Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Generator einer elektronischen Kleinuhr, dessen Rotor von einer Schwungmasse antreibbar und welcher zum Aufladen einer das Uhrwerk speisenden Stromquelle bestimmt ist, mit einer Dauermagnetanordnung und mit einer Ankeranordnung, die wenigstes eine Spule und Ankerpole bildende Ankerbleche aufweist, wobei die kreisförmig angeordneten Magnetpole und Ankerpole einen ringförmigen Luftspalt begrenzen.
Unter dem Ausdruck Anker wird hier in konventioneller Weise der bewickelte Generatorteil verstanden, in welchem durch Rotation eines Magnetfeldes eine elektrische Spannung induziert wird. Der Anker kann dabei fest stehen, also zum Stator gehören oder den Stator bilden, oder aber selber rotieren, also zum Rotor gehören oder den Rotor bilden. Im ersten Falle bildet die Dauermagnetanordnung den Rotor, in zweiten Falle den Stator.
Eine Kleinuhr mit einem Generator der erwähnten Art, bei dem der Anker den Stator bildet, ist bekannt (zum Beispiel EP-A-0 683 442, US-A-4 008 566). Bei diesen Kleinuhren wird die Stromquelle, zum Beispiel ein Kleinakkumulator oder ein Kondensator, durch den Generator aufgeladen, dessen Rotor mit einer Schwungmasse fest verbunden ist und durch die Bewegung der Uhr am Handgelenk in Schwingungen versetzt wird. Der um das Zentrum der Kleinuhr drehbare Rotor ist so magnetisiert oder derart mit Dauermagneten versehen, dass sich längs seines Umfangs Magnetpole abwechselnder Polarität befinden. Diesen Magnetpolen liegen konzentrisch die Pole des Stators gegenüber, welcher die Spulenanordnung trägt, in der bei Bewegung des Rotors Stromimpulse induziert werden, die nach Gleichrichtung zum Laden der Stromquelle dienen.
Bei der Spulenanordnung des Stators kann es sich insbesondere um eine Ringspule handeln, welche bei der bekannten Kleinuhr nach der EP-A 0 683 442 den Rotor konzentrisch umgibt.
Um bei Drehung des Rotors eine hinreichend grosse Induktionsspannung zu erzeugen, welche für eine zuverlässige Aufladung der Stromquelle ausreicht, muss für eine möglichst hohe magnetische Feldstärke gesorgt werden, weil die durch die Bewegung des Handgelenks bzw. die Schwerkraft erzielbare Geschwindigkeit des Rotors im Allgemeinen nicht sehr gross ist, wenn man auf eine Geschwindigkeitsübersetzung zwischen dem antreibenden Gewicht und dem Rotor verzichten will. Eine hohe Feldstärke bedingt die Verwendung möglichst starker Dauermagneten und einer maximal möglichen Polzahl. Das führt jedoch dazu, dass das Haltemoment des Rotors in seiner Ruhestellung, das heisst also, in derjenigen Stellung, in welcher der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises minimal ist, verhältnismässig gross ist.
Das bedeutet mit anderen Worten, dass die Kraft, die auf den Rotor ausgeübt werden muss, bis er anfängt, sich zu drehen, ziemlich gross sein muss, sodass der Rotor bei nur kleinen, schwachen Bewegungen der Kleinuhr, insbesondere bei nur kleinen Kippbewegungen, nicht so weit aus seiner Ruhestellung herausbewegt wird, dass ein merklicher Induktionsvorgang stattfindet.
Dieser Umstand bildet das Hauptproblem bei einer Kleinuhr der beschriebenen Art, welche die Nachteile einer mechanischen Geschwindigkeitsübersetzung vermeidet und einen kostengünstigen Generator ermöglicht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Mitteln das Haltemoment des Rotors zu verringern, trotzdem jedoch den von den Dauermagneten herrührenden magnetischen Fluss in der Induktionsphase, das heisst also bei Drehung des Rotors, praktisch maximal zur Stromerzeugung auszunützen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Generator nach der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
Gemäss der ersten Lösung nach Anspruch 1 sind die Magnetpolflächen und die Ankerpolflächen so ausgebildet, dass in einer Ruhestellung des Rotors wenigstens die überwiegende Anzahl der Ankerpolflächen jeweils nur einen Teil einer Magnetpolfläche überdeckt, um das Haltmoment des Rotors in einer Ruhestellung zu verringern, dass jedoch bei Drehung des Rotors jede Ankerpolfläche von der gesamten Fläche eines Magnetpols überstrichen wird.
Auf diese Weise wird erreicht, dass in einer Ruhestellung des Rotors nur ein Teil der vorhandenen magnetischen Feldstärke als Haltemoment wirkt, bei Drehung des Rotors jedoch praktisch der gesamte magnetische Fluss für die Induktion ausgenutzt wird.
Zweckmässigerweise bildet der Anker den Stator und die Dauermagnetanordnung den Rotor, sodass keine Schleifringe erforderlich sind. Nachstehend wird daher von Stator und Statorpolen anstatt von Anker und Ankerpolen gesprochen.
Die Erfindungsidee lässt sich auf verschiedene Art und Weise verwirklichen. Eine erste Ausführungsform besteht darin, dass die Statorpolflächen beidseitig, symmetrisch in Bezug auf ihre zur Rotorachse parallele Mittellinie, durch schräge Ränder begrenzt, also dreieckförmig oder trapezförmig sind, während die Magnetpolflächen im Wesentlichen rechteckförmig sind. Dabei kann die Abmessung der Magnetpolflächen in Umfangsrichtung des Rotors kleiner als die Grundlinie der dreieck- beziehungsweise trapezförmigen Statorpolfläche sein. Die abgeschrägten Statorpole greifen abwechselnd von der einen und von der anderen Seite her ohne Berührung ineinander.
Zweckmässigerweise sind zwei, auf beiden Seiten einer Ringspule angeordnete, scheibenförmige Statorbleche vorgesehen, an deren Rändern durch Ausstanzen die Statorpole gebildet sind, welche zur Fertigstellung des Stators im rechten Winkel gebogen werden, sodass sie in montiertem Zustand des Generators über den Umfang der Ringspule ragen. Dabei greifen die Statorpole des einen Blechs zwischen die des anderen Blechs ein.
Eine zweite Ausführungsform besteht darin, dass die Magnetpolflächen nicht äquidistant über den Rotorumfang verteilt, sondern so angeordnet sind, dass in einer Ruhestellung des Rotors eine bestimmte Anzahl von Magnetpolflächen relativ zu den gegenüber befindlichen Statorpolflächen in geeigneter Weise versetzt sind, wie es später in der Beschreibung noch näher erläutert wird. Auch in diesem Falle besteht in einer Ruhestellung des Rotors eine kleinere Überdeckung der Statorpole durch die Magnetpole und damit ein kleineres Haltemoment, ohne dass in der Induktionsphase die praktisch maximale Ausnützung der vorhandenen magnetischen Feldstärke beeinträchtigt wird.
In einer weiteren Ausführungsform können die Magnetpolflächen oder die Statorpolflächen durch zur Umfangsrichtung schräge parallele Linien begrenzt sein, sodass in der Ruhestellung des Rotors wiederum nur eine teilweise Überdeckung von Statorpol- und Magnetpolflächen stattfindet.
Gemäss der zweiten Lösung der Erfindungsaufgabe nach Anspruch 2 sind die Magnetpolflächen derart schmaler als die Statorpolflächen, dass in einer Ruhestellung des Rotors die einer Magnetpolfläche gegenüberliegende Statorpolfläche nach beiden Umfangsrichtungen hin über die seitlichen Begrenzungen der Magnetpolfläche hinausragt, derart, dass im ersten Moment des Anlaufs sich die Überdeckungsflächen der Pole und damit der wirksame magnetische Fluss nicht verändern.
Hierbei können dreieck- oder trapezförmige oder aber rechteckförmige Statorpolflächen so gross sein, dass sie in einer Ruhestellung des Rotors die gegenüberliegende Magnetpolfläche vollständig überdecken und in Umfangsrichtung beidseitig überragen.
In bevorzugten Ausführungsformen des Generators nach der Erfindung mit einer den Rotor bildenden Dauermagnetanordnung sind wenigstens zwei der vorstehend erwähnten Massnahmen kombiniert, insbesondere die Verwendung abgeschrägter Statorpolflächen in Verbindung mit den erwähnten, in Umfangsrichtung versetzten Magnetpolflächen. Ausserdem kann dabei als weitere erfindungsgemässe Massnahme eine in Umfangsrichtung des Rotors sinusförmige Magnetisierung der Dauermagnetanordnung vorgesehen sein, wobei jede Sinushalbwelle einem Magnetpol entspricht.
