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Synchronmotor für den Antrieb einer elektronischen batteriebetriebenen Uhr Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchronmotor für den Antrieb einer elektronischen batteriebetriebenen Uhr.
Es sind elektrische batteriebetriebene Uhren bekannt, bei denen mit Hilfe von Schwingquarzen elektrische Schwingungen relativ hoher Frequenz erzeugt und über Frequenzteilerschaltungen Synchronmotore angetrieben werden. Diese Uhren benötigen eine sehr sorgfältige Wartung. Sie scheiden daher aus dem Bereich allgemeiner Gebrauchsuhren aus.
Zum Zweck des Batteriebetriebs sind bekannte Federaufzugsuhren derart eingerichtet, dass ein Aufzugsmagnet in gewissen Zeitabständen die Zugfeder nachspannt. Die von der Batterie gelieferte Energie wird hierbei schubweise in der Zugfeder gespeichert und dann über das Räderwerk zur Erhaltung mechanischer Schwingungen dem Gangregler zugeführt. Der Aufzugsmagnet wird durch ein Kontaktsystem betätigt, welches durch das Uhrwerk selbst gesteuert wird. Fehlerhafte und verschmutzte Kontakte verursachen daher oft Gangstörungen. Ausserdem unterliegt die Energieübertragung auf ihrem Weg über das Räderwerk mannigfachen Einflüssen, so dass eine gleichmässige Energiezufuhr nicht immer gewährleistet ist, woraus dann Schwingungen resultieren, die nicht zeitengleich sind.
Es sind weiterhin elektrische Uhren bekannt, die mittels Rückkopplungsgeneratoren verschiedener Bauart elektrische Schwingungen erzeugen, die zum Antrieb von Synchronmotoren dienen. Sofern es sich um Rückkopplungsgeneratoren handelt, die durch Transistoren gesteuert werden, entsteht eine starke Temperatur- und Spannungsabhängigkeit, welche den genauen Gang solcher Uhren nachteilig beeinflusst.
So ist beispielsweise ein Uhrenantrieb bekannt, bei welchem unruhlos mittels einer Transistor-Oszillator- schaltung ein Synchronmotor angetrieben wird. Der Synchronmotor ist mit mehreren Spulen ausgerüstet, und die Induktivitäten sind zu Bestandteilen einer Oszillator- schaltung gemacht, deren Frequenz von RC-Kreisen bestimmt wird. Hierbei ist in dem Motor eine trans- formatorische, der Rückkopplung dienende Kopplung zwischen den einzelnen Spulen vorhanden, und es werden Sperrschwinger angewandt, die sägezahnartige Schwingungen erzeugen und naturgemäss zu einem instabilen Verhalten neigen.
Dieses instabile Verhalten tritt besonders dann in Erscheinung, wenn sich die Umgebungstemperatur des Transistors ändert sowie die Batteriespannung abfällt. Es sind daher besondere Sta- bilisierungsglieder erforderlich, welche als Halbleiter ebenfalls temperaturempfindlich sind und verteuernde, der Alterung unterworfene Bauelemente darstellen.
Bekannt ist es ferner, solche Rückkopplungsgeneratoren durch Fremdsignale, beispielsweise durch das Streufeld des Lichtnetzes, synchronisierend zu beeinflussen. Hierzu ist jedoch ein ziemlich teurer Schaltungsaufwand sowie eine Antenne zum Empfangen des Syn- chronisationsstreufeldes erforderlich. Ausserdem arbeiten diese Anordnungen mit schnell laufenden Synchronmotoren, welche wiederum ein stark untersetzendes Zeigergetriebe, also eine Vielzahl beweglicher und störanfälliger Teile erfordern.
Darüber hinaus ist festzustellen, dass die in dem Synchronmotor selbst induzierte EMK rückwirkend, und zwar störend auf ein Transistor- Schwingungssystem einwirkt, indem der laufende Motor, der ausschliesslich über seine Erregerwicklung direkt oder indirekt mit den Schwingkreisen gekoppelt ist, immer versucht, die Arbeitsfrequenz von der BetriebsSoll-Frequenz wegzuziehen, wozu eben jene, diesem Umstand entgegenwirkenden, oben genannten Stabilisierungsmassnahmen mittels des Netzsignals erforderlich sind.
