CH519745A - Einrichtung zur Konstanthaltung der Drehzahl eines Rotors in einem Zeitmessgerät - Google Patents

Description

  
 



  Einrichtung zur Konstanthaltung der Drehzahl eines Rotors in einem Zeitmessgerät
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Konstanthaltung der Drehzahl eines Rotors in einem Zeitmessgerät, mit mindestens zwei am Rotor angeordneten Magnetpolen und einer in der Nähe wenigstens eines Teiles des Rotors angeordneten, und mit wenigstens einem der Magnetpole zusammenwirkenden Antriebschaltung, welche mindestens eine Antriebsspule, eine Stromquelle sowie einen Verstärker   aufweist,    ferner mit Mitteln zur Erzeugung einer Grundfrequenz für den Betrieb des Rotors, welche Mittel eine in der Nähe des Rotors angeordnete Geberspule aufweisen, die auf die Bewegung des Rotors anspricht und Impulse mit der genannten Grundfrequenz erzeugt sowie dem Verstärker zuführt, sowie Mitteln, um der genannten Antriebsspule die Ausgangssignale des Verstärkers zuzuführen,

   damit in der Antriebsschaltung magnetische, den Rotor weiterbewegende Impulse entstehen.



   Bei den Zeitmessgeräten für Automobile besteht die Forderung nach einer genau arbeitenden, mit konstanter Drehzahl laufenden Einrichtung, die relativ billig herzustellen und unempfindlich gegen Erschütterungen ist. Bisher verwendete man in solchen Einrichtungen Oszillatoren zum Antrieb eines Synchronmotors. Dieses System ist   jedoch      hinsichtlich    der Kosten und der Stabilität sehr nachteilig. Der Gleichstrom der Stromquelle eines Automobils wird von dem Oszillator in Wechselstrom zum Antrieb des Synchronmotors umgeformt.



  Ein Synchronmotor lässt sich auf verhältnismässig billige Weise für den Betrieb bei kleinen Frequenzen herstellen,   etwa    für sechzig Hertz. Teuer ist jedoch der für die   Stabilisierung    des niederfrequenten An   triebsstromes    aus einer   Gleichstromquellle    benötigte   Oszillator.      Anderseits    lässt sich jedoch ein Oszillator zur Erzeugung eines frequenzmässig stabilen Hoch   frequenzsignals    aus einer   GleichstroImquellle    relativ billig herstellen. In diesem Falle ist aber wiederum der Synchronmotor kostspieliger.

  Daher sind die Kosten der Einrichtung sowohl für   den    Niederfrequenz- als auch für   d'en    Hochfrequenzbetrieb   prohibitiv.   



   Zur Überwindung dieser gegensätzlichen Eigenschaften ist eine Einrichtung der eingangs genannten Art bekanntgeworden, bei der die Mittel zur Erzeugung der Grundfrequenz im Prinzip aus einer elektromagnetisch erregten Stimmgabel besteht, deren Schwingungen auf induktivem Wege abgenommen werden. Dem Rotor der bekannten Einrichtung ist ebenfalls eine Geberspule zugeordnet, die auf induktivem Wege ein von der Rotordrehzahl abhängiges Signal zuführt. Die beiden Signale, d. h. das  Stimmgabelsignal  und das  Rotorsignal  werden bei der bekannten Einrichtung einem Transistor zugeführt, der nach Massgabe der Koinzidenz der beiden Signale während einer längeren oder einer kürzeren Zeit die Antriebsspule an eine Stromquelle anschliesst.



   Die Resonanzfrequenz der Stimmgabel der bekannten Einrichtung dient somit lediglich dazu, den transistorisierten Speisekreis der Antriebsspule leitend bzw.



  nichtleitend zu machen, so dass wenn der Rotor seine Drehzahl erhöhen sollte, die ihm über die Antriebsspule zugeführte Antriebsenergie reduziert wird, um die Drehzahl synchron mit der Stimmgabelfrequenz zu halten. Dabei ist diese Synchrondrehzahl (wie bei gro ssen Maschinen) von der Polpaarzahl abhängig.



   Dass diese bekannte Einrichtung eines nicht unerheblichen technischen Aufwandes bedarf, liegt auf der Hand. Ausserdem sind bei dieser Einrichtung die eingangs genannten Schwierigkeiten der gegensätzlichen Eigenschaften (entweder billiger Synchronmotor und teurer Oszillator oder aber billiger Oszillator und teurer Synchronmotor) nicht überwunden, weil das Verhältnis zwischen Stimmgabelfrequenz einerseits und Rotordrehzahl anderseits nur durch die Polpaarzahl des Synchronmotors gegeben ist.  