Zweckmässige Ausgestaltungen des Generators nach der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert, bei denen stets der Anker den Stator bildet; daher wird nachstehend immer von "Stator" anstatt von Anker gesprochen. Es zeigen:
Fig. 1 das Beispiel einer Armbanduhr im Schnitt, in welcher ein Generator nach der Erfindung untergebracht ist,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eines der scheibenförmigen Statorbleche mit längs seines Umfangs durch Stanzen gebildeten dreieckförmigen Polen, im ebenen Zustand vor dem Umbiegen der Pole,
Fig. 3 das Statorblech nach Fig. 2 mit im rechten Winkel umgebogenen Polen, wobei diese Pole in der Darstellung nach Fig. 3 unter die Zeichenebene gerichtet sind,
Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch das Statorblech gemäss IV-IV nach Fig. 3,
Fig.
5 eine schematische Draufsicht auf die abgewickelt dargestellten Statorpolflächen, welche zu den beiden Statorblechen gehören, welche die Spule nach Fig. 1 beidseitig einschliessen, wobei die umgebogenen Statorpole des oberen Blechs zwischen die umgebogenen Statorpole des unteren Blechs eingreifen,
Fig. 6 eine der Fig. 5 entsprechende Ansicht der abgewickelt dargestellten Statorpole mit Andeutung der dahinter liegenden Magnetpole, in einer Ruhestellung des Rotors,
Fig. 7 eine teilweise Draufsicht auf ein Statorblech mit anders geformten Statorpolen, im ebenen Zustand,
Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf die abgewickelt dargestellten, ineinander greifenden Statorpole zweier Bleche gemäss Fig. 7,
Fig. 9 eine teilweise Draufsicht auf ein Statorblech mit nochmals anders geformten Statorpolen, im ebenen Zustand,
Fig.
10 eine schematische Draufsicht auf die abgewickelt dargestellten, ineinander greifenden Statorpole zweier Statorbleche nach Fig. 9,
Fig. 11 eine schematische Darstellung der abgewickelt dargestellten Statorpol- und Magnetpolflächen gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit zum Teil in Umfangsrichtung versetzten Magnetpolen,
Fig. 12 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, gemäss welcher die abgewickelt dargestellten Magnetpolflächen schräg zur Umfangsrichtung des Rotors orientierte Begrenzungen aufweisen,
Fig. 13 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform, gemäss welcher die Magnetpolflächen sinusförmig magnetisiert sind,
Fig. 14 bis 19 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele mit unterschiedlichen Polformen und Polanordnungen, und
Fig.
20 eine bevorzugte Ausführungsform der Statorspulenanordnung in einem Generator nach der Erfindung.
Die Kleinuhr nach Fig. 1 hat ein Gehäuse mit einem Gehäusemittelteil 1, welcher oben durch ein Uhrglas 2 und unten durch einen Boden 3 verschlossen ist. Ein elektronisches Uhrwerk 4 wird mithilfe eines Werkhalterings 5 aus Kunststoff gehalten und trägt ein Zifferblatt 6. Zwischen dem Uhrwerk 4 und dem Boden 3 ist, im Abstand vom Uhrwerk 4, ein Generator angeordnet, der eine Statoranordnung 7 mit zwei Statorblechen 8 und 9 und einer dazwischen angeordneten Ringspule 10 sowie einen Rotor 20 aufweist.
Die allgemein scheibenförmigen Statorbleche 8 und 9, deren Form später anhand der Fig. 2 bis 6 noch näher erläutert wird, haben am Rande rechtwinklig umgebogene Vorsprünge, die die Statorpole bilden, wobei das in der Darstellung nach Fig. 1 obere Statorblech 8 nach unten umgebogene Statorpole 80 und das untere Statorblech 9 nach oben umgebogene Statorpole 90 hat, die abwechselnd ineinander greifen und auf einem zur Achse der Kleinuhr konzentrischen Kreis liegen.
Die Ringspule 10 ist auf einem inneren Weicheisenring 11 gewickelt, welcher gemeinsam mit den beiden Statorblechen 8 und 9, die in der Mitte mit einer \ffnung versehen sind, auf einer zentralen Schraubenmutter 13 aufgepresst sind. Diese Schraubenmutter 13 ist auf einem innen am Boden 3 angeformten Gewindevorsprung 14 aufgeschraubt. Zwischen dem Aussenumfang der Ringspule 10 und den kreisförmig angeordneten Statorpolen 80 und 90, welche die Ringspule mit Abstand umgeben, ist ein Abstandsring 12 angeordnet.
Mittels der Federkontakte 15 sind die Spulenenden mit einer ringförmigen Leiterplatte 16 verbunden, die konzentrisch zur Rotorachse angeordnet ist. Diese Leiterplatte 16 ist elektrisch einerseits mit der aus einer integrierten Schaltung bestehenden Aufladeschaltung 16 min für die Stromquelle, beispielsweise einen Kondensator, und andererseits mittels Federkontakten 17 mit den Polen der im Uhrwerkgehäuse untergebrachten Stromquelle verbunden.
Der Rotor besteht aus einem unterhalb der Statoranordnung 7 liegenden Ring 21, der mittels eines Kugellagers 24 um das Zentrum der Uhr drehbar gelagert ist, und einer von diesem Ring getragenen, ringförmigen Dauermagnetanordnung 22, deren Innenumfang die kreisförmig angeordneten Statorpole unter Bildung eines Luftspalts umgibt. Am Aussenumfang des Rings 21 ist eine Schwungmasse 23 befestigt, die sich sektorförmig nur über einen Teil des Umfangs dieses Rings 21 erstreckt und daher als Unwucht wirkt. Sie liegt in einem freien Ringraum nahe dem Gehäuseumfang. Der Innenring des Kugellagers 24 sitzt auf einem im Zentrum des Bodens 3 angeformten Zapfen, der nach innen durch den erwähnten Gewindebolzen 14 verlängert ist.
Die ringförmige Dauermagnetanordnung 22 ist so magnetisiert, dass sich auf ihrem Innenumfang den Statorpolen gegenüberliegende Magnetpole mit abwechselnder Polarität befinden.
Die Dauermagnetanordnung kann auch aus am Ring 21 befestigten Dauermagneten bestehen.
Anordnung und Gestalt der mit den Magnetpolen zusammenwirkenden Statorpole werden anhand der Fig. 2 bis 6, welche ein erstes Ausführungsbeispiel darstellen, beschrieben.
Danach haben beide Statorbleche 8 und 9 je 14 äquidistant angeordnete dreieckförmige Statorpole, die durch Stanzen aus einem ebenen Blech gebildet sind, wie in Fig. 2 für das obere Statorblech 8 mit seinen 14 Statorpolen 80 dargestellt. Fig. 3 zeigt dasselbe Statorblech mit im rechten Winkel in Richtung auf die Unterseite der Zeichenebene umgebogenen Polen, wie im Schnitt der Fig. 4 angedeutet. Beide Statorbleche 8 und 9, die beiderseits der Spule 10 montiert sind, sind so zueinander ausgerichtet, dass im montierten Zustand ihre aufeinander zu gerichteten Statorpole 80 und 90, wie in Fig. 5 schematisch gezeigt, berührungslos, unter Bildung schmaler Luftspalte, zickzackförmig ineinander greifen, wobei ihre Statorpolflächen 81 beziehungsweise 91 der ringförmigen Dauermagnetanordnung 22 zugewandt sind.
Diese Dauermagnetanordnung hat genau so viele Magnetpole, wie Statorpole vorhanden sind, im betrachteten Beispiel also 28 Magnetpole, die unmittelbar mit ihren rechteckigen Polflächen aneinander grenzen.
Fig. 6 zeigt die Abwicklung der Magnet- und Statorpole in einem Ruhezustand des Rotors, in welchem alle Statorpolflächen 81, 91 den rechteckförmigen Magnetpolflächen N (Nord), S (Süd) der Magnetpole ausgerichtet gegenüberliegen, das heisst die gestrichelt dargestellten, parallel zur Rotorachse orientierten Mittellinien der Statorpol- und Magnetpolflächen liegen übereinander.