Weiterhin ist es bekannt, durch Oszillatorschaltung mittels Transistoren den Stator eines Ferrarisläufers zu speisen, um hierdurch schrittweisen Unruhantrieb
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zu erzeugen. Hier werden zwei Schwingungssysteme, ein elektronisches und ein mechanisches, zum Antrieb von Uhrzeigern verwandt.
Bei einer anderen bekannten Anordnung werden zwei über einen Rotor miteinander induktiv in Verbindung gebrachte und über einen Transistor als Verstärker galvanisch zusammengeschaltete Spulen derart gesteuert, dass durch Aufschaukelung beim Drehbeginn des Rotors und tangentialer Verstellbarkeit der Hilfsspule eine bestimmte Arbeitsfrequenz erzielt wird. Zwei Transistoren sollen als Polwechsler gegentaktlich die gleiche Schaltungsarbeit übernehmen, wobei die Bestimmung der Arbeitsfrequenz in der vorgeschilderten Weise stattfindet.
Eine zum Antrieb von Uhrzeigern erforderliche stete Regelmässigkeit ist damit schwerlich zu erreichen, zumal auch hier keine thermo- und spannungskompensierenden Massnahmen getroffen worden sind. Bekannt ist es ferner, zur Steuerung einer Uhr zwei besondere LC-Kreise zu verwenden, die induktiv miteinander gekoppelt sind.
Auch eine Schaltungsanordnung für kollektorlose Motoren ist bekannt, wobei der Motor zum Antrieb oder der Steuerung elektrischer Uhren dient. Der laufende Rotor erzeugt eine Wechselspannung, die einen Transistor derart steuert, dass die erzeugten Gleichstromimpulse über eine Arbeitsspule antreibend auf den gleichen Rotor einwirken. Dies ist insofern nachteilig, als der Rotor leicht in eine unkontrollierte Drehung geraten kann, da die Steuerspannung am Transistor vom Rotor selbst abhängt, und es wäre erforderlich, Korrekturglieder in Form von mechanisch schwingenden Teilen zusätzlich vorzusehen, wodurch die Hauptvorteile einer elektrischen Uhr gegenüber Uhren mit einer Unruh schon beispielsweise verlorengehen.
Schliesslich sei zum Stand der Technik noch angeführt, dass es bei Synchronmotoren allgemein bekannt ist, einen topfförmigen Stator zu verwenden. Bekannt war dies auch bei einer Synchronuhr.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Synchronmotor für den Antrieb der Zeiger oder des Räderwerks einer batteriegespeisten Uhr zu schaffen, mit dem bei günstigem Wirkungsgrad ein geringer Stromverbrauch erzielbar ist. Dies hat für batteriegespeiste Uhren grosse Bedeutung, da man einen möglichst langen Betrieb der Uhr mit einer Batterie anzustreben versucht, ferner, dass ein guter Wirkungsgrad eine wesentliche Verkleinerung des Motors erlaubt. Darüber hinaus soll eine weitgehende Thermo- und Spannungskompensation ohne grossen schaltungstechnischen Aufwand erreicht werden.
Der Synchronmotor für den Antrieb der Zeiger oder des Räderwerks einer elektronischen batteriebetriebenen, keinen mechanischen Gangordner aufweisenden Uhr, deren Betriebsspannung von einer Transistor-Oszillator- schaltung mit LC-Schwingkreisen als zeithaltendem Element erzeugt wird, deren beide Induktionsspulen innerhalb des topfförmigen Statorgehäuses mit enger Kopplung aufeinander angeordnet sind, ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass das Statorgehäuse zwei mit radialem Abstand einander gegenüberliegende mit je zwei um eine halbe Polteilung gegeneinander versetzt angeordnete Polschuhreihen versehene Statorpol- ringe aufweist, und der Rotor mit stabförmigen,
in axialer Richtung gleichnamig magnetisierten, parallel zueinander liegenden Dauermagneten zwischen die Polschuhe hineinragt. Die erfindungsgemässe Ausbildung des Synchronmotors gestattet seine Abmessungen zu redu- zieren und einen besonders gleichmässigen Betrieb bei hohem Drehmoment aufrechtzuerhalten. Es wird eine hohe Polfelddichte erreicht und ausserdem werden die magnetischen Verluste reduziert. In vorteilhafter Weise sind die Polzonen der Dauermagnete derart ausgebildet, dass der Magnetfluss an den Seitenrändern der Magnet austritt, d. h. der Magnetfluss ist an den Stirnseiten der Dauermagnete unterdrückt.