   Es ist daher ein Anliegen der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit konstanter niedriger Drehzahl arbeitet, deren Fertigung geringe Kosten verursacht, und bei der das Verhältnis zwischen Frequenz des Oszillators und der Grundfrequenz des Rotors sozusagen beliebig hoch gewählt werden kann, ohne dabei zu einem teueren Synchronmotor oder aber zu einem teueren Oszillator greifen zu müssen.



   Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemässe Einrichtung dadurch gekennzeichnet, dass ein vom genannten Verstärker getrennter und unabhängiger Generator einer harmonischen Schwingung vorgesehen ist, deren Frequenz einem ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz ist, wobei der Generator an den Verstärker gekoppelt ist, um dem Eingang des Verstärkers konti   nuierlich    einen ununterbrochenen Impulszug elektrischer Steuersignale aus dem Generator zuzuführen, wodurch der Verstärker der Antriebsspule Antriebsimpulse mit einer einem ganzzahligen Bruchteil der Generatorfrequenz entsprechenden, jedoch mit dieser in fester Phasenbeziehung stehenden Frequenz zuführt, um den Rotor mit einer Drehzahl anzutreiben die einem Bruchteil der Generatorfrequenz entspricht.



   Weitere Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes gehen aus der folgenden beispielsweisen Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung hervor. In dieser stellen dar:
Fig. 1 schematisch eine erste, einfache Ausführungsform der Einrichtung,
Fig. 2 Wellendiagramme für den Betrieb der Einrichtung nach Fig. 1, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung.



   Eine Welle 10 ist drehbar zwischen zwei Stützlagern 12 und 14 gelagert. Auf der Welle 10 ist eine Scheibe 16 befestigt, so dass sie mit der Welle 10 rotieren kann. Zwei Permanentmagnete 18 und 20 sind um 1800 gegeneinander versetzt und zueinander rechtwink   lig    auf der Scheibe 16 angeordnet.



   In einem Abstand von der Umlaufbahn des Magneten 18 ist eine Geberspule 22 vorgesehen und mit ersterem magnetisch gekoppelt, wenn der Magnet 18 an der Geberspule 22 vorbeirotiert. Im Abstand yon der Umlaufbahn des zweiten Permanentmagneten 20 befindet sich eine Antriebsspule 24, die nach ihrer Erregung mit dem Magneten 20 magnetisch gekoppelt wird. Ein Anschlussende der Geberspule 22 ist elektrisch geerdet, während ihr anderes Ende an die Basis eines PNP Transistors 26 angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors 26 ist elektrisch geerdet. Der Kollektor des Transistors 26 steht   iiber    die Antriebsspule 24 mit einem Ende eines Impulsgebers 28 in Verbindung. Die andere Leitung des Impulsgebers 28 ist elektrisch geerdet.



   Um eine Drehung der Permanentmagnete 18 und 20 zu bewirken, wird auf die Welle 10 eine antreibende Kraft ausgeübt. Beim Passieren des Magneten 18 unter der Geberspule 22 wird in letzterer ein elektrischer Impuls induziert. Der negative Anteil des in der Spule 22 induzierten Impulses versetzt den Transistor 26 in einen gesättigten Zustand, wodurch in der Antriebsspule 24 bei Anwesenheit eines negativen Ausgangsimpulses des Impulsgebers 28 ein Strom fliesst. Dieser durch die Antriebsspule 24 fliessende Strom erzeugt ein magnetisches Feld, das auf den   Permlanentmagneten    20 eine Kraft ausübt und eine Drehung der Welle 10 hervorruft.



   Es sei hier bemerkt, dass infolge der zueinander rechtwinkligen Stellung der Magnete 18 und 20 keine magnetische Wirkung zwischen dem Magneten 20 und der Geberspule 22 sowie dem Magneten 18 und der Antriebsspule 24 auftritt. Die Dauermagnete 18 und 20 der Fig. 1 bilden einen einpoligen Motor, der für eine bestimmte vorhandene Impulsfrequenz im Verhältnis   1 :1    an deren Phase gebunden ist. Das heisst also, dass bei einer Frequenz von 10 die Welle 10 ebenfalls 10 Umdrehungen ausführt.



   Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung kann die Fig. 2 dienen, die typische Wellenformen der elektrischen Grössen zeigt.



