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Die Erfindung betrifft einen Miniatur-Gleichstrommotor, bestehend aus einem Anker, der einen Ankerkern mit Hauptpolen mit entsprechenden Ankerwicklungen aufweist, einem Kollektor und einem
Geschwindigkeitsregler mit Reglerkontakten, um die Motordrehzahl auf einen vorbestimmten konstanten Wert einzuregeln, wie er in Kofferplattenspielem, Miniatur-Tonbandgeräten, Autostereoanlagen, usw. Verwendung findet.
Im einfachsten Fall hat ein Miniatur-Gleichstrommotor mit Permanentfeld einen mit einer Ankerwicklung versehenen zweipoligen Anker. Bei einem solchen Motor kann allerdings der Anker nicht aus jeder Stellung von selbst anlaufen. Ausserdem hat ein solcher Motor mit nur zwei Kollektorsegmenten den Nachteil, dass in bestimmten Stellungen des Ankers die Spannungsquelle über die Kollektorsegmente und die Kontaktbürsten kurzgeschlossen wird. Bei bekannten Miniatur-Gleichstrommotoren, die mit einem Geschwindigkeitsregler versehen sind und die einen zwei- oder dreipoligen Anker aufweisen, wobei stets sämtliche Ankerpole mit
Wicklungen versehen sind, kann der Geschwindigkeitsregler entweder in Reihe mit dem Hauptstromkreis des
Motors liegen oder es kann bei einem dreipoligen Anker durch den Geschwindigkeitsregler eine der
Ankerwicklungen zu- und abgeschaltet werden.
Die letztgenannte Möglichkeit geht aus der USA-Patentschrift
Nr. 2, 819, 441 als bekannt hervor. Bei diesen bekannten Konstruktionen ist der Geschwindigkeitsregler als
Zentrifugalregler ausgebildet und an der Motorwelle in einem Längsabstand vom Ankerkern befestigt. Dies hat den Nachteil, dass die Grösse des Motors, insbesondere seine Baulänge, durch den eingebauten Zentrifugalregler vergrössert wird.
Es ist weiters eine Ausführungsform eines Miniatur-Gleichstrommotors bekannt, bei welchem der
Zentrifugalregler durch einen Transistorregler ersetzt wurde, wobei die Regelung nicht durch mechanische
Beeinflussung des Geschwindigkeitsreglers, sondern auf elektronischem Wege erfolgt. In diesem Fall ist der die Ankerwicklungen, Kollektorsegmente und Kontaktbürsten umfassende elektrische Teil des Motors in eine Brückenschaltung aufgenommen, deren andere drei Zweige durch ohmsche Widerstände gebildet sind. Der Transistorregler vergleicht die an den Kontaktbürsten auftretende, von den drehzahlabhängigen gegenelektromotorischen Kräften hervorgerufene Spannung mit einem Teil der Speisespannung des Motors.
Bei einem solchen Regler hängt die sich einstellende Motordrehzahl von der Speisespannung ab und die Steuerung wird unstabil, falls es zu einem Lichtbogen zwischen dem Kollektor und den Kontaktbürsten kommt.
Die Erfindung zielt darauf ab, die Nachteile der bekannten Konstruktionen zu vermeiden und einen Miniatur-Gleichstrommotor von einfacher und kompakter Bauweise zu schaffen. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass bei einem Miniatur-Gleichstrommotor der eingangs erwähnten Art der Ankerkern mit einem Hilfspol ohne Ankerwicklung versehen ist und dass die Anzahl der Segmente des Kollektors zumindest gleich gross ist wie die Gesamtzahl der Haupt- und Hilfspole des Ankerkerns, wobei jedes Ende der Ankerwicklungen mit einem Segment verbunden ist. Für einen erfindungsgemässen Motor ist ein geringerer Material- und Arbeitsaufwand erforderlich, er ist einfach herzustellen und hat etwa denselben Wirkungsgrad wie ein herkömmlicher Elektromotor gleicher Grösse.