Der Rotor selbst kann zweckmässigerweise in Form einer Glocke und zur Reduzierung der Rotormasse aus Kunststoff ausgebildet sein, an deren Umfang in gleichmässigen Abständen die Dauermagnete angeordnet sind.
Die erfindungsgemässe Kennzeichnung der kompensierten Antriebsschaltung erfolgt durch die Anordnung des Transistors mit den passiven Bauelementen, vornehmlich die der Kondensatoren und des Thermowider- standes mit positivem Temperaturkoeffizienten. Dadurch wird die Kompensation zufolge kontinuierlich-veränder- licher Gleichspannungsteilung der gesamten Konden- satorstrecke, die mit den Induktivitäten in Reihe liegt, erreicht. Das von dieser Teilung herrührende Basispotential wird durch die temperaturabhängigen Transistorströme indirekt und/oder den Thermowiderstand direkt automatisch geregelt.
Ausserdem wird mit einem regelbaren Shunt der Grad der Kompensation eingestellt. Durch diese Kompensation wird erreicht, dass die aus oben angeführten Vorgängen resultierende Ampli- tudenstabilisierung einen stets gleichmässigen Lauf des Synchronmotors gewährleistet.
Anhand der Fig. 1 bis 3 wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Synchronmotors, seine Wirkungsweise sowie die Funktion der Kompensation näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Synchronmotor mit einem Schaltschema für seine Betriebsspannungs- erzeugung, welches gleichzeitig die Anordnung der Kompensationselemente angibt, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Synchronmotor in Richtung der Rotorachse, wobei die Rotorglocke teilweise weggelassen ist, Fig. 3 schematisch einen Dauermagneten.
Der von einer Batterie 1 gelieferte Gleichstrom speist einen Sinusgenerator, der durch einen Transistor 2 gesteuert wird. Die Schwingkreisinduktivität ist zugleich Erregerspule 4 und 5 und Statorgehäuse 3, 3a, 3b eines Synchronmotors. Die Induktionsspulen 4 und 5 sind mit enger Kopplung innerhalb des topfförmigen Statorgehäuses auf dessen Achse 3b angeordnet. Das Zeitnormal besteht aus der Resonanzfrequenz des LC- Schwingkreises dieses Sinusgenerators. Sie wird bestimmt durch die Abmessungen der Induktionsspulen 4 und 5 des Stators 3, 3a 3b sowie durch die Kapazitäten der Kondensatoren 6 und 7.
Die Induktionsspule 4 dient auch zur Ankopplung, d. h. der beim Einschalten der Batterie 1 auftretende Gleichstromimpuls lässt den Sinusgenerator anschwingen. Die sinusförmige Wechselspannung des Schwingkreises ist durch die Induktionsspulen 4 und 5 sowie die Kondensatoren 6 und 7 geteilt. Durch die Festlegung der Windungs- zahlen der Induktionsspulen 4 und 5 ist ein bestimmtes trausformatorisches Verhältnis eingestellt. Mit diesem Verhältnis wird die für die Erzeugung des Statorwechsel- feldes günstigste Spannung der Spule 5 erzielt.
Diese Wechselspannung, die gleichzeitig auch zur Aufrechterhaltung und Verstärkung der Schwingungen zur Basis rückgekoppelt wird, ist bei 8 zur Erzielung einer un- verzerrten Sinuskurve durch die kapazitive Teilung
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der Kondensatoren 6 und 7 in ihrer Höhe festgelegt. Durch die Gesamtkapazität der Kondensatoren wird das C des Schwingkreises bestimmt.
Bei Punkt 8 wird aber auch ausser der wechselspan- nungsmässigen Rückkopplung ein Gleichspannungspo- tential erbracht, welches von der Gleichspannungsvertei- lung über der ganzen Strecke, nämlich der Induktionsspulen 4 und 5 und der Kondensatoren 6 und 7 herrührt, und der Wechselspannung der Schwingkreise unterlagert ist. Dieses Potential dient zur Steuerung und Verstärkungsregelung des Transistors. Mithin wird also hierdurch der Kollektorstrom, welcher die im vorangegangenen Absatz genannte Funktion hat, geregelt. Gleichzeitig wird ausserdem das Potential an Punkt 8 durch die in dem Leitungszweig zum Minuspol hin liegenden Widerstände 9, 9a und 10 beeinflusst.
