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Kollektormotor
Die Erfindung betrifft einen Kollektormotor, bei dem neben der üblichen Leistungsabnahme an seiner
Rotorwelle, noch die zusätzliche Abnahme zyklisch wiederkehrender Bewegungsimpulse von seinen Bür- sten möglich ist, welche für weitere Antriebe oder für Regel- und Steuerzwecke - letztere auch für den Motor selbst-verwendet werden können.
Bei elektrischen Motoren mit gewickelten Rotoren wird der Strom den Rotorspulen durch Bürsten zu- geführt, die gegen einen von der Rotorwelle getragenen Kollektor anliegen. Der Kollektor ist in eine
Anzahl von Segmenten bzw. Lamellen unterteilt und soferne die verschiedenen Lamellen in Kontakt mit den Bürsten kommen, wird Strom durch einige oder alle Rotorspulen in einer bestimmten Weise geleitet.
Häufig kann der Motor in Verbindung mit Einrichtungen stehen, die zur Regelung seiner Geschwindigkeit, zum Zählen seiner Umdrehungen, zum Hervorrufen einer zyklischen Betätigung anderer Geräte und bzw. oder Systeme usw. dienen. Üblicherweise werden derartige zusätzliche Funktionen durch von der Motorwelle angetriebene Mechanismen ausgeführt.
So ist beispielsweise in der brit. Patentschrift Nr. 653, 218 ein Motor beschrieben, bei dem ein an Spannung liegender Exzenter ein zyklisches'Öffnen und Schliessen von Kontakten bewirkt, die im Motorstromkreis liegen.
Gemäss der Erfindung kann ein diesen Zwecken dienendes Gerät erheblich vereinfacht und verbessert werden, indem ein Kollektor vorgesehen ist, der ein bezüglich der Achse unrundes Profil aufweist und der mit nachgiebig montierten Bürsten zusammenwirkt, die imstande sind, dem Umriss des unrunden Kollektors während der Drehungen desselben zu folgen. Bei der erfindungsgemässen Anordnung wird den Bürsten beim Drehen des Rotors eine zyklische Bewegung erteilt, die ihrerseits zur Ausübung gewisser Funktionen, wie Regeln, Zeitmessen, Zählen u. dgl. herangezogen werden kann.
Eine der wichtigsten und vorteilhaftesten Anwendungsformen der Erfindung betrifft weiters bestimmte Motorregeleinrichtungen, die unter der Bezeichnung"Haydon-Regler"bekannt sind. Im allgemeinen benützen die"Haydon-Regler"einen Motor, der mit etwas oberhalb einer gewünschten vorbestimmten Geschwindigkeit betrieben wird und dessen Stromkreis ein Paar Kontakte enthält, welche in von der Bewegung des Motors bestimmten Augenblicken zyklisch geöffnet werden. Eine Geschwindigkeitskonstanthal- teeinrichtung, beispielsweise eine Unruhe, wird gleichfalls mit Kontakten versehen und erlaubt oder veranlasst ein zyklisches Schliessen der Kontakte in Augenblicken, welche einzig und allein von der Arbeit dieser Geschwindigkeitskonstanthalteeinrichtung bestimmt werden.
Bisher haben die Motorregeleinrichtungen nach Haydon Motoren eingebaut, welche Kollektoren mehr oder weniger üblicher Ausführung verwenden und bei denen die Regelung des Motors mittels Kontakten ausgeführt worden ist, welche von einer motorisch angetriebenen Nocke geöffnet wurden. Obwohl eine solche Anordnung für viele Zwecke zufriedenstellend arbeitet, bei denen der Motor mit ausserordentlich niedriger Leistung, beispielsweise 200 law bei ungefähr 1, 5 V. läuft, brachte die Verwendung von Kollektorkontakten zusätzlich zu den Zeitbestimmungs- oder Regelungskontakten verschiedene elektrische und mechanische Mängel mit sich.
Ausserdem enthalten die derzeit bekannten Anordnungen mehr Teile. sind teuer und erfordern einen grö- sseren physikalischen Aufwand, als es für manche Zwecke wünschenswert ist.