Auf dem unbewickelten Hilfspol können zusätzliche Bauteile befestigt werden, beispielsweise kann gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der Geschwindigkeitsregler mit den Reglerkontakten auf dem Hilfspol angeordnet sein. Dadurch ist für den Geschwindigkeitsregler im Motorgehäuse kein zusätzlicher Platz erforderlich und es ergibt sich für den erfindungsgemässen Motor gegenüber bekannten, mit einem Geschwindigkeitsregler ausgerüsteten Motoren eine kürzere Baulänge.
Bei einer andern Ausführungsform des erfindungsgemässen Miniatur-Gleichstrommotors ist auf dem Hilfspol eine als Drehzahlfühler wirkende Steuerwicklung angeordnet und mit der Ankerwicklung ist ein Halbleiterelement in Reihe geschaltet, dessen innerer Widerstand in Abhängigkeit von einer in der Steuerwicklung induzierten Spannung veränderbar ist. Gegenüber dem bekannten Motor mit Transistorregler, wobei die Steuerspannung von den Kontaktbürsten des Motors abgenommen werden muss und verschiedene Störeinflüsse wirksam werden, wird bei der erfindungsgemässen Konstruktion in der Steuerwicklung störungsfrei eine der Motordrehzahl entsprechende Spannung induziert und mit dieser werden Halbleiterelemente eines elektronischen Reglers betätigt. Auf diese Weise ist eine äusserst präzise Steuerung des Motors und eine konstante Drehzahl erzielbar.
Eine weitere vorteilhafte Ausnutzungsmöglichkeit des Hilfspols besteht darin, dass auf diesem eine Entladewicklung mit wenigen Windungen angeordnet ist, welche im Stromkreis des Geschwindigkeitsreglers liegt.
Durch eine solche Entladewicklung ist die Bildung eines Lichtbogens zwischen dem Kollektor und der Kontaktbürste mit grosser Sicherheit vermeidbar.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Fig. l zeigt eine Vorderansicht eines Ankers eines erfindungsgemässen Miniatur-Gleichstrommotors. Fig. 2 stellt eine Seitenansicht des Ankers gemäss Fig. l dar. Fig. 3 zeigt Schaltverbindungen für den Anker gemäss Fig. 1. Fig. 4 zeigt die Vorderansicht einer andern Ausführungsform des Miniatur-Gleichstrommotors gemäss der Erfindung. Fig. 5 stellt eine Seitenansicht des Ankers gemäss Fig. 4 dar. Fig. 6 zeigt Schaltverbindungen für den Anker gemäss Fig. 4. Die Fig. 7 und 8 zeigen Schaltverbindungen für weitere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Motorankers.
Fig. 9 stellt eine Vorderansicht einer weiteren
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Reglerkontakte ersetzt werden, um auf ähnliche Weise eine wirksame Steuerung der Motorgeschwindigkeit zu ermöglichen, wie Fig. 7 und 8 zeigen. Bei Anordnungen mit einem einzigen Kontaktpaar gemäss Fig. 7 und 8 liegen die Schaltverbindungen für den Anker anders als gemäss Fig. 6.
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7Kollektorsegmente --49 und 50-- und am andern Ende an die entsprechenden Kollektorsegmente --51 und 51'-angeschlossen, die miteinander über die Reglerkontakte--46 und 47--in Verbindung stehen.
Bei der Anordnung gemäss Fig. 8 sind drei Kollektorsegmente-49', 50'und 51"-vorgesehen. Die Segmente --49'und 50'- haben dieselben Abmessungen und sind grösser als das Segment--51"--. Die Ankerwicklung --42-- ist zwischen die Segmente--49'und 51'--geschaltet, und die Ankerwicklung --42'- ist zwischen den Segmenten --50' und 51"-- mit den Reglerkontakten--46 und 47--in Reihe geschaltet.