Der Widerstand 10 ist von Hand aus regelbar.
Mit ihm kann die Feinregulierung der Arbeitsfrequenz erfolgen. Der Widerstand 9 dagegen ist ein Thermo- widerstand - PTC-Widerstand - mit positiven Temperaturkoeffizienten, d. h. bei Erhöhung der Umgebungstemperatur nimmt sein Widerstand zu und bei Erniedrigung der Temperatur ab. Mittels des Shunts 9a wird der PTC abgeglichen und der Grad der Kompensation eingestellt.
Zunächst sei erläutert, wie die Thermokompensa- tion bei Ausserachtlassung der Wirkung des PTC-Wider- standes arbeitet. Bei Ansteigen der Umgebungstemperatur bringt der Transistor über die Basis- und Kollek- torstrecke mehr Strom. Der anwachsende Strom über die Basisleitung lädt beispielsweise den Kondensator 6 stärker auf. Ausserdem erfolgt auch ein grösserer Spannungsabfall an der Induktionsspule 4. Durch diese Vorgänge ergibt sich eine Potentialverschiebung an Punkt 8 zum Positiven hin - auf den Minuspol bezogen - und der Kollektorstrom wird wieder heruntergeregelt. Bei Temperaturerniedrigung erfolgt dieser Vorgang in umgekehrter Weise.
Das Potential an Punkt 8 verschiebt sich zum Negativen hin und regelt den Transistor herauf.
Die Intensität dieser selbsttätigen Regelung ist von dem Verhältnis der Kondensatoren 6 und 7 abhängig. Wird das einmal eingestellte Verhältnis zugunsten von Kondensator 7 verändert, so nimmt die Intensität zu. Durch die kontinuierliche Einpendelung der Kompensation versucht jedoch dieser Vorgang, sich selbst zu hemmen, so dass ein Unterkompensations-Restfehler bestehen bleibt, welcher nunmehr durch den Thermo- widerstand 9 nahezu restlos ausgeglichen wird.
Indem beispielsweise der PTC-Widerstand bei Temperaturerhöhung seinen Widerstandswert erhöht, wird der Einfluss der negativen Basisvorspannung über den Leitungszweig 9, 9a 10 geringer, und der Arbeitspunkt des Transistors zusätzlich oder weitgehend allein durch den PTC, je nach Einstellung des kapazitiven Verhältnisses, zum Positiven hin verschoben. Bei Temperaturerniedrigung erfolgt dieser Vorgang umgekehrt. Hierdurch wird der Einfluss erhöhter bzw. erniedrigter Umgebungstemperatur auf das schwingende System vorteilhaft ausgeglichen und die Amplitude des Wechselstromkreises stabilisiert.
Durch die hohe Selbstinduktion des fast geschlossenen topfförmigen Eisenkerns des Statorgehäuses 3, 3a, 3b, der beispielsweise aus einem hochpermeablen nickellegierten Weicheisen besteht, und die hohe Stromverstärkung des Transistors 2 entsteht in dem rinförmigen Luftspalt zwischen den Statorgehäuseteilen 3 und 3a ein starkes magnetisches Wechselfeld. In den Luftspalt ragt der glockenförmige, vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Rotor 11 hinein. Der Rotor 11 ist mit der Welle 12 in der Mitte gelagert. Die Welle 12 dient auch zum Antrieb der Zeiger oder des Räderwerks der Uhr. An dem Umfang des Rotors sind in gleichmässigen Abständen stabförmige Dauermagnete 13 parallel zueinander angeordnet.
Diese bestehen beispielsweise aus leichtem oxydischem Werkstoff. Sie sind in axialer Richtung gleichnamig magnetisiert, d. h. in der einen axialen Richtung sind alle Nordpole und in der entgegengesetzten Richtung alle Südpole wirksam. Die Polzonen der Dauermagnete 13 sind in vorteilhafter Weise derart ausgebildet, dass der Magnetfluss an den Seitenrändern der Magnete austritt, d. h. der Magnetfluss ist an den Stirnseiten der Dauermagnete unterdrückt (Fig. 3).