Die Statorpole haben die Form eines Dreiecks, dessen Grundlinie grösser ist als die Abmessung einer Magnetpolfläche in Umfangsrichtung, und eine Höhe, das heisst eine Abmessung parallel zur Rotorachse, die wenigstens gleich der Höhe einer Magnetpolfläche N, S ist. Durch diese Konfiguration wird erreicht, dass in der dargestellten Ruhestellung die Statorpolflächen jeweils nur von einem Teil der Magnetpolflächen überdeckt sind, wodurch nur ein Teil der magnetischen Feldstärke als Haltemoment wirkt. Ausserdem überlappt der der Grundlinie benachbarte Bereich jeder Statorpolfläche, zum Beispiel der Statorpolfläche 81, nicht nur die gegenüberliegende Magnetpolfläche N, sondern auch noch die Ecken der beidseitig benachbarten Magnetpolflächen S, was das Haltemoment weiter verringert.
Wegen der schrägen seitlichen Begrenzung der Statorpolflächen findet ferner beim Polwechsel keine plötzliche, sondern eine langsame stetige Flussrichtungsänderung statt, was einen weiteren Effekt zur Erleichterung des Anlaufs darstellt.
Eine Auslenkung des Rotors aus seiner Ruhestellung heraus erfordert also eine entsprechend geringere Kraft, das heisst eine nur leichte Bewegung des Handgelenks oder nur ein geringes Kippen der Uhr, damit die Schwungmasse mit dem Rotor in Bewegung gerät. Während einer Bewegung des Rotors um wenigstens ungefähr zwei Polteilungen werden dagegen die Statorpolflächen von den gesamten Magnetpolflächen überstrichen, sodass die gesamte magnetische Feldstärke zur Induktion ausgenutzt wird.
Wesentlich dafür ist, dass die Statorpole 80 und 90 beidseitig abgeschrägt sind, sodass die Statorpolflächen 81 und 91 beidseitig, und zwar vorzugsweise symmetrisch in Bezug auf die parallel zur Rotorachse orientierte Mittellinie, durch schräge Ränder begrenzt sind und dass vorzugsweise ihre Höhe wenigstens so gross ist wie die entsprechende Abmessung der Magnetpolflächen, um bei Drehung des Rotors den zur Verfügung stehenden Magnetfluss möglichst voll auszunutzen.
Der Abschrägungswinkel alpha zwischen der Grundlinie und einer abgeschrägten Seite einer Statorpolfläche, welcher im betrachteten Beispiel nach Fig. 6 etwa 55 DEG beträgt, kann auch anders gewählt, insbesondere grösser gewählt werden, wie in den Beispielen nach den Fig. 7 bis 10 gezeigt. In diesen Beispielen sind die Magnetpolflächen wiederum rechteckförmig und grenzen unmittelbar aneinander. Nach den Fig. 7 und 8 beträgt der Abschrägungswinkel alpha etwa 60 DEG und im Beispiel nach den Fig. 9 und 10 etwa 70 DEG .
Damit die Statorpole nicht zu weit über die Magnetpole hinausragen, ist ihre Höhe so bemessen, dass die Statorpolflächen 81 und 91 gemäss Fig. 8 und 10 eine trapezförmige Gestalt haben, wie auch in den Fig. 7 beziehungsweise 9 für das Statorblech 8 mit seinen Polen 80 dargestellt, zwischen denen die Stirnflächen der umgebogen dargestellten Pole 90 angedeutet sind.
Eine weitere Massnahme zur Verringerung des Haltemoments des Rotors ist in Fig. 11 dargestellt, welche Stator- und Magnetpole im abgewickelten Zustand zeigt, wobei die Statorpole wiederum, wie im Beispiel nach den Fig. 2 bis 6, unter Bildung von dreieckförmigen Statorpolflächen 81 und 91 abgeschrägt sind und die unmittelbar aneinander grenzenden Magnetpolflächen rechteckförmig sind. Die Grundlinie einer dreieckförmigen Statorpolfläche ist wiederum grösser als die Abmessung einer Magnetpolfläche in Umfangsrichtung. Während jedoch die Statorpole wiederum äquidistant angeordnet sind, also die parallel zur Rotorachse orientierten Mittellinien der Statorpolflächen 81, 91 stets den gleichen Abstand voneinander haben, sind die Magnetpole nicht äquidistant.
In Fig. 11 sind gestrichelt die durch die Statorpolspitzen gehenden Mittellinien der Statorpolflächen 81, 91 sowie die Mittellinien M der Magnetpolflächen N1, S1, N2, S2 usw. eingezeichnet. Im betrachteten Beispiel ist angenommen, dass 16 Statorpole und 16 Magnetpole vorhanden sind und dass in der dargestellten Ruhestellung des Rotors nur jeder vierte Statorpol mit einem Magnetpol ausgerichtet ist. Nach Fig. 11 sind diejenigen Polpaare ausgerichtet, zu denen die Magnetpole N1, N3 und N5 gehören. Bei diesen Polpaaren liegen also die Mittellinien der Polflächen ausgerichtet übereinander, was in Fig. 11 durch den Abstand 0 angedeutet ist.
Dagegen sind die auf beiden Seiten eines ausgerichteten Polpaares liegenden Magnetpolflächen gegenüber den sie überlappenden Statorpolflächen um kleine Strecken x beziehungsweise 2x im entgegengesetzten Sinne verschoben, wobei die Summe der Verschiebungen in der einen Umfangsrichtung wenigstens näherungsweise gleich der Summe der Verschiebungen in der anderen Umfangsrichtung ist.
In der Darstellung nach Fig. 11 sind die drei Magnetpolflächen S2, N2, S1, die links des ausgerichteten Polpaares (N3, 81) zwischen diesem und dem folgenden ausgerichteten Poolpaar (N1, 81) liegen, mit ihren Mittellinien M um die Strecken x, 2x bzw. x in der einen Umfangsrichtung, gemäss Fig. 11 nach rechts, relativ zu den Mittellinien der gegenüberliegenden Statorpolflächen 81, 91 verschoben. Dagegen sind die drei aufeinander folgenden, auf der anderen Seite des ausgerichteten Polpaares (N3, 81) zwischen diesem und dem folgenden ausgerichteten Polpaar (N5, 81) liegenden Magnetpolflächen S3, N4 und S4 um die gleichen Strecken x, 2x beziehungsweise x in der anderen Umfangsrichtung, gemäss Fig. 11 also nach links, verschoben.
In Bezug auf das nach Fig. 11 linke ausgerichtete Polpaar (N1, 81) sind wiederum die beiderseits davon liegenden Magnetpolflächen im entgegengesetzten Sinne versetzt, das heisst, die links des ausgerichteten Polpaars (N1, 81) aufeinander folgenden Magnetpolflächen S16, N16 usw. sind um die entsprechenden Strecken x, 2x usw. nach links verschoben, während die auf der rechten Seite des nach Fig. 11 rechten ausgerichteten Polpaares (N5, 81) liegenden Magnetpolflächen S5 usw. um die entsprechenden Strecken x usw. nach rechts verschoben sind.
Die auf diese Weise in der Ruhestellung des Rotors bestehenden, im Umfangssinne gerichteten Kraftkomponenten sind auf der Unterseite von Fig. 11 mit Pfeilen bezeichnet, und man erkennt, dass die jeweils auf beiden Seiten eines ausgerichteten Polpaares wirkenden Kraftkomponenten entgegengesetzt zueinander gerichtet sind und sich insgesamt für den ganzen Rotor aufheben. Sie verringern jedoch das Haltemoment. In der Ruhestellung des Rotors bewirkt nämlich die beschriebene Versetzung der Magnetpolflächen gegenüber den Statorpolflächen wiederum nur eine teilweise Polüberdeckung, ohne dass jedoch bei Drehung des Rotors eine Ausnutzung des gesamten Magnetflusses beeinträchtigt würde.
Selbstverständlich kann die Anzahl der in der Ruhestellung des Rotors ausgerichteten Polpaare, abhängig von der Gesamtzahl der Pole, beliebig gewählt werden, wobei jedoch wenigstens zwei ausgerichtete Polpaare zweckmässig sind. Auch kann die Strecke, um welche eine Magnetpolfläche gegenüber der sie überlappenden Statorpolfläche versetzt ist, stets gleich gross oder aber für verschiedene Magnetpole unterschiedlich gross sein, es ist lediglich erforderlich, dass die Versetzungen so symmetrisch sind, dass die Summe aller Versetzungen in der einen Umfangsrichtung gleich der Summe aller Versetzungen in der anderen Umfangsrichtung ist.
Anstelle der Magnetpole können auch die Statorpole in analoger Weise, wie beschrieben, versetzt sein, wodurch sich der gleiche Effekt ergibt.