Dies zeigt, dass es auch mit einem einzigen Paar Reglerkontakten möglich ist, eine ebenso stetige Steuerung der Motorgeschwindigkeit zu erreichen wie mit zwei Paaren von Reglerkontakten gemäss Fig. 6. Daraus ergibt sich, dass eine stetige Steuerung der Motorgeschwindigkeit mittels einer äusserst einfachen Ankerkonstruktion erhalten werden kann, die aus Hauptpolen mit je einer Ankerwicklung und einem Hilfspol ohne Ankerwicklung, einer Anzahl von Kollektorsegmenten, die gleich oder grösser ist als die Gesamtzahl der Haupt- und Hilfspole, einem Ankerkern und einem oder mehreren Reglerschaltern besteht, die mit dem Ankerkern rotieren.
Die Fig. 9 bis 11 zeigen eine andere Ausführungsform des Ankers, bei welcher der Zentrifugalregler im
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ein isolierender Sockel --96-- befindet, der den aus einem beweglichen Kontakt --97-- und einem ortsfesten Kontakt --98-- bestehenden Zentrifugalregler trägt. An der Motorwelle --91-- ist ein Kollektor --99-- befestigt, der aus vier Kollektorsegmenten --100 bis 103-- besteht und Kontaktbürsten --104 und 105-berührt, die von einer Gleichspannungsquelle --106-- gespeist werden. Die Kollektorsegmente--100 bis 103-zerfallen in zwei Gruppen, nämlich eine aus den Segmenten--100 und 102--, und eine aus den Segmenten-101 und 103-bestehende Gruppe.
Jede der Segmentgruppen besteht aus einem der grösseren Segmente --102 bzw. 103--, und einem der restlichen, kleineren Segmente-100 bzw. 101--, so dass die Segmente-100 und 101-nicht gleichzeitig mit den Kontaktbürsten --104 und 105-in Kontakt gebracht werden. Die Ankerwicklung --92a-- ist zwischen die Kollektorsegmente --102 und 100-geschaltet, während die Ankerwicklung --92b-- zwischen die Kollektorsegmente--103 und 101--
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--106-- überDrehzahl/min des Ankers erhöht.
Der Regler dreht sich mit dem rotierenden Ankerkern ; wenn also die Motorgeschwindigkeit einen gewissen, vorbestimmten Wert überschreitet, werden die Reglerkontakte-97 und 98-- unterbrochen, um die Ankerwicklungen --92a und 92b-vom Strom abzutrennen und damit die Geschwindigkeit des Motors zu verringern. Auf diese Weise ist es möglich, die Motorgeschwindigkeit durch Schliessen und Unterbrechen des einzigen Reglerkontaktpaares mit grosser Genauigkeit auf einem vorbestimmten Wert zu halten. Eine entgegengesetzte Drehbewegung des Ankers kann dadurch erreicht werden, dass die Gleichspannungsquelle --106-- umgepolt wird. Da der Regler im Hilfsankerpol ohne Ankerwicklung eingebaut ist, wird die Längenabmessung des Ankers und damit die Motorgrösse verringert.
Die Fig. 12 bis 14 zeigen eine Ausführungsform des Miniatur-Gleichstrommotors, bei welcher der Zentrifugalregler durch einen Transistorregler ersetzt wurde. Die Motorwelle --121-- trägt einen daran befestigten Rotor-123--, der mit Magnetstücken --122-- versehen ist. Ferner ist Statorsockel --124-angeordnet, der eine Nabe --125-- aufweist, in welcher die Motorwelle --121-- drehbar eingesetzt ist, an der ein dreipoliger Ankerkern --126-- befestigt ist, wobei zwei Pole mit einer Ankerwicklung-127-- umwickelt sind, während der dritte Pol eine Steuerwicklung --128-- trägt und mit einem Loch-129versehen ist.