Das Statorgehäuse weist zwei mit radialem Abstand einander gegenüberliegende, mit Polschuhreihen 14, 15, 16 und 17 versehene Statorpolringe auf. Die Polschuhreihen 14, 15, 16 und 17 besitzen je Reihe die gleiche Anzahl Zähne, wie der Rotor 11 Dauermagnete aufweist. Sie sind aber um eine halbe Polteilung gegeneinander versetzt, d. h. dass einem Zahn der Reihe 14 ein Zahn der Reihe 17 und einem Zahn der Reihe 16 ein Zahn der Reihe 15 gegenübersteht. Zur Erzielung eines besseren Einlaufdrehmomentes können ausserdem die beiden Statorgehäuseteile 3 und 3a ein wenig gegeneinander verdreht sein.
Beim Einsetzen des Wechselfeldes, beispielsweise Nordpolung der Polzahnreihen 14 und 15 und Süd- polung der Polzahnreihen 13 und 17, werden alle Nordpole der Dauermagnete 13 von den Zähnen der Reihe 14 abgestossen, aber die Südpole der Dauermagnete von den Zähnen der Reihe 15 angezogen. Gleichzeitig erfolgt dieser Vorgang im umgekehrten Sinn bei den inneren Polzahnreihen, d. h. die Südpole der Dauermagnete 13 werden von den Zähnen der Reihe 17 abgestossen und die Nordpole der Dauermagnete 13 durch die Zähne der Reihe 16 angezogen. Jetzt hat der Rotor 11 die nächste Halbteilung erreicht. Das Statorfeld polt um und der ganze Vorgang wiederholt sich nun in umgekehrter Weise.
Nach kurzer Zeit kommt der Rotor 11 schliesslich in den Synchronumlauf. Die vorstehend geschilderten Vorgänge spielen sich dann in fliessender Folge ab. Dabei liegt das Maximum des Statorfeldes beider Richtungen 19 jeweils zwischen zwei Polzahnpaaren in der Mitte des Übergangs der Rotor- Dauermagnete 13. Das von den Dauermagneten induzierte Feld ist dem Arbeitsfeld des Stators in Richtung und Phase genau gleich. Die Summe aller gleichgerichteten Einzelwirkungen ergibt das Drehmoment des Rotors. Seine Drehzahl pro Zeiteinheit wird von der Frequenz des Wechselfeldes bestimmt. Bei einem vollen Sinuswechsel bewegt sich der Rotor um eine Teilung weiter.
Beträgt beispielsweise die Frequenz des Sinus- generators 48 Hz und die Anzahl der Dauermagnete 13 vierundzwanzig, so ergeben sich zwei volle Umdrehungen pro Sekunde.
Die Grobeinstellung der Arbeitsfrequenz kann bei festgelegten Werten der Kondensatoren 6 und 7 durch Abgleich der Windungszahlen der Spulen 4 und 5 unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Höhe der Rückkopplungsspannung, die auch durch das Windungszah- lenverhältnis der Spulen 4 und 5 mitbestimmt wird, erfolgen, oder auch umgekehrt, indem man kleinere Kapazitäten den Kondensatoren 6 und 7 parallel schaltet. Die Feinregulierung kann auch neben dem Regelwider-
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stand 10 durch einen in die Emitterzuleitung des Transistors 2 eingefügten regelbaren Widerstand 18 erfolgen.
Bei stillgesetztem oder herausgenommenem Rotor hat die erfindungsgemässe Antriebsschaltung die besondere Eigenschaft, bei abfallender Betriebsspannung die Arbeitsfrequenz zu erhöhen, jedoch bei laufendem Motor und Betriebsspannungsrückgang dieselbe zu erniedrigen, wobei letztere Erscheinung auf die Einwirkung der Feldstärke der Rotor-Dauermagnete zurückzuführen ist.
Durch entsprechende Dimensionierung dieser beiden Wirkungen - vornehmlich der letzteren, die ja einander entgegengesetzt gerichtet sind und sich daher aufheben, können vorerwähnte Spannungseinflüsse auf ein Minimum reduziert werden. Diese Feststellungen konnten aufgrund langer und eingehender Untersuchungen, die an einem dem Ausführungsbeispiel fast genau entsprechenden Prototyp vorgenommen wurden, einwandfrei ermittelt werden.
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Synchronous motor for driving an electronic battery-operated clock The invention relates to a synchronous motor for driving an electronic battery-operated clock.
Electric, battery-operated clocks are known in which electrical oscillations of relatively high frequency are generated with the aid of quartz oscillators and synchronous motors are driven via frequency divider circuits. These watches require very careful maintenance. They are therefore excluded from the area of general utility watches.