Die vorstehend beschriebene Versetzung der Magnetpolflächen kann im Prinzip auch die einzige Massnahme zur Verringerung des Haltemoments sein, das heisst, sie lässt sich bei gleich gestalteten, rechteckförmigen Magnetpol- und Statorpolflächen anwenden. Wenn diese Massnahme jedoch mit der Massnahme der abgeschrägten Statorpole, wie in Fig. 11 gezeigt, kombiniert wird, ist selbstverständlich der Effekt der Verringerung des Haltemoments stärker, ohne dass auf die vollständige Ausnützung des zur Verfügung stehenden Magnetflusses verzichtet werden müsste.
Eine nur teilweise Polüberdeckung in der Ruhestellung des Rotors kann auch dadurch erzielt werden, dass, wie in Fig. 12 gezeigt, die Magnetpolflächen (N22, S22) die im betrachteten Beispiel im Abstand voneinander liegen, durch schräg zur Umfangsrichtung orientierte, parallele Ränder begrenzt sind, insbesondere die Form von Parallelogrammen haben.
Die Statorpolflächen 82, 92 sind im betrachteten Beispiel rechteckförmige Polflächen von Polen, welche am Rand von zwei Statorblechen, ähnlich den Statorblechen 8 und 9 nach Fig. 1, angeformt sind und von beiden Seiten her abwechselnd ineinander greifen. Im Beispiel nach Fig. 12 überdecken die Statorpolflächen 82, 92 in Umfangsrichtung des Rotors gesehen, in der Ruhestellung vollständig die Magnetpolflächen N22, S22. Die Anordnung kann jedoch auch so getroffen sein, dass die schräg orientierten Magnetpolflächen in der Ruhestellung die seitlichen Ränder der ihnen gegenüber liegenden Statorpolflächen schneiden und gegebenenfalls die beidseitig benachbarten Statorpolflächen in einem Eckbereich überlappen.
Eine praktisch analoge nur teilweise Polüberdeckung in der Ruhestellung des Rotors ergibt sich auch dann, wenn die Statorpolflächen durch schräg zur Umfangsrichtung orientierte, parallele Ränder begrenzt und die Magnetpolflächen rechteckförmig sind, wobei diese Magnetpolflächen in Umfangsrichtung entweder unmittelbar aneinander grenzen oder aber im Abstand voneinander liegen können. Schräg orientierte Magnetpolflächen können auch bei Statoren mit dreieck- oder trapezförmigen Statorpolflächen verwendet werden.
Eine zusätzliche Massnahme zur Verringerung des Haltemoments des Rotors besteht darin, dass die Fläche der Magnetpole nicht gleichförmig stark magnetisiert ist, sondern dass die Magnetisierung so erfolgt, dass sich ihre Stärke im Umfangssinne über die Polflächen sinusförmig ändert, wie schematisch in Fig. 13 für die Folge der Magnetpolflächen N min , S min usw. dargestellt. In diesem Beispiel sind die Statorpolflächen 81, 91 wieder dreieckförmig. Die Dichte der senkrechten Linien auf den Polflächen soll die zur Polmitte hin stärker werdende magnetische Flussdichte andeuten, die unten in Fig. 13 durch eine sinusförmige Magnetisierungslinie veranschaulicht ist. Jede Sinushalbwelle entspricht dabei einer Polfläche.
Durch diese sinusförmige Magnetisierung wird erreicht, dass sich der Bereich maximaler Feldstärke im ersten Moment des Anlaufs über dem gleichen Statorpol bewegt und so praktisch kein Haltemoment bewirkt. Ferner wechselt die magnetische Flussdichte beim Polwechsel kontinuierlich und nicht abrupt ihre Richtung, wodurch der Anlauf des Rotors ebenfalls erleichtert wird.
Eine derartige Massnahme, die zusätzlich bei abgeschrägten Statorpolen oder versetzten Magnetpolen oder bei einer Kombination dieser beiden Massnahmen anwendbar ist, führt zu einer weiteren Verringerung des Haltemoments. Tatsächlich besteht eine bevorzugte Ausführungsform des Generators nach der Erfindung in der Anwendung aller drei beschriebenen Massnahmen, das heisst in der Kombination aus Statorpolen mit abgeschrägten Seiten, versetzten Magnetpolen sowie sinusförmiger Magnetisierung der Magnetpolflächen. Diese bevorzugte Ausführungsform hat also die kombinierten Merkmale der in den Fig. 11 und 13 erläuterten Ausführungsbeispiele, wobei die Maxima und Minima der sinusförmigen Magnetisierungskurve nicht in gleichförmigen Abständen aufeinander folgen, sondern entsprechend den Polmittellinien M nach Fig. 11 versetzt sind.
Die Fig. 14 bis 17 zeigen schematisch vier weitere mögliche Kombinationen von rechteckförmigen Magnetpolflächen, die in den betrachteten Beispielen im Abstand voneinander liegen, und dreieckförmigen Statorpolflächen von Polen, die wiederum an zwei Statorblechen, wie im Beispiel nach Fig. 1, angeformt sein können und von beiden Seiten her abwechselnd ineinander greifen.
Im Beispiel nach Fig. 14 sind die Grundlinien der dreieckförmigen Statorpolflächen 83, 93 so gross wie die Abmessung der Magnetpolflächen N23, S23 in Umfangsrichtung, sodass die seitlichen Begrenzungen der Magnetpolfläche in der Ruhestellung des Rotors nicht von den Statorpolflächen überragt werden.
Im Beispiel nach Fig. 15 sind die Grundlinien der dreieckförmigen Statorpolflächen 84, 94 wesentlich kleiner als die Abmessung der Magnetpolflächen N24, S24 in Umfangsrichtung, sodass in der Ruhestellung des Rotors die Magnetpolflächen die Statorpolflächen beidseitig, das heisst im Umfangsrichtung, überragen. Durch diese Ausbildung und Anordnung der Pole wird erfindungsgemäss ein weiterer Effekt erzeugt, der das Haltemoment verringert und darin besteht, dass sich während der ersten Zeitspanne des Anlaufs, in der einen oder anderen Umfangsrichtung, die Überdeckungsflächen der Stator- und Magnetpole und damit der wirksame magnetische Fluss nicht verändern. Solange also die Magnetpolflächen beim Anlauf die gegenüberliegenden Statorpolflächen vollständig überdecken, ist praktisch überhaupt kein Haltemoment wirksam und es ist keine Haltekraft zu überwinden.
In der Ruhestellung des Rotors besteht also eine Art indifferentes Gleichgewicht, sodass der Rotor schon unter der Wirkung einer sehr kleinen äusseren Kraft in Bewegung gerät und, wenn die magnetischen Kräfte beim Polwechsel wirksam zu werden beginnen, bereits einen gewissen Schwung hat.
Im Beispiel nach Fig. 15 tragen zur Verringerung des Haltemoments ausserdem noch diejenigen Effekte bei, die, wie früher beschrieben, durch die schrägen seitlichen Begrenzungen der Statorpolflächen entstehen, welche, wie in den betrachteten Beispielen, dreieckförmig oder aber auch trapezförmig sein können.
Fig. 16 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem ebenfalls der vorstehend beschriebene Effekt auftritt, dass nämlich in den ersten Momenten des Anlaufs praktisch keine Änderung des magnetischen Flusses wirksam ist und daher der Rotor im ersten Moment des Anlaufs praktisch keine Kraft zu überwinden braucht. In diesem Falle jedoch sind die Rollen von Statorpol- und Magnetpolflächen vertauscht. Die Abmessungen der rechteckförmigen, im betrachteten Beispiel praktisch quadratischen Magnetpolflächen N25, S25 sind um so viel kleiner als die dreieckförmigen Statorpolflächen 85, 95, dass in der Ruhestellung des Rotors jede Magnetpolfläche beidseitig von der gegenüberliegenden Statorpolfläche überragt wird.
Auch im Beispiel nach Fig. 16 bewirken die dreieckförmigen Statorpolflächen ausserdem, dass beim Polwechsel sich die Richtung des magnetischen Flusses nicht abrupt, sondern kontinuierlich ändert.
Das Beispiel nach Fig. 17 ist eine Variante der Ausführungsform nach Fig. 6, in welcher die rechteckförmigen Magnetpolflächen N21, S21 im Abstand voneinander liegen und die dreieckförmigen Statorpolflächen 81, 91 an ihrer Basis so lang sind, dass sie in der Ruhestellung des Rotors nicht nur teilweise die gegenüberliegende Magnetpolfläche, sondern auch die beiden benachbarten Magnetpolflächen in je einem Eckbereich überlappen.