An der Nabe --125-- ist ein Träger-130-befestigt, der einen Kollektor --131-- und
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entsprechenden Schleifringen vorgesehen. Die beiden Ankerwicklungen sind V-förmig an die Segmente des Kollektors--131--angeschlossen. Die Steuerwicklung--128--ist zwischen eine Klemme einer Gleichstromquelle --140-- und den Emitter eines Transistors --138-- geschaltet, dessen Kollektor an den Schleifring--132--angeschlossen ist.
Zwischen die genannte Klemme der Gleichstromquelle--140--und der Basis des Transistors --138-- ist eine Diode --139-- geschaltet. Der Transistor --138-- und die
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Diode --139-- sind im Loch --129-- gelagert. Falls ein einziger Transistor für die Steuerung der Motorgeschwindigkeit nicht ausreicht, können zwei oder mehrere Transistoren eingegliedert werden. Sollen
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Anstieg der Motorgeschwindigkeit im Betrieb wird auch die Amplitude und die Frequenz der parallel zur Detektorwicklung induzierten Spannung erhöht, und wenn eine vorbestimmte Motorgeschwindigkeit erreicht ist, wird der Transistor--138--abgeschaltet, um die Geschwindigkeit konstant zu erhalten.
Die Fig. 15 und 16 zeigen eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Miniatur-Gleichstrommotors. Die Motorwelle --151-- trägt einen an dieser befestigten Ankerkern --157-- und ist in Lagerbuchsen-155 und 156-gelagert, die in den entsprechenden Motorgehäusehälften-153 und 154-angebracht sind. Der Ankerkern-157-weist dieselbe Konstruktion auf wie der Ankerkern-126-gemäss Fig. 13, mit Hauptpolen, die mit entsprechenden Ankerwicklungen --158-- versehen sind, und einem Hilfspol, der eine Detektorwicklung --159-- aufweist und mittels eines Loches --160-- gebildet ist.
An der Motorwelle --151-- sind ein Kollektor --161-- in Kontakt mit Kontaktbürsten --164 und 165-und Schleifringe-162 und 163-in Kontakt mit entsprechenden Stromzuführungsbürsten --166 und 167-befestigt. Die Detektorwicklung --159-- ist an einem Ende mittels Schleifring --162-- und der Stromzuführungsbürste --166-- an eine Klemme einer Gleichstromquelle --168-- und am andern Ende an den Emitter eines Transistors --169-- angeschlossen, dessen Kollektor mittels eines Schleifringes-163-
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--168-- ist--170-- ist zwischen die Basis des Transistors --169-- und den Schleifring --162-- geschaltet, um eine Bezugsspannung zu liefern.
Die Funktionsweise des eben beschriebenen Schaltkreises gemäss Fig. 16 ist dieselbe wie die des oben beschriebenen Schaltkreises gemäss Fig. 14.
Die Drehmomentcharakteristik des Motors der oben beschriebenen Art in bezug auf die Lage des rotierenden Ankers sind in Fig. 17 veranschaulicht, in welcher die gestrichelte Kurve die Drehmomentcharakteristik des erfmdungsgemässen Motors gemäss Fig. 15 darstellt, während die voll ausgezogene Kurve die Drehmomentcharakteristik des herkömmlichen Motors gemäss Fig. 24 zeigt. Wie aus dieser Zeichnung hervorgeht, kann mit dem erfmdungsgemässen Motor mit einem Ankerkern, der mit einem Hilfspol ohne Ankerwicklungen ausgestattet ist, eine ebenso gleichförmige Rotation des Ankers erzielt werden wie bei dem herkömmlichen Motor.
Daraus ergibt sich, dass bei den erfindungsgemässen Motoren gemäss den Fig. 12 bis 14 und 15 und 16 die parallel zur Detektorwicklung induzierte Detektorspannung ohne Zuhilfenahme der Kontaktbürsten und Kollektorsegmente einen direkten Einfluss auf den Steuertransistor ausübt, so dass keine Notwendigkeit besteht, eine Brückenschaltung herzustellen, und es wird eine stetige Geschwindigkeitskontrolle unabhängig von der Abnutzung der Kontaktbürsten und Kollektorsegmente erreicht. Auch ist es möglich, dass die neben den Ankerwicklungen vorgesehene Detektorwicklung als Steuersignal proportional zur Motorgeschwindigkeit Wechselstrom liefert.