For the purpose of battery operation, known spring winding watches are set up in such a way that a winding magnet re-tensiones the mainspring at certain time intervals. The energy supplied by the battery is stored in batches in the tension spring and then fed to the gear regulator via the gear train to maintain mechanical vibrations. The winding magnet is operated by a contact system which is controlled by the movement itself. Faulty and dirty contacts therefore often cause gait disturbances. In addition, the energy transfer is subject to various influences on its way via the gear train, so that a uniform energy supply is not always guaranteed, which then results in vibrations that are not simultaneous.
There are also known electrical clocks that generate electrical vibrations by means of feedback generators of various types, which are used to drive synchronous motors. If it is a question of feedback generators that are controlled by transistors, there is a strong temperature and voltage dependency, which has a negative impact on the exact rate of such clocks.
For example, a clock drive is known in which a synchronous motor is driven without restlessness by means of a transistor oscillator circuit. The synchronous motor is equipped with several coils, and the inductances are made part of an oscillator circuit, the frequency of which is determined by RC circuits. In this case, the motor has a transformer coupling between the individual coils for feedback, and blocking oscillators are used which generate sawtooth-like vibrations and naturally tend to be unstable.
This unstable behavior is particularly evident when the ambient temperature of the transistor changes and the battery voltage drops. Special stabilization members are therefore required which, as semiconductors, are also temperature-sensitive and represent expensive components that are subject to aging.
It is also known to influence such feedback generators in a synchronizing manner by external signals, for example by the stray field of the lighting network. However, this requires quite expensive circuitry and an antenna for receiving the synchronization stray field. In addition, these arrangements work with high-speed synchronous motors, which in turn require a strongly reducing pointer gear, that is, a large number of moving and failure-prone parts.
In addition, it should be noted that the EMF induced in the synchronous motor itself has a retroactive effect on a transistor oscillation system in that the running motor, which is directly or indirectly coupled to the oscillating circuits via its excitation winding, always tries to reduce the operating frequency of the target operating frequency, for which the above-mentioned stabilization measures by means of the network signal that counteract this circumstance are required.
It is also known to feed the stator of a Ferrari rotor by means of an oscillator circuit by means of transistors in order to thereby drive the balance wheel step by step
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to create. Here two vibration systems, one electronic and one mechanical, are used to drive clock hands.
In another known arrangement, two coils, which are inductively connected to one another via a rotor and galvanically interconnected via a transistor as an amplifier, are controlled in such a way that a certain operating frequency is achieved by swinging when the rotor begins to rotate and tangential adjustability of the auxiliary coil. Two transistors as pole changers are supposed to do the same circuit work in push-pull mode, with the working frequency being determined in the manner described above.
The constant regularity required to drive clock hands is difficult to achieve, especially since no thermo- and voltage-compensating measures have been taken here either. It is also known to use two special LC circuits that are inductively coupled to one another to control a clock.
A circuit arrangement for brushless motors is also known, the motor being used to drive or control electrical clocks. The running rotor generates an alternating voltage which controls a transistor in such a way that the generated direct current pulses act as a driving force on the same rotor via a work coil. This is disadvantageous insofar as the rotor can easily get into an uncontrolled rotation, since the control voltage on the transistor depends on the rotor itself, and it would be necessary to provide additional correction elements in the form of mechanically vibrating parts, which gives the main advantages of an electric clock over clocks a balance wheel, for example, can be lost.
Finally, with regard to the state of the art, it should be mentioned that it is generally known to use a cup-shaped stator in synchronous motors. This was also known for a synchronous clock.
The invention is based on the object of creating a synchronous motor for driving the hands or the gear train of a battery-powered clock, with which a low power consumption can be achieved with a favorable degree of efficiency. This is of great importance for battery-powered clocks, since attempts are made to operate the clock with a battery for as long as possible, and furthermore that a good degree of efficiency allows the motor to be reduced in size. In addition, extensive thermal and voltage compensation should be achieved without major circuitry outlay.
The synchronous motor for driving the hands or the gear train of an electronic, battery-operated clock that does not have a mechanical gear folder, the operating voltage of which is generated by a transistor oscillator circuit with LC resonant circuits as a time-keeping element, the two induction coils of which are closely coupled to one another within the pot-shaped stator housing are arranged, is characterized according to the invention in that the stator housing has two radially spaced opposite stator pole rings each with two pole shoe rows offset from one another by half a pole pitch, and the rotor with rod-shaped,
In the axial direction of the same magnetized permanent magnets lying parallel to each other protrude between the pole shoes. The design of the synchronous motor according to the invention allows its dimensions to be reduced and particularly smooth operation to be maintained at high torque. A high pole field density is achieved and the magnetic losses are also reduced. The pole zones of the permanent magnets are advantageously designed in such a way that the magnetic flux exits at the side edges of the magnet, i. H. the magnetic flux is suppressed at the end faces of the permanent magnets.