Im Beispiel nach den Fig. 18 und 19 sind sowohl die Magnetpolflächen als auch die Statorpolflächen rechteckförmig. Nach Fig. 18 sind die Statorpolflächen 86, 96 schmaler, und zwar im betrachteten Beispiel um etwa ein Drittel schmaler als die Magnetpolflächen N26, S26. Dadurch ergibt sich wieder der bereits erwähnte Effekt, dass in der ersten Phase des Anlaufs praktisch kein Haltemoment wirksam ist, weil sich der wirksame magnetische Fluss nicht verändert. Da die Statorpolfläche in der Ruhestellung die Magnetpolflächen nur teilweise überdecken, ist ausserdem bei dieser Ausführungsform nach Fig. 18 auch noch der früher beschriebene Effekt infolge einer nur teilweisen Polüberdeckung wirksam.
Im Beispiel nach Fig. 19 sind die Rollen der Magnetpolflächen N27, S27 und der Statorpolflächen 87, 97 vertauscht, indem hier die Magnetpolflächen in Umfangsrichtung wesentlich schmaler sind als die Statorpolflächen. Auch in diesem Falle ist in der ersten Anlaufphase, solange die Magnetpolflächen vollständig von den gegenüberliegenden Statorflächen überdeckt werden, praktisch kein Haltemoment wirksam.
Zusammenfassend lassen sich erfindungsgemäss sechs verschiedene Effekte auf Grund einer geeigneten Form und Anordnung der Stator- und Magnetpole ausnutzen:
A) In der Ruhestellung des Rotors bedeckt ein Statorpol nur teilweise einen Magnetpol, hat jedoch vorzugsweise, parallel zur Rotorachse, eine Höhe, die wenigstens so gross wie die Höhe der Magnetpolfläche ist, um bei Drehung den zur Verfügung stehenden Fluss voll zu nutzen. Dieser Effekt ist bei den Beispielen nach den Fig. 6 bis 11, 13, 14, 15, 17 und 18 wirksam.
B) Beim Anlauf findet zunächst keine Flussänderung statt, sodass sich die Polüberdeckung nicht ändert. Dabei ist entweder die Statorpolfläche in Umfangsrichtung schmaler als die Magnetpolfläche (Beispiel nach Fig. 15 und 18) oder aber die Magnetpolfläche ist in Umfangsrichtung schmaler als die Statorpolfläche (Beispiel nach Fig. 16 und 19).
C) Beim Polwechsel findet infolge schräger Polflächenbegrenzungen keine abrupte, sondern eine mehr oder weniger langsame, stetige Änderung der Flussrichtung statt (Beispiele nach den Fig. 6 bis 17).
D) In der Ruhestellung des Rotors überlappt eine Statorpolfläche nicht nur die gegenüberliegende Magnetpolfläche, sondern auch etwas die beiden benachbarten Magnetpolflächen (Beispiele nach den Fig. 6, 11, 13 und 17).
E) Die Dauermagnetanordnung ist in Umfangsrichtung sinusförmig magnetisiert (Beispiel nach Fig. 13).
F) Die Mehrzahl der Statorpole oder der Magnetpole ist in Bezug auf die in der Ruhestellung gegenüberliegenden Polflächen um bestimmte Strecken in der einen oder der anderen Umfangsrichtung versetzt, wobei jedoch die Summe aller Versetzungen in der einen Richtung gleich der Summe aller Versetzungen in der anderen Richtung ist (Beispiel nach Fig. 11).
Fig. 20 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Statorspulenanordnung, die aus einer Doppelspule besteht, das heisst aus zwei zweckmässigerweise gleichzeitig gewickelten und damit gleichen Spulen 10a und 10b. Diese beiden Spulen können unter Berücksichtigung der Wickelrichtung mithilfe eines elektronischen Schalters 30 wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet werden, und zwar in Abhängigkeit von einer Betriebsgrösse des Generators. Bei Reihenschaltung beider Spulen besteht, verglichen mit der Parallelschaltung, die doppelte Windungszahl und der doppelte Widerstand. Durch die wahlweise Umschaltung können also Windungszahl und Widerstand verdoppelt bzw. halbiert werden.
Die Möglichkeit einer derartigen Umschaltung ist aus folgendem Grunde vorteilhaft: Die induzierte Spannung ist bekanntlich zur Windungszahl der Spule proportional. Andererseits steigt der Widerstand der Spule mit ihrer Windungszahl an und verkleinert damit den erzeugten Ladestrom. Da die induzierte Spannung von der Geschwindigkeit des Rotors abhängt und diese von Fall zu Fall unterschiedlich gross sein kann, ist die optimale Kombination von Windungszahl und Widerstand der Spule kein konstanter Wert, sondern ändert sich mit dem Wert der Spannung. Bei langsamen Bewegungen ist eine grosse Windungszahl vorteilhaft, um eine noch wirksame Ladespannung zu erhalten. Dagegen sollte bei schnelleren Bewegungen zur Widerstandsanpassung der Widerstand möglichst einen kleinen Wert haben, um eine optimale Ladung zu erreichen.
Da aus Raumgründen nur ein möglichst kleines Spulenvolumen zur Verfügung steht, kann nur die eine oder die andere Spulenart eingesetzt werden.
Durch Verwendung einer Doppelspule mit elektronischer Umschaltung lässt sich nun für jede gegebene Generatorkonfiguration der Umschaltpunkt im Hinblick auf eine optimale Ladung als Funktion einer Betriebsgrösse wählen, welche von der Rotorgeschwindigkeit bzw. der Frequenz des Polwechsels, der induzierten Spannung und der Ladespannung der Stromquelle abhängen kann. Die Umschaltpunkte können in einer Umschaltlogik auf Grund von berechneten Daten gespeichert sein oder aber in Abhängigkeit von den momentan gemessenen Werten bestimmt werden.
Eine weitere Massnahme zur Verringerung des Haltemoments besteht darin, dass die Spulenanordnung 10 nach Fig. 1 bzw. die beiden die Spulenanordnung bildenden Spulen 10a und 10b nach Fig. 20 durch einen elektronischen Schalter 31 (Fig. 20) ein und ausgeschaltet werden können, das heisst von der Ladeschaltung für die Stromquelle abgeschaltet und an diese Ladeschaltung angeschaltet werden können.
In der Ruhestellung ist die Spulenanordnung abgeschaltet, sodass das Anlaufmoment entsprechend verringert ist. Nach Erreichen einer vorgegebenen Drehgeschwindigkeit oder einer anderen geeigneten Betriebsgrösse wird dann die Spulenanordnung jeweils zur Nutzung der induzierten Spannung für die Aufladung der Stromquelle eingeschaltet. Auch dieser elektronische Schalter 31 lässt sich automatisch durch eine entsprechende Umschaltlogik betätigen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern schliesst insbesondere hinsichtlich des Aufbaus des Generators und der Statorpolformen mannigfache Varianten ein. So kann die Spulenanordnung des Stators auch die innen liegende Dauermagnetanordnung umgeben. Die anhand von Fig. 1 beschriebene Konfiguration, wonach die ringförmige Dauermagnetanordnung die Spulenanordnung des Stators aussen umgibt, hat jedoch den Vorteil, dass die Spule bei sonst gleicher Windungszahl wegen ihrer geringeren Länge einen kleineren Widerstand hat. Auch kann die Dauermagnetanordnung fest montiert sein, während die Spulenanordnung mit ihren Polblechen beweglich, also am Rotor montiert ist.
The invention relates to an electric generator of a small electronic watch, the rotor of which can be driven by a flywheel and which is intended for charging a power source that feeds the clockwork, with a permanent magnet arrangement and with an armature arrangement which has at least armature plates which form a coil and armature poles, the circularly arranged magnetic poles and armature poles limit an annular air gap.
The term armature is understood here in a conventional manner to mean the wound generator part, in which an electrical voltage is induced by rotation of a magnetic field. The armature can be fixed, ie belong to the stator or form the stator, or rotate itself, ie belong to the rotor or form the rotor. In the first case the permanent magnet arrangement forms the rotor, in the second case the stator.
A small watch with a generator of the type mentioned, in which the armature forms the stator, is known (for example EP-A-0 683 442, US-A-4 008 566). In these small clocks, the power source, for example a small accumulator or a capacitor, is charged by the generator, the rotor of which is firmly connected to a flywheel and is caused to vibrate by the movement of the clock on the wrist. The rotor, which can be rotated around the center of the small clock, is magnetized or provided with permanent magnets in such a way that magnetic poles of alternating polarity are located along its circumference. These magnetic poles are concentrically opposite the poles of the stator, which carries the coil arrangement, in which current pulses are induced when the rotor moves, which serve to charge the current source after rectification.