Gemäss der Erfindung ist ein Kollektormotor dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor mit einem bezüglich der Achse unrunden Profil und einer Anzahl von an eine Stromquelle angeschlossenen Bürsten
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versehen ist, die an dem Kollektor an voneinander abstehenden Stellen anliegen. Tragorgane für die
Bürsten für eine begrenzte elastische Bewegung vorgesehen sind, um die Bürsten der Oberfläche des Kol- lektors während seiner Umdrehungen folgen zu lassen, und dass wenigstens einer dieser Bürsten eine die ihr von der Umdrehung des Kollektors erteilten periodisch wiederkehrenden Bewegungen übernehmende und in Form zyklisch ablaufender Funktionen nach aussen übertragende Einrichtung zugeordnet ist.
In Ausgestaltung der Erfindung besteht die Möglichkeit, die von den Bürsten beeinflusste Einrichtung auf die Bürsten rückwirken zu lassen, womit sich vorteilhafte Regeleinrichtungen erstellen lassen. Dem- entsprechend kann eine Geschwindigkeitskonstanthalteeinrichtung, beispielsweise eine Unruhe zur peri- odischen Einwirkung auf die Bürsten vorgesehen sein, und es wird während jeder Umdrehung des Rotors- sobald derselbe nahe einer vorbestimmten Geschwindigkeit rotiert-die Verbindung zwischen einer der
Bürsten und dem Kollektor in einem Augenblick unterbrochen, der von der Bewegung des Motors bestimmt ist, und es wird diese Verbindung später in einem von der Geschwindigkeitskonstanthalteeinrichtung be- stimmten Augenblick wieder hergestellt.
Das erfindungsgemässe Gerät liefert eine erhebliche Verbesserung und Vereinfachung gegenüber den bekannten Regeleinrichtungen nach Haydon, u. zw. wenigstens hinsichtlich bestimmter Verwendungs- arten, in der Weise, dass das Regeln des Motors durch direkte Wirkung auf die Bürsten erfolgt und nicht mehr mittels gesonderter Kontakte. Einer der wichtigsten-Anwendungsfälle des erfindungsgemässen Mechanismus ist der Betrieb sogenannter Uhren ohne Netzanschluss, also'mit Batterie angetriebene Uhren, welche für einen Antrieb mit beispielsweise einer Standard-Trockenbatterie von 1, 65 Volt ausgelegt sind.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird der Gegenstand derselben an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
Fig. l ist eine vereinfachte Darstellung einer motorgetriebenen Kombination, welche den erfindunggemässen Kollektormotor enthält ; Fig. 2 zeigt den Kollektor der Anordnung nach Fig. 1 in vergrösserter Darstellung. Fig. 3 ist eine abgewandelte Form der erfindungsgemässen Kombination, die Fig. 4 und 5 zeigen vereinfachte Ausführungsformen anderer typischer kombinierter Mechanismen nach der Erfindung.
Gemäss Fig. 1 besitzt der elektrische Motor 10 einen gewickelten Rotor 11 und permanente oder elektrisch erregte Magnete als Stator. Der dargestellte Rotor 11 besteht aus einer Nabe 12, die auf einer Welle 13 montiert ist und eine Anzahl von Spulen 14-16 trägt. Die Welle 13 ist in geeigneter Weise drehbar gelagert. Der dargestellte Motor ist besonders für Permanentmagnete als Stator geeignet, wie sie in den Teilen 17 und 18 zu erkennen sind.
In Übereinstimmung mit bekannten Grundsätzen bei elektrischen Motoren wird Strom den Spulen 14 bis 16 zugeführt, und durch die Felder der Statormagnete 17, 18 wird ein Drehmoment in einer vorbestimmten Drehrichtung erzeugt. Um ein stetiges Drehmoment zu erreichen, wird in bekannter Weise ein Kollektor angeordnet, der auf der Motorwelle sitzt und mit Bürsten zusammenarbeitet, die ihrerseits Strom von einer Quelle erhalten und den Stromfluss in geeigneter Richtung und durch entsprechende Spulen während der fortschreitenden Drehung des Rotors hindurchschicken.