Die Geschwindigkeitssteuerung erfolgt bei Frequenzen, die der Motorgeschwindigkeit entsprechen, so dass, selbst wenn die Belastung eine grosse Veränderung erfährt, eine konstante, äusserst präzise Steuerung der Motorgeschwindigkeit gewährleistet ist. Da alle Elemente des Reglerschaltkreises, wie z. B. die Transistoren, im Hilfsankerpol ohne Ankerwicklung eingebaut werden können, ist es ferner möglich, die Motorgrösse zu reduzieren, auf Verbindungskabel zu verzichten und Lärmentwicklung zu unterbinden.
Die Fig. 18 bis 20 zeigen eine andere Ausführungsform des erfmdungsgemässen Motorankers. Die Motorwelle --181-- trägt einen an ihr befestigten Ankerkern, der mit entsprechenden Ankerwicklungen --182 und 182'-- versehene Hauptpole --183 und 183'-sowie einen mit wenigen Windungen einer
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Hilfspol--185--aufweist.- 187 und 188-sind mit der Entladestromaufnahmewicklung in Reihe zwischen die Kollektorsegmente - 190 und 191-geschaltet. Die Kondensatoren-197 und 198-sind jeweils zwischen die Kollektorsegmente --190 und 191-und zwischen die Kollektorsegmente --192 und 193-geschaltet.
Wenn die Geschwindigkeit des Ankers im Betrieb niedrig ist, werden die Reglerkontakte--187 und 188-geschlossen, so dass Strom von der Gleichstromquelle --196-- über die Kontaktbürsten --194 und 195-und die Kollektorsegmente --190 und 193-durch die Ankerwicklungen-182 und 182'-- fliesst
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und damit die Ankergeschwindigkeit erhöht. Übersteigt die Motorgeschwindigkeit einen vorbestimmten Wert, dann werden die Reglerkontakte--187 und 188-unterbrochen, so dass der Ankerstrom abgetrennt und damit die Motorgeschwindigkeit gesenkt wird. Auf diese Weise wird eine äusserst präzise Steuerung der Motorgeschwindigkeit durch das Schliessen und Unterbrechen des Reglerkontaktpaares-187 und 188-erreicht.
Die Kondensatoren-197 und 198-haben den Zweck, die Bildung eines Lichtbogens zwischen den
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der Motor läuft. Der Kondensator --198-- wird über die Ankerwicklungen-182 und 182'-und die Reglerkontakte-187 und 188--entladen, wobei in den Reglerkontakten--187 und 188-wegen des Windwiderstandes der Ankerwicklungen-182 und 182'-keine nachteiligen Wirkungen auftreten. Der
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--184-- undKondensator --197 - in Mitleidenschaft gezogen und beeinträchtigen die Stabilität der Ankerrotation.
Die in Fig. 21 gezeigte Anordnung ist dem Schaltkreis gemäss Fig. 20 mit Ausnahme des Anschlusses der Entladewicklung --184-- ähnlich. Bei dieser Anordnung ist eine Reihenschaltung, bestehend aus den Reglerkontakten--187 und 188--und der Entladewicklung--184-, zwischen die Kollektorsegmente - 190 und 191-geschaltet, und die Ankerwicklung--182'-ist zwischen die Kollektorsegmente--190 und 193-geschaltet. Da beide Kondensatoren über die Entladewicklung --184-- entladen werden, hat die Entladung auf diese Weise keine unerwünschten Auswirkungen auf die Reglerkontakte-187 und 188-und verlängert somit die Betriebsdauer des Kollektors.