The rotor itself can expediently be designed in the form of a bell and to reduce the rotor mass made of plastic, on the circumference of which the permanent magnets are arranged at regular intervals.
The identification of the compensated drive circuit according to the invention takes place through the arrangement of the transistor with the passive components, primarily the capacitors and the thermoresistor with a positive temperature coefficient. As a result, the compensation is achieved based on the continuously variable DC voltage division of the entire capacitor line, which is in series with the inductances. The base potential resulting from this division is regulated indirectly by the temperature-dependent transistor currents and / or the thermal resistor directly and automatically.
In addition, the degree of compensation is set with an adjustable shunt. This compensation ensures that the amplitude stabilization resulting from the above-mentioned processes ensures that the synchronous motor always runs smoothly.
An exemplary embodiment of the synchronous motor according to the invention, its mode of operation and the function of the compensation are explained in more detail with reference to FIGS. 1 shows a longitudinal section through the synchronous motor with a circuit diagram for its operating voltage generation, which at the same time indicates the arrangement of the compensation elements, FIG. 2 shows a plan view of the synchronous motor in the direction of the rotor axis, the rotor bell being partially omitted, 3 schematically a permanent magnet.
The direct current supplied by a battery 1 feeds a sine wave generator which is controlled by a transistor 2. The resonant circuit inductance is at the same time the excitation coil 4 and 5 and the stator housing 3, 3a, 3b of a synchronous motor. The induction coils 4 and 5 are arranged with close coupling within the pot-shaped stator housing on its axis 3b. The time standard consists of the resonance frequency of the LC oscillating circuit of this sine wave generator. It is determined by the dimensions of the induction coils 4 and 5 of the stator 3, 3a, 3b and by the capacitances of the capacitors 6 and 7.
The induction coil 4 is also used for coupling, i.e. H. the direct current pulse that occurs when the battery 1 is switched on causes the sine wave generator to oscillate. The sinusoidal alternating voltage of the resonant circuit is divided by the induction coils 4 and 5 and the capacitors 6 and 7. By defining the number of turns of the induction coils 4 and 5, a certain transformer ratio is set. With this ratio, the most favorable voltage of the coil 5 for generating the alternating stator field is achieved.
This alternating voltage, which at the same time is also fed back to the base to maintain and amplify the vibrations, is at 8 to achieve an undistorted sinusoid through the capacitive division
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the capacitors 6 and 7 set in their height. The C of the resonant circuit is determined by the total capacitance of the capacitors.
At point 8, however, in addition to the alternating voltage feedback, a direct voltage potential is produced which comes from the direct voltage distribution over the entire route, namely the induction coils 4 and 5 and the capacitors 6 and 7, and is subordinate to the alternating voltage of the resonant circuits . This potential is used to control and regulate the gain of the transistor. The collector current, which has the function mentioned in the previous paragraph, is therefore regulated in this way. At the same time, the potential at point 8 is also influenced by the resistors 9, 9a and 10 in the line branch towards the negative pole.
The resistor 10 can be regulated by hand.
It can be used to fine-tune the working frequency. The resistor 9, on the other hand, is a thermal resistor - PTC resistor - with positive temperature coefficients, i. H. when the ambient temperature increases, its resistance increases and when the temperature decreases, it decreases. The PTC is adjusted by means of the shunt 9a and the degree of compensation is set.
First, it should be explained how the thermal compensation works if the effect of the PTC resistor is ignored. When the ambient temperature rises, the transistor brings more current through the base and collector path. The increasing current via the base line charges the capacitor 6 more, for example. In addition, there is also a greater voltage drop across the induction coil 4. These processes result in a potential shift at point 8 towards the positive - related to the negative pole - and the collector current is regulated down again. When the temperature is lowered, this process takes place in reverse.
The potential at point 8 shifts towards the negative and regulates the transistor up.