  Der Verlauf des Impulses 30 ist typisch für den vom Magneten 18 beim Vorbeigehen unter der Geberspule 22 erzeugten Impuls. Die Anlegung des negativen Teiles 32 des Impulses 30 an die Basis des Transistors 26 versetzt diesen in einen gesättigten Zustand. Der Impuls 34 ist ein typischer negativer Ausgangsimpuls des Impulsgebers 28, während der Impuls 36 ein typischer Stromimpuls ist, der durch ein   Zusammenfallen    des Ausgangsimpulses des Impulsgebers 28 und der Geberspule 22 entsteht und die Antriebsspule 24 speist.

  Die Impulse 30, 34 und 36 sind   beisLpieaft    bei einem Verhältnis der Drehzahl der   Welle    10 zur Frequenz des   Ausgangsimpulses    des   Gebers    28 von 1:1, wobei die   SynchrnisaÜ.on    der Phasenlage in der Mitte der Impulse   Ides      Impuflsgebers    28 erfolgt.



   Bei dem in Fig. 1 abgebildeten System handelt es sich um eine mit konstanter Drehzahl arbeitende Einrichtung. Ändert sich die auf die Welle 10 wirkende Last, so sucht sich auch die Drehgeschwindigkeit der Welle 10 zu ändern. Nimmt die Last der Welle 10 zu, so tendiert auch die Drehzahl der Welle 10 zu einer Abnahme. Wenn dies jedoch auftritt, so entsteht eine zeitliche Verschiebung des Ausgangsspannungsimpulses 30 gegenüber der   erwähnten    Phasenlage, so dass der negative Teil 32 mit   dem    Impuls 34   früher    koinzidiert, so dass ein grösserer wirksamer Teil des Impulses 36 auf die Antriebsspule 24 einwirkt. Somit wird die der Antriebsspule 24 vom Impuls 36 zugeführte Energie vergrössert, wodurch der Motor in Phase verbleibt und seine Drehzahl auch unter der Lastzunahme beibehält.



  Bei abnehmender Motorlast neigt die Welle 10 dazu, schneller zu rotieren. Sobald dies auftritt, verschiebt sich die Phasenlage des Ausgangsspannungsimpulses der Geberspule 22, so dass der negative Teil 32 mit dem Ausgangsimpuls des Impulsgebers 28 später zusammenfällt und sich der wirksame Betrag des der Antriebsspule 24 zugeführten Impulses verringert, wodurch die von der Antriebsspule 24 auf den Magneten 20 ausgeübte Drehkraft geschwächt und die Motordrehzahl auch bei einer Last abnahme konstant gehalten wird. Man erkennt also, dass die Einrichtung nach Fig. 1 unter veränderlicher Last eine konstante Drehzahl aufrechterhält.

 

   Wenngleich die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung mit einer Ausgangsfrequenz des Impulsgebers arbeitet, die gleich der Drehzahl der Welle 10 ist, so kann die Einrichtung nach vorliegender Erfindung bei Impulsgeberfrequenzen arbeiten, die über der Drehzahl der Welle 10 liegen. Bei der Einrichtung nach Fig. 1 lässt sich die Bedingung der Phasensynchronisierung bei konstanter Wellendrehzahl erreichen, während die Impulsgeberfrequenz ein Vielfaches derselben beträgt. Die obenerwähnten 10 Umdrehungen der Welle 10 je Se  kunde können also auch in synchroner Phasenlage gehalten werden, wenn der Impulsgeber 28 mit einem Vielfachen der Drehzahl als Frequenz arbeitet, beispielsweise mit sekundlich 20, 30 oder 50 Impulsen.



   Man erkennt die Richtigkeit dieser Behauptung, wenn man wieder die in Fig. 2 dargestellten wellenförmigen Impulse betrachtet. Wie bereits erwähnt, gelten die Impulse 34 und 36 für ein Verhältnis der Wellendrehzahl zur Impulsfrequenz von   1 : 1.    Die Impulse 38 und 40 sind Beispiele für eine Ausgangsimpulsfrequenz, die gleich der dreifachen Drehzahl der Welle 10 ist. Wie gezeigt, kommen während der Koinzidenz des negativen Teiles 32 des Ausgangsimpulses 30 des Impulsgebers 22 etwas weniger als zwei Impulse des Impulsgebers 28 mit ihm zur Deckung, um etwas weniger als zwei Impulse 40 zur Speisung der Antriebsspule 24 zu erzeugen. Zur Aufrechterhaltung der phasensynchronen Bedingung für den Motor ist es erforderlich, dass die Energie der Impulse 40 des Antriebsstromes gleich der Energie der   Antriejbsstromlimprllse    36 ist.