The coil arrangement of the stator can in particular be a ring coil which concentrically surrounds the rotor in the known small watch according to EP-A 0 683 442.
In order to generate a sufficiently large induction voltage when the rotor rotates, which is sufficient for reliably charging the power source, the magnetic field strength must be as high as possible because the speed of the rotor that can be achieved by the movement of the wrist or gravity is generally not very high is great if you want to do without a speed ratio between the driving weight and the rotor. A high field strength requires the use of permanent magnets as strong as possible and a maximum possible number of poles. However, this leads to the holding torque of the rotor being relatively large in its rest position, that is to say in the position in which the magnetic resistance of the magnetic circuit is minimal.
In other words, the force that must be exerted on the rotor before it starts to turn must be quite large, so that the rotor does not do so with small, weak movements of the watch, especially with only small tilting movements is moved so far out of its rest position that a noticeable induction process takes place.
This fact forms the main problem with a small watch of the type described, which avoids the disadvantages of mechanical speed translation and enables an inexpensive generator.
The present invention is based on the object of using simple means to reduce the holding torque of the rotor, but nevertheless utilize the magnetic flux from the permanent magnet in the induction phase, that is to say when the rotor is rotating, practically to the maximum for power generation.
To solve this problem, the generator according to the invention is characterized by the features specified in the characterizing part of claim 1 or claim 2.
According to the first solution according to claim 1, the magnetic pole surfaces and the armature pole surfaces are designed such that in a rest position of the rotor, at least the predominant number of armature pole surfaces covers only part of a magnetic pole surface in order to reduce the holding torque of the rotor in a rest position, but that at Rotation of the rotor each armature pole area is covered by the entire area of a magnetic pole.
In this way it is achieved that in a rest position of the rotor only a part of the existing magnetic field strength acts as a holding torque, but practically the entire magnetic flux is used for induction when the rotor is rotated.
The armature expediently forms the stator and the permanent magnet arrangement forms the rotor, so that no slip rings are required. Therefore, in the following we speak of stator and stator poles instead of armature and armature poles.
The idea of the invention can be realized in different ways. A first embodiment consists of the stator pole faces being delimited on both sides, symmetrically with respect to their center line parallel to the rotor axis, that is to say triangular or trapezoidal, while the magnetic pole faces are essentially rectangular. The dimension of the magnetic pole surfaces in the circumferential direction of the rotor can be smaller than the base line of the triangular or trapezoidal stator pole surface. The bevelled stator poles alternately engage from one side and from the other without touching one another.
Advantageously, two disc-shaped stator laminations are provided on both sides of a toroidal coil, on the edges of which the stator poles are formed by punching, which are bent at right angles to complete the stator, so that they protrude over the circumference of the toroidal coil in the assembled state of the generator. The stator poles of one plate engage between those of the other plate.
A second embodiment consists in that the magnetic pole faces are not distributed equidistantly over the rotor circumference, but are arranged in such a way that in a rest position of the rotor a certain number of magnetic pole faces are suitably offset relative to the opposing stator pole faces, as described later in the description is explained in more detail. In this case too, when the rotor is at rest, there is a smaller overlap of the stator poles by the magnetic poles and thus a smaller holding torque without the practically maximum utilization of the existing magnetic field strength being impaired in the induction phase.
In a further embodiment, the magnetic pole surfaces or the stator pole surfaces can be delimited by lines parallel to the circumferential direction, so that in the rest position of the rotor only a partial overlap of the stator pole and magnetic pole surfaces takes place.
According to the second solution of the object of the invention according to claim 2, the magnetic pole surfaces are so narrow that the stator pole surfaces that, in a rest position of the rotor, the stator pole surface opposite a magnetic pole surface projects beyond the lateral boundaries of the magnetic pole surface in both circumferential directions, such that at the first moment of start-up do not change the coverage areas of the poles and thus the effective magnetic flux.
Here, triangular or trapezoidal or rectangular stator pole faces can be so large that they completely cover the opposite magnetic pole face when the rotor is at rest and protrude on both sides in the circumferential direction.
In preferred embodiments of the generator according to the invention with a permanent magnet arrangement forming the rotor, at least two of the above-mentioned measures are combined, in particular the use of bevelled stator pole faces in connection with the mentioned magnetic pole faces offset in the circumferential direction. In addition, as a further measure according to the invention, a magnetization of the permanent magnet arrangement that is sinusoidal in the circumferential direction of the rotor can be provided, each sine half-wave corresponding to a magnetic pole.
Appropriate configurations of the generator according to the invention result from the dependent claims.
The invention is explained in more detail with reference to the drawings of exemplary embodiments in which the armature always forms the stator; therefore in the following we always speak of "stator" instead of anchor. Show it:
1 shows the example of a wristwatch in section, in which a generator according to the invention is housed,
2 shows a plan view of one of the disk-shaped stator laminations with triangular poles formed by punching along its circumference, in the flat state before the poles are bent,
3 shows the stator plate according to FIG. 2 with poles bent at a right angle, these poles being directed below the plane of the drawing in FIG. 3,
4 shows a schematic section through the stator sheet according to IV-IV according to FIG. 3,
Fig.
5 is a schematic plan view of the unwound stator pole faces which belong to the two stator laminations which enclose the coil according to FIG. 1 on both sides, the bent stator poles of the upper plate engaging between the bent stator poles of the lower plate,
6 shows a view corresponding to FIG. 5 of the stator poles shown in a developed state, with a hint of the magnetic poles behind it, in a rest position of the rotor,
7 is a partial top view of a stator sheet with differently shaped stator poles, in the flat state,
8 is a schematic plan view of the stator poles of two sheets according to FIG.
9 is a partial plan view of a stator sheet with stator poles shaped differently, in the flat state,
Fig.
10 shows a schematic top view of the unwound, interlocking stator poles of two stator laminations according to FIG. 9,
11 shows a schematic representation of the stator pole and magnetic pole surfaces shown in a developed manner according to another embodiment of the invention with magnetic poles partially offset in the circumferential direction,
12 shows a further embodiment of the invention, according to which the developed magnetic pole surfaces have boundaries oriented obliquely to the circumferential direction of the rotor,
13 shows a schematic illustration of a further embodiment, according to which the magnetic pole surfaces are magnetized sinusoidally,
14 to 19 are schematic representations of further exemplary embodiments with different pole shapes and pole arrangements, and
Fig.
20 shows a preferred embodiment of the stator coil arrangement in a generator according to the invention.
1 has a housing with a middle part 1, which is closed at the top by a watch glass 2 and at the bottom by a bottom 3. An electronic clockwork 4 is held by means of a plastic retaining ring 5 and carries a dial 6. Between the clockwork 4 and the base 3, a generator is arranged at a distance from the clockwork 4, which has a stator arrangement 7 with two stator plates 8 and 9 and one arranged between the ring coil 10 and a rotor 20.
The generally disk-shaped stator laminations 8 and 9, the shape of which will be explained in more detail later with reference to FIGS. 2 to 6, have projections bent over at right angles at the edge, which form the stator poles, the upper stator laminate 8 bent downward in the illustration according to FIG. 1 Stator poles 80 and the lower stator plate 9 has upwardly bent stator poles 90, which alternately engage with one another and lie on a circle concentric with the axis of the small clock.
The ring coil 10 is wound on an inner soft iron ring 11 which, together with the two stator sheets 8 and 9, which are provided with an opening in the middle, are pressed onto a central screw nut 13. This screw nut 13 is screwed onto a threaded projection 14 formed on the inside of the base 3. A spacer ring 12 is arranged between the outer circumference of the toroid 10 and the stator poles 80 and 90 arranged in a circle, which surround the toroid at a distance.
By means of the spring contacts 15, the coil ends are connected to an annular circuit board 16, which is arranged concentrically to the rotor axis. This circuit board 16 is electrically connected on the one hand to the charging circuit 16 min for the current source, for example a capacitor, consisting of an integrated circuit, and on the other hand by means of spring contacts 17 to the poles of the current source accommodated in the clockwork housing.
The rotor consists of a ring 21 lying below the stator arrangement 7, which is rotatably mounted around the center of the clock by means of a ball bearing 24, and an annular permanent magnet arrangement 22 carried by this ring, the inner circumference of which surrounds the circularly arranged stator poles with the formation of an air gap. A flywheel 23 is attached to the outer circumference of the ring 21 and extends in a sector-shaped manner only over part of the circumference of this ring 21 and therefore acts as an unbalance. It is located in a free annulus near the circumference of the housing. The inner ring of the ball bearing 24 is seated on a pin formed in the center of the base 3, which is extended inwards by the threaded bolt 14 mentioned.