Der Kollektor besitzt gemäss der üblichen Motorbauweise kreisförmigen Querschnitt, dessen Zentrum mit der Achse der Rotorwelle koinzidiert und welches in eine Anzahl von Kollektorsegmenten oder-lamellen unterteilt ist, deren Zahl üblicherweise gleich der Zahl der Spulen ist. Bei einem Motor gemäss Fig. 1 müsste daher der Kollektor mit drei Segmenten ausgestattet sein, und es würde jede Spule an zwei benachbarte Segmente angeschlossen sein, wobei die relative Orientierung der Rotorspulen, der Kollektorsegmente, der Bürsten und der Statormagnete derart ist, dass beim Laufen des Motors Strom verschiedenen Paaren von Kollektorsegmenten zugeführt wird, um den Strom in die richtige Spule oder Spulen des Rotors zu führen.
Der Kollektor nach der Erfindung (Fig. 1) besteht aus einem ersten Segment 19, vorzugsweise in Gestalt einer geschlitzten Hülse, die eng um die Rotorwelle 13 herumsitzt, und einem zweiten und dritten Kollektorsegment 20 bzw. 21, welche zweckmässig die Gestalt U-förmig gebogener Drähte besitzen, deren Schenkel 20a, 20b bzw. 21a. 21b parallel zur Rotorachse verlaufen und mit einem Ende in der Nabe 12 festsitzen.
Die Ausbildung der Kollektorsegmente 19 - 21 ist gemäss der Erfindung eine derartige, dass der Umriss des Kollektors exzentrisch bzw. nicht kreisförmig bezüglich der Achse der Rotorwelle 13 ist. Es sind daher bei der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 die Kollektorsegmente 20,21 vorteilhaft in einer kreisförmigen bzw. zylindrischen Anordnung vorgesehen, die hinsichtlich der Achse der Rotorwelle 13 konzentrisch ist, aber einen erheblich grösseren Radius besitzt als die Welle. Anderseits sind, soferne die Segmente 20, 21 die Gestalt U-förmiger Drahtstücke aufweisen, die Schenkel 20a - 21b derselben an Stellen befestigt, die ebenfalls auf einem zur Wellenachse konzentrischen Kreis liegen.
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ruhe eingreift.
Beim Schwingen der Unruhe nimmt der Zapfen 35 die Gabel mit, wodurch der Hebel in einer Richtung über eine begrenzte Weite ausschwingt. Bei der Rückschwingung der Unruhe wird die Ga- bel 34 wieder mitgenommen und der Hebel 33 schwingt in entgegengesetzter Richtung aus.
Zweckmässig besitzt das untere Ende des Hebels 32 einen Arm 36 in Gestalt eines polarisierten Magneten, derart, dass die rechte und linke Seite desselben entgegengesetzte Pole bilden. Der Arm 36 liegt zwischen den Bürsten 22, 23 und dient dazu, um in der später beschriebenen Weise abwechselnd auf die
Bürsten einzuwirken und sie verstellt zu halten. Magnete 37, 38 können an verschiedenen Seiten des Ar- mes 36 vorgesehen sein, so dass beim Ausschwingen des Hebels 32 in der einen oder andern Richtung der
Arm 36 gegen den näher stehenden Magnet gezogen wird.
Betrachtet man die Wirkungsweise der Unruhe unabhängig von jener des Motors, so hat eine Schwin- gung der Unruhe 29, z. B. im Sinne des Uhrzeigers, zur Folge, dass der Hebel 32 im Gegenuhrzeigersinn geschwenkt wird und der Arm 36 gegen den Magneten 38 bewegt und dann von diesem angezogen wird.
Das Anziehen des Armes 36 gegen den Magneten 38 erfolgt nur so weit, als dies ein Anschlagbolzen 39 zulässt, der eine Bewegung des Hebels 32 gegen den Uhrzeiger begrenzt. Schwingt die Unruhe entgegen dem Uhrzeigersinn, hat dies eine Verstellung des Hebels 32 im Uhrzeigersinn zur Folge, so dass der Arm
36 gegen den Magnet 37 gezogen wird, welche Bewegung von einem zweiten Anschlagzapfen 40 begrenzt wird.
Zum Betrieb des Gerätes nach Fig. 1 wird eine Energiequelle 28, beispielsweise eine Blitzlichttrok- kenzelle oder Taschenlampenbatterie mit 1. 65 V an die Bürstentragelemente 24,25 angeschlossen, so
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zu beschleunigen und mit einer höheren Geschwindigkeit als erwünscht zu laufen.