  Um dies zu erreichen, werden die Breite und die Höhe der Ausgangsimpulse 38 des Impulsgebers 28 entsprechend angepasst. Dies gewährleistet, dass auf den getriebenen Magneten 20 die gleiche Kraft ausgeübt wird und die in Fig. 2 gezeigte Einrichtung die gleiche Wellendrehzahl beibehält.



   Fig. 3 zeigt eine praktisch bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden Erfindungsgegenstandes. Hierbei ist die Antriebsspule 24 vom Impulsgeber 28 isoliert, um eine bessere Leistung zu erzielen.



   Bei dieser   Aus,führuxlg    ist ein Anschlussleiter der   Gelberspule    22 an die Basis eines PNP-Transistors 26 angeschlossen. Der zweite Anschlussleiter der Geberspule 22 ist mit dem Emitter des Transistors 26 verbunden. Der Kollektor des Transistors 26 steht mit einer   Aus,gangsklenme    des Impulsgebers 28 in Verbindung,   indessen    zweite Ausgangsklemme elektrisch geerdet ist. Ein zweiter PNP-Transistor 38 besitzt einen elektrisch geerdeten Emitter und eine mit dem Emitter des Transistors 26 verbundene Basis. Der Kollektor des Transistors 38 ist über eine Antriebsspule 24 mit einer negativen   VorspannungsGleichstromquelle    40 verbunden.



   Die Welle 10 besitzt wie die Einrichtung nach Fig. 1 eine koaxial auf ihr   befestigte    und mit ihr umlaufende nichtmagnetische Scheibe 16. Auf ihrem Umfang sitzt eine Mehrzahl permanenter Magnete 42, deren Pole gleich   orientiert    sind. Die Geberspule 22 und die Antriebsspule 24 sind   räumlich    entfernt   vor-    einander und von den Magneten 42 angeordnet, so dass während des Vorbeiganges eines der Magnete 42 unter der Geberspule 22, wobei in diesem eine Spannung induziert wird, ein anderer der Magnete 42 unter der Antriebsspule 24 vorbeistreicht und mit ihr magnetisch gekuppelt wird, um eine treibende Drehkraft von ihr zu empfangen.



   Die Vorgänge beim phasensynchronen Betrieb der Einrichtung nach Fig. 3 sind die gleichen wie bei jener nach Fig. 1. Die mehrfache Zahl von Polen   anf    der Scheibe 10 ermöglicht natürlich eine weitere Reduktion des Verhältnisses von Impulsgeberfrequenz zu Wellendrehzahl.



   Es sei bemerkt, dass die bei der vorangegangenen Ausführung verwendeten negativen Ausgangsimpulse des Impulsgebers 28 und die negative Vorspannungs Gleichstromquelle durch positive Impulse und Vorspannungserzeuger ersetzt werden können, wenn NPN Transistoren verwendet werden.

 

   Die in Fig. 3 gezeigte Ausführung wurde für einen phasensynchronen Betrieb mit 100 Ausgangsimpulsen des Impulsgebers 28 pro Sekunde bei einem Verhältnis von 1: 1 entworfen. Das heisst also, dass die Drehzahl der Welle 10 so gross ist, dass von den unter der Geberspule 22 vorbeigehenden Magneten 40 100 Impulse/sec erzeugt werden. Die Drehzahl der Welle 10 beträgt 100/8 (da acht Magnete 42 vorhanden sind) oder 12,5 Umdrehungen/sec. Wenn die Frequenz der Ausgangsimpulse des Gebers 28 auf 1000/sec geändert wird, so bleibt, mit der hier beschriebenen Breite und Höhe der Ausgangsimpulse, die Welle 10 bei der Drehzahl von 12,5 Umdrehungen/sec phasensynchron. 

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH

   Einrichtung zur Konstanthaltung der Drehzahl eines Rotors in einem Zeitmessgerät, mit mindestens zwei am Rotor angeordneten Magnetpolen und einer in der Nähe wenigstens eines Teiles des Rotors angeordneten, und mit wenigstens einem der Magnetpole zusammenwirkenden Antriebshaltung, welche mindestens eine Antriebsspule, eine Stromquelle sowie einen Verstärker aufweist, ferner mit Mitteln zur Erzeugung einer Grundfrequenz für den Betrieb des Rotors, welche Mittel eine in der Nähe des Rotors angeordnete Geberspule aufweisen, die auf die Bewegung des Rotors anspricht und Impulse mit der genannten Grundfrequenz erzeugt sowie dem Verstärker zuführt, sowie Mitteln, um der genannten Antriebsspule die Ausgangssignale des Verstärkers zuzuführen, damit in der Antriebsschaltung magnetische, den Rotor weiterbewegende Impulse entstehen, dadurch gekennzeichnet,