Ein typisches Beispiel für einen herkömmlichen Miniatur-Gleichstrommotor, beispielsweise mit einem zweipoligen Anker, hat eine Konstruktion, wie sie in Fig. 22 gezeigt ist. Dieser Motor umfasst einen Ankerrotor --221--, der zwischen dem Nord- und Südpol eines Stators und mit Ankerwicklungen, Kollektorsegmenten und Kontaktbürsten versehen ist. Allerdings kann bei einer derartigen Konstruktion der Motor nicht von selbst aus der in den Zeichnungen dargestellten Ankerposition gestartet werden. Da die Anzahl der Kollektorsegmente zwei beträgt, wird auch die Spannungsquelle nachteilig über diese Kollektorsegmente --222-- und die beiden Kontaktbürsten--223--kurzgeschlossen.
Die Konstruktion eines Ankers für einen herkömmlichen Miniatur-Gleichstrommotor mit einem Zentrifugalregler entspricht einer Konstruktion gemäss Fig. 23. Sie umfasst eine rotierende Welle-231--, einen an der Welle --231-- befestigten Ankerkern --232--, Ankerwicklungen --233--, einen an der Welle --231- befestigten Zentrifugalregler --234-- sowie einen ebenfalls an der Welle --231-- befestigten
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Konstruktion, bei welcher der Zentrifugalregler --234-- an der rotierenden Welle in einem Längsabstand vom Ankerkern --232-- befestigt ist, ist der Motor meist zu gross.
Es ist weiters eine Ausführungsform eines Miniatur-Gleichstrommotors bekannt, bei welchem der Zentrifugalregler durch einen Transistorregler ersetzt wurde, wie die Fig. 24 bis 26 zeigen. Dieser Motor weist einen Ankerkern -241-- auf, bei welchem alle Pole mit einer Ankerwicklung --249-- umwickelt sind, und der an einer Nabe--242--befestigt ist, die wieder an einer rotierenden Welle --243-- befestigt ist, welche in Lagern --246-- in den entsprechenden Motorgehäusehälften --244 und 245-gelagert ist.
Ferner sind Kollektorsegmente--248--, die an der rotierenden Welle --243-- befestigt sind, Kontaktbürsten --247--, eine Gleichstromspannungsquelle --250--, Widerstände --251, 252,253, 254 und 258--, Transistoren - 255 und 256--, ein Kondensator-257--, eine Diode-259--, und Nord- und Südpolstücke, die an
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die Ankerwicklungen --249-- stellen eine Brückenschaltung dar.
Eine Änderung in der Drehzahl/min des Ankers führt zu einer Änderung der Detektorspannung in der Brückenschaltung, so dass die Schwellenspannung variiert und damit der Transistor --255-- gesteuert wird, wodurch die Schwellenspannung geändert und der Transistor-256--, der zwischen die Brückenschaltung und die Gleichstromquelle --250-- geschaltet ist, gesteuert und damit die Motorgeschwindigkeit auf einem konstanten Wert gehalten wird. Die Diode-259dient dazu, die Temperatur des Transistors --255-- auszugleichen, und der Kondensator --157-- und der Widerstand --258-- dienen dazu, das Starten des Motors zu kompensieren.
Bei dieser Motorkonstruktion, bei der die Spannung, die parallel zu den Ankerwicklungen induziert wird, auf Grund von gegenelektromotorischen Kräften durch die Kontaktbürsten --247-- abgegriffen wird, würde eine Änderung des Spannungsrückganges parallel zu den Kontaktbürsten --247-- und den Kollektorsegmenten --248-- die Motorgeschwindigkeit verändern. Auch wird die Steuerung der Motorgeschwindigkeit unstabil, falls es zu einem Lichtbogen zwischen dem abgleichenden Kollektor und den Kontaktbürsten kommt. Weiters verändert sich die im voraus festgelegte Motorgeschwindigkeit mit dem Lichtbogen zwischen den Kollektorsegmenten und den Kontaktbürsten. Diese Nachteile sind beim erfindungsgemässen Motor, der überdies eine sehr kompakte Bauweise ermöglicht, vermieden.