The ring-shaped permanent magnet arrangement 22 is magnetized such that there are magnetic poles opposite the stator poles with alternating polarity on its inner circumference.
The permanent magnet arrangement can also consist of permanent magnets attached to the ring 21.
The arrangement and shape of the stator poles interacting with the magnetic poles are described with reference to FIGS. 2 to 6, which represent a first exemplary embodiment.
Thereafter, both stator plates 8 and 9 each have 14 equidistant triangular stator poles, which are formed by stamping from a flat plate, as shown in FIG. 2 for the upper stator plate 8 with its 14 stator poles 80. FIG. 3 shows the same stator plate with poles bent at a right angle in the direction of the underside of the plane of the drawing, as indicated in the section of FIG. 4. Both stator laminations 8 and 9, which are mounted on both sides of the coil 10, are aligned with one another in such a way that their stator poles 80 and 90, which are directed towards one another, engage in a zigzag shape, as shown in FIG. 5, without contact, with the formation of narrow air gaps , with their stator pole faces 81 and 91 facing the annular permanent magnet arrangement 22.
This permanent magnet arrangement has exactly as many magnetic poles as there are stator poles, in the example considered 28 magnetic poles which directly adjoin one another with their rectangular pole faces.
Fig. 6 shows the development of the magnetic and stator poles in an idle state of the rotor, in which all the stator pole surfaces 81, 91 are aligned with the rectangular magnetic pole surfaces N (north), S (south) of the magnetic poles, i.e. those shown in dashed lines, parallel to the rotor axis oriented center lines of the stator pole and magnetic pole surfaces lie one above the other.
The stator poles have the shape of a triangle, the base line of which is larger than the dimension of a magnetic pole surface in the circumferential direction, and a height, that is to say a dimension parallel to the rotor axis, which is at least equal to the height of a magnetic pole surface N, S. This configuration ensures that, in the rest position shown, the stator pole faces are only covered by part of the magnetic pole surfaces, as a result of which only part of the magnetic field strength acts as a holding torque. In addition, the region of each stator pole face, for example the stator pole face 81, adjacent to the base line overlaps not only the opposite magnetic pole face N, but also the corners of the magnetic pole faces S adjacent on both sides, which further reduces the holding torque.
Because of the oblique lateral delimitation of the stator pole faces, there is also no sudden, but a slow, steady change in flow direction when changing the pole, which is a further effect to facilitate the start-up.
Deflection of the rotor from its rest position therefore requires a correspondingly lower force, that is to say only a slight movement of the wrist or only a slight tilting of the watch, so that the flywheel starts to move with the rotor. In contrast, during a movement of the rotor by at least approximately two pole pitches, the entire magnetic pole surfaces are swept over the stator pole surfaces, so that the entire magnetic field strength is used for induction.
It is essential for this that the stator poles 80 and 90 are chamfered on both sides, so that the stator pole surfaces 81 and 91 are delimited on both sides, preferably symmetrically with respect to the center line oriented parallel to the rotor axis, and that their height is preferably at least as large like the corresponding dimension of the magnetic pole surfaces in order to make full use of the available magnetic flux when the rotor is rotated.
The bevel angle alpha between the base line and a beveled side of a stator pole face, which in the example considered according to FIG. 6 is approximately 55 °, can also be chosen differently, in particular be chosen larger, as shown in the examples according to FIGS. 7 to 10. In these examples, the magnetic pole surfaces are again rectangular and directly adjoin one another. According to FIGS. 7 and 8, the bevel angle alpha is approximately 60 ° and in the example according to FIGS. 9 and 10 approximately 70 °.
So that the stator poles do not protrude too far beyond the magnetic poles, their height is dimensioned such that the stator pole surfaces 81 and 91 according to FIGS. 8 and 10 have a trapezoidal shape, as also in FIGS. 7 and 9 for the stator plate 8 with its poles 80, between which the end faces of the poles 90 shown bent are indicated.
A further measure for reducing the holding torque of the rotor is shown in FIG. 11, which shows the stator and magnetic poles in the unwound state, the stator poles in turn, as in the example according to FIGS. 2 to 6, to form triangular stator pole faces 81 and 91 are chamfered and the immediately adjacent magnetic pole surfaces are rectangular. The base line of a triangular stator pole surface is again larger than the dimension of a magnetic pole surface in the circumferential direction. However, while the stator poles are again arranged equidistantly, that is to say the center lines of the stator pole faces 81, 91 oriented parallel to the rotor axis are always at the same distance from one another, the magnetic poles are not equidistant.
11, the center lines of the stator pole faces 81, 91 passing through the stator pole tips and the center lines M of the magnetic pole surfaces N1, S1, N2, S2 etc. are shown in broken lines. In the example considered, it is assumed that 16 stator poles and 16 magnetic poles are present and that, in the rest position of the rotor shown, only every fourth stator pole is aligned with a magnetic pole. 11 those pole pairs are aligned, to which the magnetic poles N1, N3 and N5 belong. In the case of these pole pairs, the center lines of the pole faces lie aligned one above the other, which is indicated in FIG. 11 by the distance 0.
In contrast, the magnetic pole faces lying on both sides of an aligned pole pair are displaced by small distances x or 2x in the opposite sense compared to the stator pole faces overlapping them, the sum of the displacements in one circumferential direction being at least approximately equal to the sum of the displacements in the other circumferential direction.
11, the three magnetic pole surfaces S2, N2, S1, which lie to the left of the aligned pole pair (N3, 81) between this and the following aligned pool pair (N1, 81), with their center lines M around the distances x, 2x or x in one circumferential direction, according to FIG. 11 to the right, shifted relative to the center lines of the opposite stator pole faces 81, 91. In contrast, the three successive magnetic pole surfaces S3, N4 and S4 lying on the other side of the aligned pole pair (N3, 81) between this and the following aligned pole pair (N5, 81) are the same distances x, 2x and x in the other 11, shifted to the left.
With respect to the pair of poles (N1, 81) aligned on the left in FIG. 11, the magnetic pole faces lying on either side thereof are in turn offset in the opposite sense, that is to say the left of the aligned pole pair (N1, 81) are successive magnetic pole surfaces S16, N16 etc. by the corresponding distances x, 2x etc. shifted to the left, while the magnetic pole surfaces S5 etc. lying on the right side of the pole pair (N5, 81) aligned to the right in FIG. 11 are shifted to the right by the corresponding distances x etc.
The force components in the circumferential direction that are in this way in the rest position of the rotor are indicated by arrows on the underside of FIG. 11, and it can be seen that the force components acting on both sides of an aligned pair of poles are directed opposite to each other and are in total for pick up the whole rotor. However, they reduce the holding torque. In the rest position of the rotor, the described displacement of the magnetic pole surfaces relative to the stator pole surfaces in turn only results in a partial pole overlap without, however, impairing the utilization of the entire magnetic flux when the rotor is rotated.
Of course, the number of pole pairs aligned in the rest position of the rotor can be chosen arbitrarily, depending on the total number of poles, but at least two aligned pole pairs are expedient. The distance by which a magnetic pole surface is offset from the overlapping stator pole surface can always be the same or different for different magnetic poles, it is only necessary that the dislocations are so symmetrical that the sum of all dislocations in one circumferential direction is equal to the sum of all dislocations in the other circumferential direction.
Instead of the magnetic poles, the stator poles can also be offset in an analogous manner as described, which results in the same effect.
In principle, the displacement of the magnetic pole surfaces described above can also be the only measure for reducing the holding torque, that is to say it can be used for rectangular magnetic pole and stator pole surfaces of the same design. However, if this measure is combined with the measure of the bevelled stator poles, as shown in FIG. 11, the effect of reducing the holding torque is of course stronger, without having to forego the full utilization of the available magnetic flux.
An only partial pole overlap in the rest position of the rotor can also be achieved in that, as shown in FIG. 12, the magnetic pole surfaces (N22, S22) which are spaced apart in the example under consideration are delimited by parallel edges oriented obliquely to the circumferential direction , especially in the form of parallelograms.