   dass ein vom genannten Verstärker getrennter und unabhängiger Generator einer harmonischen Schwingung vorgesehen ist, deren Frequenz einem ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz ist, wobei der Generator an den Verstärker gekoppelt ist, um dem Eingang des Verstärkers kontinuierlich einen ununterbrochenen Impulszug elektrischer Steuersignale aus dem Generator zuzuführen, wodurch der Verstärker der Antriebs spule Antriebsimpulse mit einer einem ganzzahligen Bruchteil der Generatorfrequenz entsprechenden, jedoch mit dieser in fester Phasenbeziehung stehenden Frequenz zuführt, um den Rotor mit einer Drehzahl anzutreiben, die einem Bruchteil der Generatorfrequenz entspricht.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker einen Transistor (26) aufweist, dessen Basis mit einem der Anschlussenden der Geberspule (22) leitend verbunden ist und dessen Kollektor über die Antriebsspule (24) mit einer der Ausgangsklemmen des Impulsgebers (28) leitend verbunden ist, und dessen Emitter elektrisch geerdet ist und mit dem anderen Anschluss ende der Geberspule und der anderen Ausgangsklemme des Impulsgebers in leitender Verbindung steht.

   2. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor eine mittels einer Welle (10) drehbar gelagerte Scheibe (16) ist, auf welcher ein Paar einander diametral gegenüberliegende und rechtwinklig zueinander gerichtete Dauermagnete (18, 20) befestigt sind, von denen der eine (18) der Geberspule (22), der andere (20) der Antriebsspule (24) zugeordnet ist.

   3. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker einen ersten Transistor (26) aufweist, dessen Kollektor mit einer Aus gangsklemme des Impulsgenerator (28), dessen Basis mit einem Anschlussende der Geberspule (22) und dessen Emitter mit dem anderen Anschluss ende der Geberspule (22) leitend verbunden ist, dass der Ver stärker ferner eine Vorsp annungs-Gleichstromquelle (40) und einen zweiten Transistor (38) aufweist, dessen Emitter elektrisch geerdet ist und mit der anderen Ausgangsklemme des Impulsgebers (28), dessen Basis mit dem Emitter des ersten Transistors (26) und dessen Kollektor über die Antriebsspule (24) mit der genannten Vorspannungs-Gleichstromquelle (40) in leitender Verbindung steht (Fig. 3).

   4. Einrichtung nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine drehbar Welle (10), eine nichtmagnetische, koaxial auf dieser Welle (10) befestigte, mit ihr drehbare Scheibe (16), eine Mehrzahl auf dem Umfang dieser Scheibe (16) angeordneter Dauermagnete (42), deren Pole gleich orientiert sind, und denen die Antriebsspule (24) und die Geberspule (22) benachbart ist, sowie durch eine, auf die Ausgangsimpulse des Generators (28) und der Geberspule (22) ansprechende Transistorschaltung, die die Speisung der Antriebsspule (24) steuert.

   5. Einrichtung nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistorschaltung einen Transistor (26) aufweist, dessen Basis mit einem Anschlussende der Geberspule (22), dessen Kollektor über die Antriebsspule (24) mit einer der Ausgangsklemmen des Generators (28) und dessen Emitter elektrisch geerdet und mit dem anderen Anschluss ende der Geberspule (22) und der anderen Ausgangsklemme des Generators (28) leitend verbunden ist.

   6. Einrichtung nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistorschaltung einen ersten Transistor (26) aufweist, dessen Kollektor mit einer Ausgangsklemme des Impulsgenerators (28), dessen Basis mit einem Anschlussende der Geberspule (22) und dessen Emitter mit dem anderen Anschlussende der Geberspule (22) leitend verbunden ist, ferner durch eine Vorspannungs-Gleichstromquelle (40) sowie einen zweiten Transistor (38), dessen Emitter elektrisch geerdet und mit der anderen Ausgangsklemme des Impulsgenerators (28), dessen Basis mit dem Emitter des ersten Transistors (26), und dessen Kollektor über die Antriebsspule (24) mit der genannten Vorspannungs Gleichstromquelle (40) leitend verbunden ist.

   7. Einrichtung nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine Vorspannungs-Gleichstromquelle (40), einen Transistor (38), dessen Emitter elektrisch geerdet und dessen Kollektor über die Antriebsspule (24) mit der Vorspannungs-Gleichstromquelle (40) leitend verbunden ist, sowie mit der Basis des Transistors (38) verbundenen Mitteln (26), um dessen Sättigung, ausgelöst von den Ausgangsimpulsen der Geberspule (22) und des Generators (28), zu bewirken.