Sobald der Motor läuft, werden die Bürsten 22, 23 bezüglich der Rotorachse abwechselnd nach rechts und links verstellt, und die oberen Enden der Bürsten kommen in Kontakt mit dem Arm 36, der am unteren Ende des Hebels 32 sitzt, und versuchen, ihn zu verstellen. Bei jedem Anschlag einer Bürste am Hebelarm 36 wird der Unruhe 29 ein Energieimpuls über den Zapfen 35 verliehen, so dass sie mit ihrer Eigenfrequenz in Schwingung gelangt. Sobald der Rotor 11 sich so weit beschleunigt, dass seine Geschwindigkeit der vorbestimmten Geschwindigkeit nahekommt, tritt eine Schwingung der Bürsten 22, 23 mit einer Frequenz auf, die der Eigenfrequenz der Unruhe 29 nahekommt. Zu diesem Zeitpunkt beginnt die Unruhe die Geschwindigkeit des Rotors in der weiter unten beschriebenen Weise zu regeln.
Auf die Verstellung der Bürsten 22, 23 nach rechts schlägt beispielsweise die Unruhe 29 im Uhrzeigersinn aus, wodurch der Hebel 32 zu einer Bewegung gegen den Uhrzeigersinn veranlasst wird und gegen den Anschlagzapfen 39 aufkommt. Zweckmässig sind die Abmessungen des Hebels 32 und des Armes 36 in bezug auf die Abmessungen und die Ausgestaltung des Kollektors und der Bürsten so gewählt, dass bei grösstmöglicher Verstellung des Armes 36 und der Bürste 23 nach rechts die Bürste 23 ein wenig vom Arm 36 absteht. Da der Rotor 11 schneller laufen will, als der Eigenfrequenz der Unruhe 29 entspricht, bewegt sich der Kollektor weiter, nimmt Kontakt mit der linken Bürste 22 und verstellt sie nach links, bevor die Rückschwingung der Unruhe 29 die Freigabe des Hebels 32 aus seiner Gegenuhrzeigerstellung bewirkt.
Demzufolge wird, während die Bürste 23 bestrebt ist, dem Kollektor zu folgen und im Kontakt mit demselben zu bleiben, dieselbe daran durch den Angriff des Hebels 36 am oberen Ende der Bürste verhindert, und es ist in diesem Zusammenhang klar, dass die Anziehung zwischen dem Arm 36 und dem Magneten 38 ausreicht, die Federkraft, welche die Bürste 23 gegen den Kollektor drückt, zu überwinden.
Infolgedessen ist der Stromkreis über die Bürsten, den Kollektor und die Spulen unterbrochen, wodurch der Motorlauf sich zu verlangsamen beginnt.
In einem Zeitpunkt, der einzig und allein von der Tätigkeit der Unruhe 29 bestimmt wird, ist der Hebel 32 in Anlage an den Zapfen 35 und wird im Uhrzeigersinn zum Ausschwingen veranlasst, und es ist die auf die Bürste 23 ausgeübte Federkraft zusammen mit dem dem Hebel durch den Zapfen 35 der Unruhe verliehenen Impuls ausreichend, die Wirkung des Magnetes 38 zu überwinden. Sobald der Hebel 32 freigekommen ist und sich im Uhrzeigersinn zu verschwenken beginnt, wirkt die Bürste 23 auf den Arm 36 und überträgt dadurch auf die Unruhe jene Energie, die früher in den federnden Tragelementen während der Verstellung der Bürste 23 gespeichert worden ist. Auf diese Weise übertragene Energieimpulse sind selbstverständlich bei allen Gelegenheiten von konstanter Grösse.
Während des kontinuierlichen Betriebes der Vorrichtung nach Fig. 1 wird der Motorstromkreis periodisch zu von der Bewegung'des Motors bestimmten Zeitpunkten unterbrochen oder geöffnet, d. h. dass der Motorstromkreis in Zeitpunkten geöffnet wird, wenn sich der drehende Kollektor ausserhalb des Kontaktes mit einer Bürste bewegt, die durch den Hebelarm 36 in einer verstellten Lage gehalten wird. Auf
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ten gehalten werden. Während der Drehung des Kollektors 91 wird die Bürste 93 gegen die Rotorwelle 90 hin und von derselben weg bewegt und sie berührt bei ihrer inneren und äusseren Grenzlage die Kontakte
99 bzw. 100.
