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Gleichstrom-Kleinmotor
Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrom-Kleinmotor, bei welchem in einem Steuersystem mit dauermagnetisiertem Anker und Induktionswicklung Steuerimpulse erzeugt werden, die nach Verstär- kung in der Arbeitswicklung eines Antriebssystems mit mit dem Steueranker mechanisch verbundenem Arbeitsanker Antriebsimpulse erzeugen.
Allgemein werden zum Antrieb oder Aùfzug feinmechanischer Apparate und Geräte GleichstromKleinmotoren verwendet, die Kontakte aufweisen, welche entweder als Kollektor mit Kohlebürsten ausgebildet sind und den Strom der jeweiligen Ankerstellung entsprechend auf die einzelnen Windungen der Ankerwicklung übertragen oder bei Verwendung eines Massiv-oder Magnetankers bei Schrittschaltmotoren einzelne der Feldwicklungen ebenfalls der Ankerstellung entsprechend ein-oder ausschalten.
Neben dem Nachteil der Abnützung der Kontaktmittel weisen derartige Anordnungen auch den Nachteil einer Störwirkung auf benachbarte Funkempfänger auf, deren Verminderung bei Schrittschaltmotoren mit Magnetankern durch die auftretenden hohen Spannungsspitzen besondere Schwierigkeiten bereitet.
Um diese Nachteile zu vermeiden, werden häufig für besonders empfindliche Geräte Wechselstrom- Kleinmotoren in bekannten Ausführungen verwendet, obwohl diese Geräte von der Zuverlässigkeit der Netzstromversorgung abhängig werden. Ausserdem ist die Verwendung von Wechselstrommotoren in transportablen Geräten oft nicht ohne weiteres möglich, da diese meist mit einer Gleichstrombatterie als Speisestromquelle ausgerüstet sind.
Es ist auch das Prinzip eines kontaktlosen, gleichstromgespeisten Schrittmotors bekanntgeworden, bei dem in einem Steuersystem durch die Rotation eines mit dem Arbeitssystem gekuppelten Dauermagneten
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Ausführungsform für einen gleichstromgespeisten, kontaktlosen Schrittmotor anzugeben.
Erfindungsgemäss ist dies dadurch gelöst, dass bei einem Gleichstrom-Kleinmotor, bei welchem in einem Steuersystem Steuerimpulse erzeugt werden, die nach Verstärkung dem Antriebssystem als Antriebsimpulse zugeführt werden, innerhalb des gleichen, vorzugsweise zylindrischen Gehäuses gleichachsig hintereinander ringförmige Wicklungen des Steuer- und Antriebssystems auf Ständern mit ausgeprägten Polen vorgesehen sind und dass der dauermagnetisierte Anker des Steuersystems und der Anker des Arbeitssystems axial hintereinander auf der gleichen Welle befestigt, derart radial gegeneinander versetzte Polschuhe aufweisen, dass der Selbstanlauf des Motors in stets gleicher Drehrichtung aus der durch das dauermagnetisierte Steuersystem bestimmten Ruhestellung gewährleistet ist.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass dadurch zusätzliche Mittel wie Hilfsmagnete, Hilfskondensatoren oder mechanische Gesperre zur Erzielung eines Selbstanlaufes des Motors in stets gleicher Drehrichtung entfallen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die die Anker umschliessenden Ständer beider Systeme aus Weicheisen-Ringscheiben mit radial nach innen ragenden, die Polhörner bildenden Nasen und einem zylindrischen, zwischen den Ringscheiben angeordneten Weicheisenring, dessen Aussendurchmesser gleich dem der Ringscheiben ist, bestehen. Die ringförmigen Wicklungen sind dabei jeweils innerhalb des an seinen Stirnseiten durch die Ringscheiben und an der äusseren Mantelfläche durch den Eisenring begrenzten Raumes angeordnet. Die Anker beider Systeme können jeweils aus einem zylindrischen,
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koaxial zur Drehachse verlaufenden Kern mit einer mit Polflügeln versehenen Polscheibe an jeder Stirn- seite bestehen. Dabei ist der Kern des Steuerankers ein in der Achsrichtung magnetisierter Dauermagnet.
Die Zahl der Polflügel beider Anker ist einander gleich und gleich der Zahl der Polhörner der Ständer.