The intensity of this automatic regulation depends on the ratio of the capacitors 6 and 7. If the ratio, once set, is changed in favor of capacitor 7, the intensity increases. Due to the continuous leveling off of the compensation, however, this process tries to inhibit itself, so that an undercompensation residual error remains, which is now almost completely compensated for by the thermal resistor 9.
For example, because the PTC resistor increases its resistance value when the temperature rises, the influence of the negative base bias via the branch 9, 9a 10 is less, and the operating point of the transistor is additionally or largely solely due to the PTC, depending on the setting of the capacitive ratio, to the positive postponed. This process is reversed when the temperature is lowered. In this way, the influence of increased or decreased ambient temperature on the oscillating system is advantageously compensated and the amplitude of the alternating current circuit is stabilized.
Due to the high self-induction of the almost closed cup-shaped iron core of the stator housing 3, 3a, 3b, which for example consists of a highly permeable nickel-alloyed soft iron, and the high current gain of the transistor 2, a strong alternating magnetic field is created in the ring-shaped air gap between the stator housing parts 3 and 3a. The bell-shaped rotor 11, preferably made of plastic, protrudes into the air gap. The rotor 11 is mounted with the shaft 12 in the middle. The shaft 12 also serves to drive the hands or the gear train of the clock. On the circumference of the rotor, rod-shaped permanent magnets 13 are arranged parallel to one another at regular intervals.
These consist, for example, of a light, oxidic material. They are magnetized with the same name in the axial direction, i. H. in one axial direction all north poles and in the opposite direction all south poles are effective. The pole zones of the permanent magnets 13 are advantageously designed in such a way that the magnetic flux exits at the side edges of the magnets, ie. H. the magnetic flux is suppressed at the end faces of the permanent magnets (Fig. 3).
The stator housing has two stator pole rings which are radially spaced apart and are provided with pole shoe rows 14, 15, 16 and 17. The pole shoe rows 14, 15, 16 and 17 have the same number of teeth per row as the rotor 11 has permanent magnets. But they are offset from one another by half a pole pitch, i.e. H. that a tooth in row 14 is opposite a tooth in row 17 and a tooth in row 16 is opposite a tooth in row 15. In order to achieve a better running-in torque, the two stator housing parts 3 and 3a can also be rotated a little relative to one another.
When the alternating field starts, for example north poling of the pole tooth rows 14 and 15 and south poling of the pole tooth rows 13 and 17, all north poles of the permanent magnets 13 are repelled by the teeth of row 14, but the south poles of the permanent magnets are attracted by the teeth of row 15. At the same time, this process takes place in the opposite direction for the inner rows of pole teeth, i.e. H. the south poles of the permanent magnets 13 are repelled by the teeth of the row 17 and the north poles of the permanent magnets 13 are attracted by the teeth of the row 16. Now the rotor 11 has reached the next half division. The stator field reverses and the whole process is now repeated in reverse.
After a short time, the rotor 11 finally starts synchronous rotation. The processes described above then take place in a flowing sequence. The maximum of the stator field in both directions 19 lies between two pairs of pole teeth in the middle of the transition between the rotor and permanent magnets 13. The field induced by the permanent magnets is exactly the same as the working field of the stator in direction and phase. The sum of all rectified individual effects results in the torque of the rotor. Its speed per unit of time is determined by the frequency of the alternating field. With a full sine change, the rotor moves one division further.
For example, if the frequency of the sinusoidal generator is 48 Hz and the number of permanent magnets 13 is twenty-four, this results in two full revolutions per second.
The coarse setting of the operating frequency can be done with fixed values of the capacitors 6 and 7 by comparing the number of turns of the coils 4 and 5 while taking into account the level of the feedback voltage, which is also determined by the number of turns of the coils 4 and 5, or vice versa by connecting smaller capacitances to capacitors 6 and 7 in parallel. The fine adjustment can also be used in addition to the
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stood 10 by a controllable resistor 18 inserted into the emitter lead of transistor 2.
When the rotor is stopped or removed, the drive circuit according to the invention has the special property of increasing the operating frequency when the operating voltage drops, but reducing it when the motor is running and the operating voltage drops, the latter phenomenon being due to the effect of the field strength of the permanent rotor magnets.
By appropriately dimensioning these two effects - primarily the latter, which are directed in opposite directions and therefore cancel each other out, the aforementioned stress influences can be reduced to a minimum. These findings could be correctly determined on the basis of long and detailed investigations carried out on a prototype that almost exactly corresponds to the exemplary embodiment.