Die Anordnung ist so getroffen, dass die Kontakte 99,100 während jeder Umdrehung des Kollektors 91 geöffnet und geschlossen werden und das Einstellen des Öffnens und Schliessens kann bis zu einem gewissen Grade durch Justieren der Normalstellung der Kontakte 99, 100 bezüglich der Bürste 93 geregelt werden. Das Öffnen und Schliessen der Kontakte 99,100 kann vorteilhaft in verschiedener Weise ausgenützt werden, beispielsweise für das Zählen, Einstellen od. dgl.
Obgleich die Erfindung nicht darauf eingeschränkt ist, kann sie mit grossem Gewinn bei Motorrege- lungskombinationen jener Art Verwendung finden, bei der während jeder Umlaufperiode des Motors bei oder nahe einer gewünschten, vorbestimmten Geschwindigkeit der Motorstromkreis in einem von dem Motorlauf abhängigen Augenblick geöffnet und in einem vom Lauf einer Geschwindigkeitskonstanthalte- einrichtung, beispielsweise einer Unruhe, abhängigen Augenblick geschlossen werden. Somit werden bei der erfindungsgemässen Anordnung das Speisen des Motors mit Strom und das Öffnen und Schliessen des Motorstromkreises durch den Motor, den Kollektor und die Bürsten besorgt, welche in Kombination mit einer Geschwindigkeitskonstanthalteeinrichtung wirken.
Die verbesserte Anordnung ist durch die Verwendung eines Kollektors möglich geworden, der unrund bezüglich der Rotorwelle ist und mit Bürsten zusam- menarbeitet, die in Verbindung mit elastischen Elementen stehen, welche die Bürsten dazu drängen, dem Umriss des Kollektors während seiner Drehung zu folgen.
Einer der besonderen Vorteile der Erfindung liegt in der Anordnung eines exzentrischen bzw. unrunden Kollektors einer charakteristischen Umfangsgestaltung, die sich insbesondere für den Einbau in Motorsteuerungsaggregate eignet. Die charakteristischen Kollektorformen nach den Fig. 2 und 3 sind besonders bei Motorsteuerungsvorrichtungen bzw. derartigen Kombinationen geeignet, und vor allem bei solchen, die für die Verwendung von mittels einer Batterie angetriebenen Uhren bestimmt sind, bei denen also der Lauf des Motors exakt gesteuert werden muss und es notwendig ist, den Motor über lange Zeitperioden (etwa 5 Jahre lang) mit einer einzigen Blitzlichrze ; le bzw. Taschenlampenbatterie von 1, 65 V zu betreiben.
Wenn der Kollektor nach der Erfindung mit "exzentrisch" oder "unrund" bezüglich der Motorwelle oder ähnlich genannt wird, sollen damit solche Kollektorformen ausgenommen sein ; die keine im wesentlichen schwingenden Verstellungen der mit ihnen zusammenarbeitenden Bürsten verursachen. Somit fallen die üblichen Rotorausbildungen, die schmale Spalte zwischen den bogenförmigen Kollektorsegmenten aufweisen und daher nicht völlig rund sind, nicht unter die Bezeichnung "unrund bezüglich der Rotorachse", da derartige Spalte von den Bürsten überbrückt werden und dabei keine schwingende Verstellung der Bürsten hervorgerufen wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kollektormotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor mit einem bezüglich der Achse unrunden Profil und einer Anzahl von an eine Stromquelle angeschlossenen Bürsten versehen ist, die an dem Kollektor an voneinander abstehenden Stellen anliegen, Tragorgane für die Bürsten für eine begrenzte elastische Bewegung vorgesehen sind, um die Bürsten der Oberfläche des Kollektors während seiner Umdrehung folgen zu lassen, und dass wenigstens einer dieser Bürsten eine die ihr von der Umdrehung des Kollektors erteilten periodisch wiederkehrenden Bewegungen übernehmende und in Form zyklisch ablaufender Funktionen nach aussen übertragende Einrichtung zugeordnet ist.