Durch diese spezielle Ausbildung ergibt sich ein besonders günstiger und geschlossener Verlauf der magnetischen Feldlinien in den beiden Systemen. Der Motor nach der Erfindung zeichnet sich weiterhin durch seine robuste Konstruktion aus. Die einfach gestalteten Einzelteile, wie z. B. die Polscheiben, Spu- len und Eisenringe, bieten besondere fertigungstechnische Vorteile.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus einem in der Zeichnung dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel. Es zeigen : Fig. 1 sowohl beim Arbeits- als auch beim Steuerpolgestell verwendete Polschei- ben mit schmalen Polhörnern, Fig. 2 die sowohl beim Arbeits- als auch beim Steuerpolgestell verwen- deten Polscheiben mit breiten Polhörnern, Fig. 3 die Arbeitsspule mit den zugehörigen Polscheiben, ein- schliesslich dem Arbeitsanker in Ruhestellung (Arbeitspolgestell), Fig. 4 die Steuerspule mit den zugehö- rigen Polscheiben, einschliesslich dem Steueranker in Ruhestellung.
(Steuerpolgestell), Fig. 5 eine Seiten- ansicht des Motors im Schnitt, Fig. 6 den vollständigen Anker in Perspektive (Arbeits- und Steueranker der besseren Sichtbarkeit wegen auseinandergezogen), Fig. 7 die Darstellung des Arbeitsankerdrehmomentes in Abhängigkeit von dem zurückgelegten Ankerweg, Fig. 8 die Darstellung des Steuerankerdrehmo- mentes in Abhängigkeit von dem zurückgelegten Ankerweg, Fig. 9 die Resultierende der in den Fig. 7 und 8 gezeigten Drehmomentskurven (Motordrehmomentskurve) und Fig. 10 die Abhängigkeitdes Ruhestromes JR vom zurückgelegten Ankerweg s.
Der als Ausführungsbeispiel der Erfindung gewählte Motor besteht funktionell aus den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Baugruppen, also aus dem Arbeitspolgestell mit Arbeitsanker einerseits und aus dem Steuerpolgestell mit Steueranker anderseits. Die Polscheiben 5b, 6b und 50, 6c bilden mit der Arbeitspule 2 zusammen das Arbeitspolgestell, während die Polscheiben 5,6 und 5a, 6a die Steuerspule 3 zum Steuerpolgestell ergänzen (Fig. 5).
Die gegenseitige Lage der Polscheiben mit breiten und schmalen Polhörnern ist aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich. Alle hintereinander mit Zwischenabständen aufgereihten Polscheiben decken sich in ihrer Lage. Das Arbeits- sowie das Steuerpolgestell liegen axial hintereinander spielfrei in einem runden Gehäuse 1 aus magnetisch nichtleitendem Werkstoff (Fig. 5). Die, Polscheiben werden durch eine aus der Zeichnung nicht ersichtliche, in die Nuten 21 (Fig. 3 und 4) ragende Längsrippe im Gehäuse gegen Verdrehen geschützt. Die Distanzringe 18,20 und 22 (Fig. 5) fixieren das Arbeits- und das Steuerpolgestell in Axialrichtung, die Weicheisenringe 19 und 7 halten die Polscheiben 5,6 und 5a, 6a sowie 5b, 6b und 5c, 6c planparallel und sorgen für den magnetischen Rückschluss innerhalb des Steuer-und des Arbeitspolgestelles.
Der in Fig. 6 perspektivisch dargestellte Anker ist im Zentrum des Gehäuses 1 sowie im Zentrum des Gehäusedeckels 4 leicht drehbar gelagert.
Der Steueranker besteht aus zwei Steuerankerscheiben 8 und 9 (Fig. 6), welche jeweils an einer Planseite eines axial-aufmagnetisierten Dauermagneten 10 anliegen. Die beiden Steuerscheiben 8 und 9 decken sich in ihrer Lage. Die drei Flügel der vorderen Steuerankerscheibe 8 nehmen durch ihre Lage am Dauermagnet 10 nördliche, die drei Flügel der Steuerankerscheibe 9 südliche Polarität an (Fig. 6). Da sich durch Schichtung der Polscheiben 5 mit 6, 5a mit 6a, 5b mit 6b, 5c mit 6c (Fig. 1 und 2 sowie Fig. 5) der Materialquerschnitt an den drei Stellen a, b, c (Fig. 3, 4 sowie Schnitt C-D) verringert, nimmt der Steueranker inRuhelage die in Fig. 4 gezeichnete Stellung ein. Der Feldlinienfluss des Dauermagneten10
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diekerscheibe 9.
Der mit dem Steueranker auf einer gemeinsamen Welle sitzende Arbeitsanker besteht aus Arbeitsankerscheibe 11, Weicheisenkem-13 und Arbeitsankerscheibe 12 (Fig. 6). Die Stellung des Arbeitsankers in Ruhelage ist aus Fig. 3 ersichtlich. Die linken Kanten der einzelnen Polflügel stehen ungefähr auf der Höhe der Anfangskante e, f, g. der breiten Polhörner mit verringertem Querschnitt (Fig. 2,3, Schnitt C-D).
