromgetrieben sind in der Phasenumkehr zu den Zuständen 0
und I, wechselt der Rotor 4 in den Zustand II und in den
Zustand III, was einen Abstand der Zähne abschließt. In
Vergleich mit Fig. 13 und 14 erzeugen in Fig. 8 die Pole N1,
S3, S2 und N4, die weiter von dem Magnetsatz 8 entfernt sind,
Drehmoment im Zustand 0 und I, und die Pole N2, S4, S1 und
N3, die näher zu dem Magnetsatz 8 sind, erzeugen Drehmoment
in den Zuständen II und III. Somit ist das Drehmoment in den
Zuständen II und III etwas größer als dasjenige in den
Zuständen 0 und I. In den Zuständen I bis III in Fig. 13 und
14 tragen die weiter entfernten Pole und die näher gelegenen
Pole in Bezug auf den Magnetsatz 8 zur Drehmomenterzeugung in
ausgeglichener Weise (wie in den Figuren gezeigt) bei, und
daraus ergibt sich, dass ein Antrieb mit weniger
Drehmomentungleichmäßigkeit erzielt wird.
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Obwohl in der ersten und zweiten Ausführungsform unter
Bezugnahme auf Fig. 4 bis 14 die Magneten 8A, 8B senkrecht zu
der Richtung der Welle des Motors angeordnet sind, können die
Magneten 8A, 8B parallel zu der Richtung der Welle des Motors
angeordnet sein, zwischen den inneren Statorjochen 9, 10 und
der festen Welle 1 und zwischen den äußeren Statorjochen 50,
51 und der äußeren Wand A1 der festen Welle 1 wie in Fig. 15
gezeigt. In Fig. 15 sind identische Bauteile zu denjenigen in
Bezug auf die vorherigen Ausführungsformen mit denselben
Bezugszeichen bezeichnet, und der Betrieb des Schrittmotors
ist prinzipiell identisch zu dem oben beschriebenen Betrieb,
und somit wird die Beschreibung des Betriebs hierin nicht
wiederholt. In Fig. 15 ist es nicht erforderlich, dass die
feste Welle 1 nicht magnetisch ist.
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Die Spulen 22 bis 25 sind mit dem Spule-auf-Spulenkörper-
Windungsverfahren des Standes der Technik gewunden, und
dessen Typ kann bipolares Winden oder unipolares Winden sein,
und Anregung kann nicht nur durch Einzelphasenanregung
sondern auch durch Zweiphasen- oder Einzel-Zweiphasen-
Anregung ("single-two-phase excitation") durchgeführt werden.
Umschalten des Abstands in jedem der Zähne 7, 9a und 10a ist
ein relativer Wert, und derselbe Betrieb wird durchgeführt,
falls jegliche Zähne in Bezug aufeinander versetzt sind.
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Der gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierte Hybrid-
Schrittmotor bietet die folgenden Vorteile. Da die Spulen auf
den Umfängen der Statorjoche in Spulenkörperwindungsart
gewunden sind, und die spulenkörpergewundenen in die anderen
Statorjoche eingefügt sind, ist der Spulenwindungsvorgang
einfach, erheblich niedrigere Kosten werden erzielt für diese
Art des Hybrid-Schrittmotors mit Außenrotorstruktur, die
Spulenbelegungsrate wird erhöht, und ein Design mit hohem
Drehmoment wird erhalten. Da die Spulen auf doppelte Weise
verwendet werden, wird das Drehmoment entsprechend
verdoppelt. Unabhängig von der Anzahl von Phasen oder Polen
ist der gesamte Umfang des Motors verfügbar für magnetische
Pole, und somit wird ein großer Freiheitsgrad bei der Auswahl
der Anzahl von Zähnen pro Umdrehung ermöglicht.