Fig. 7 zeigt die ungefähre Drehmomentkurve, des Arbeitsankers 11,12, 13. Durch die asymmetri-
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eindeutig in Pfeilrichtung gezogen, d. h., nach dem Einschalten wirkt auf den Arbeitsanker 11, 12,13 die Kraft Pr Wie aus der Kurve ersichtlich ist, steigt das Drehmoment an, erreicht in Stellung 1 seinen Höchstwert, um in Stellung 2 auf 0 abzusinken.
Während dieser Schaltschrittphase wirkt der Steueranker - auf derselben Welle mit dem Arbeitsan-
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läuft also von Stellung 0- 2 in negativer Richtung.
Durch Addition der Kurvenwerte aus den Fig. 7 und 8 ergibt sich als Resultierende das tatsächliche
Anlaufdrehmoment von Stellung 0 bis Stellung 2 (s. Fig. 9, Stellung 0-2).
Von Stellung 2 an wird der Ruhestrom Jp mittels einer nicht dargestellten Transistorschaltung abge- schaltet. Die Drehmomentkurve des Arbeitsankers 11,12, 13 endet somit in Stellung 2. Da jedoch-wie dies aus Fig. 8 ersichtlich ist-das Drehmoment des Steuerankers 8, 9, 10 in den positiven Bereich wan- dert, füllt das positive Drehmoment des Steuerankers 8,9, 10 die Drehmomentlücke des Arbeitsankers 11,
12,13 aus (s. Fig. 9). Der Steueranker 8,9, 10 übt daher eine glättende Wirkung auf die Gesamtdreh- momentkurve (Fig. 9) aus. Die Masse des Motorankers 8,9, 10 und 11,12, 13 kann folglich sehr klein gehalten werden, was wieder den lästigen Auslauf des Motorankers nach dem Ausschalten wesentlich ver- kürzt.
Die von der Drehmomentkurve nach Fig. 9 eingeschlossene schraffierte Fläche stellt als Produkt der dem Drehmoment direkt proportionalen Kraft P und dem Ankerweg s das Arbeitsvermögen pro Schaltschritt dar.
Da die Steuerung mittels Transistoren eine Bewegung voraussetzt, fällt die Steuerung bei Überlastung bis zum Stillstand aus. Bei zu starker Belastung "klammern" sich die Polflügel 11, 12 des Arbeitsankers an die nächstliegenden Polhörner des Arbeitspolgestelles, dessen Arbeitsspule 2 bei Stillstand des Ankers vom Strom JR durchflossen wird. Erst nach dem Ausschalten des Motors zieht der Anker durch das Drehmoment des Dauermagneten 10 wieder in Anlaufstellung. Der Magnetkupplung 15,16, 17 fällt nun die Aufgabe zu, den Motor vor Überlastung zu schützen. Wird der fest mit Weicheisenbügel 16 verbundene, lose auf der Welle 14 gelagerte Trieb 15 zu stark abgebremst, so reisst der Feldlinienfluss des wie in Fig. 5 dargestellt aufmagnetisierten Magneten 17 über den Weicheisenbügel 16 ab, so dass die Kupplung durchrutscht.
Ferner kann durch diese Magnetkupplung 15,16, 17 der Anker nach dem Ausschalten des Motors stets sicher in Anlaufstellung ziehen, auch dann, wenn beispielsweise das an den Trieb 15 angelegte Gegendrehmoment das Drehmoment des Steuerankers 8,9, 10 zeitweilig übersteigen würde.
'PATENTANSPRÜCHE :
1. Gleichstrom-Kleinmotor, bei welchem in einem Steuersystem mit dauermagnetisiertem Anker und Induktionswicklung Steuerimpulse erzeugt werden, die nach Verstärkung in der Arbeitswicklung eines Antriebssystems mit mit dem Steueranker mechanisch verbundenem Arbeitsanker Antriebsimpulse erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des gleichen, vorzugsweise zylindrischen Gehäuses (1) gleichachsig hintereinander ringförmige Wicklungen (2,3) des Steuer- und Antriebssystems auf Ständern mit ausgeprägten Polen (a, b, c) vorgesehen sind und dass der dauermagnetisierte Anker (8,9, 10) des Steuersystems und der Anker (11,12, 13) des Arbeitssystems, axial hintereinander auf der gleichen Welle (14) befestigt, derart radial gegeneinander versetzte Polschuhe aufweisen,
dass der Selbstanlauf des Motors in stets gleicher Drehrichtung aus der durch das dauermagnetisierte Steuersystem bestimmten Ruhestellung gewährleistet ist.