In the example under consideration, the stator pole faces 82, 92 are rectangular pole faces of poles which are formed on the edge of two stator laminations, similar to the stator laminations 8 and 9 according to FIG. 1, and which alternately engage one another from both sides. In the example according to FIG. 12, the stator pole surfaces 82, 92, as seen in the circumferential direction of the rotor, completely cover the magnetic pole surfaces N22, S22 in the rest position. However, the arrangement can also be such that the obliquely oriented magnetic pole faces in the rest position intersect the lateral edges of the stator pole faces opposite them and, if necessary, overlap the stator pole faces adjacent on both sides in a corner region.
A practically analogous, only partial, pole overlap in the rest position of the rotor also results if the stator pole faces are delimited by parallel edges oriented obliquely to the circumferential direction and the magnetic pole surfaces are rectangular, whereby these magnetic pole surfaces either adjoin one another in the circumferential direction or can be at a distance from one another . Inclined magnetic pole faces can also be used with stators with triangular or trapezoidal stator pole faces.
An additional measure to reduce the holding torque of the rotor is that the surface of the magnetic poles is not magnetized uniformly strong, but that the magnetization takes place in such a way that its strength changes sinusoidally in the circumferential direction across the pole faces, as schematically shown in FIG. 13 for the Sequence of the magnetic pole surfaces N min, S min etc. shown. In this example, the stator pole faces 81, 91 are again triangular. The density of the vertical lines on the pole faces is intended to indicate the increasing magnetic flux density towards the center of the pole, which is illustrated below in FIG. 13 by a sinusoidal magnetization line. Each sine half-wave corresponds to one pole face.
As a result of this sinusoidal magnetization, the area of maximum field strength moves over the same stator pole at the first moment of the start-up and thus practically causes no holding torque. Furthermore, the magnetic flux density changes its direction continuously and not abruptly when changing poles, which also makes it easier to start the rotor.
Such a measure, which can also be used with bevelled stator poles or offset magnetic poles or with a combination of these two measures, leads to a further reduction in the holding torque. In fact, a preferred embodiment of the generator according to the invention consists in the use of all three measures described, that is to say in the combination of stator poles with beveled sides, offset magnetic poles and sinusoidal magnetization of the magnetic pole surfaces. This preferred embodiment thus has the combined features of the exemplary embodiments explained in FIGS. 11 and 13, the maxima and minima of the sinusoidal magnetization curve not following one another at uniform intervals, but rather being offset in accordance with the pole center lines M according to FIG. 11.
14 to 17 schematically show four further possible combinations of rectangular magnetic pole faces, which are spaced apart from one another in the examples considered, and triangular stator pole faces of poles, which in turn can be formed on two stator plates, as in the example according to FIG. 1, and alternate between the two sides.
In the example according to FIG. 14, the baselines of the triangular stator pole surfaces 83, 93 are as large as the dimension of the magnetic pole surfaces N23, S23 in the circumferential direction, so that the lateral boundaries of the magnetic pole surface are not exceeded by the stator pole surfaces in the rest position of the rotor.
In the example according to FIG. 15, the baselines of the triangular stator pole faces 84, 94 are substantially smaller than the dimension of the magnetic pole faces N24, S24 in the circumferential direction, so that when the rotor is at rest, the magnetic pole surfaces protrude on both sides, that is to say in the circumferential direction. This design and arrangement of the poles produces a further effect according to the invention, which reduces the holding torque and consists in the fact that during the first period of startup, in one or the other circumferential direction, the overlapping surfaces of the stator and magnetic poles and thus the effective magnetic Don't change flow. As long as the magnetic pole surfaces completely cover the opposite stator pole surfaces during startup, practically no holding torque is effective at all and there is no holding force to be overcome.
When the rotor is at rest, there is a kind of indifferent equilibrium, so that the rotor starts to move under the action of a very small external force and, when the magnetic forces begin to take effect when changing poles, has a certain momentum.
In the example according to FIG. 15, those effects which, as described earlier, arise from the oblique lateral boundaries of the stator pole faces, which, as in the examples considered, can be triangular or else trapezoidal, also contribute to the reduction of the holding torque.
16 shows an exemplary embodiment in which the above-described effect also occurs, namely that practically no change in the magnetic flux is effective in the first moments of the start-up and therefore the rotor does not need to overcome any force in the first moment of the start-up. In this case, however, the roles of stator pole and magnetic pole surfaces are reversed. The dimensions of the rectangular magnetic pole surfaces N25, S25, which are practically square in the example considered, are so much smaller than the triangular stator pole surfaces 85, 95 that when the rotor is in the rest position, each magnetic pole surface is surmounted on both sides by the opposite stator pole surface.
Also in the example according to FIG. 16, the triangular stator pole faces also have the effect that the direction of the magnetic flux does not change abruptly but continuously during the pole change.
The example according to FIG. 17 is a variant of the embodiment according to FIG. 6, in which the rectangular magnetic pole surfaces N21, S21 are spaced apart and the triangular stator pole surfaces 81, 91 are so long at their base that they are not in the rest position of the rotor only partially overlap the opposite magnetic pole surface, but also the two adjacent magnetic pole surfaces in a corner area.
In the example according to FIGS. 18 and 19, both the magnetic pole surfaces and the stator pole surfaces are rectangular. 18, the stator pole faces 86, 96 are narrower, namely in the example considered by about a third narrower than the magnetic pole faces N26, S26. This again results in the already mentioned effect that practically no holding torque is effective in the first phase of the start-up because the effective magnetic flux does not change. Since the stator pole surface only partially covers the magnetic pole surfaces in the rest position, the previously described effect due to only partial pole coverage is also effective in this embodiment according to FIG. 18.
In the example according to FIG. 19, the roles of the magnetic pole surfaces N27, S27 and the stator pole surfaces 87, 97 are interchanged in that the magnetic pole surfaces are considerably narrower in the circumferential direction than the stator pole surfaces. In this case too, practically no holding torque is effective in the first start-up phase, as long as the magnetic pole surfaces are completely covered by the opposite stator surfaces.
In summary, six different effects can be exploited according to the invention based on a suitable shape and arrangement of the stator and magnetic poles:
A) In the rest position of the rotor, a stator pole only partially covers a magnetic pole, but preferably, parallel to the rotor axis, has a height that is at least as large as the height of the magnetic pole surface in order to make full use of the available flux when rotating. This effect is effective in the examples according to FIGS. 6 to 11, 13, 14, 15, 17 and 18.
B) At start-up, there is initially no change in flow, so that the pole coverage does not change. Either the stator pole surface is narrower in the circumferential direction than the magnetic pole surface (example according to FIGS. 15 and 18) or the magnetic pole surface is narrower in the circumferential direction than the stator pole surface (example according to FIGS. 16 and 19).
C) When changing poles, there is no abrupt, but rather a more or less slow, steady change in the direction of flow due to inclined pole surface boundaries (examples according to FIGS. 6 to 17).
D) In the rest position of the rotor, a stator pole surface not only overlaps the opposite magnetic pole surface, but also somewhat the two adjacent magnetic pole surfaces (examples according to FIGS. 6, 11, 13 and 17).
E) The permanent magnet arrangement is magnetized sinusoidally in the circumferential direction (example according to FIG. 13).
F) The majority of the stator poles or the magnetic poles are offset by certain distances in one or the other circumferential direction with respect to the opposite pole faces in the rest position, but the sum of all displacements in one direction is equal to the sum of all displacements in the other direction is (example of Fig. 11).
20 shows a preferred embodiment of the stator coil arrangement which consists of a double coil, that is to say of two coils 10a and 10b which are expediently wound at the same time and are therefore the same. These two coils can be connected in series or in parallel, taking into account the winding direction, using an electronic switch 30, depending on an operating size of the generator. When the two coils are connected in series, there are twice the number of turns and twice the resistance compared to the parallel connection. With the optional switchover, the number of turns and the resistance can be doubled or halved.
The possibility of such a switchover is advantageous for the following reason: As is known, the induced voltage is proportional to the number of turns of the coil. On the other hand, the resistance of the coil increases with its number of turns and thus reduces the charging current generated. Since the induced voltage depends on the speed of the rotor and this can vary in size from case to case, the optimal combination of number of turns and resistance of the coil is not a constant value, but changes with the value of the voltage. With slow movements, a large number of turns is advantageous in order to obtain an effective charging voltage. In contrast, with faster movements to adjust the resistance, the resistance should be as small as possible in order to achieve an optimal charge.
Since the smallest possible coil volume is available for reasons of space, only one or the other coil type can be used.
By using a double coil with electronic switchover, the switchover point can be selected for any given generator configuration with regard to optimal charging as a function of an operating variable, which can depend on the rotor speed or the frequency of the pole change, the induced voltage and the charging voltage of the current source. The switchover points can be stored in a switchover logic on the basis of calculated data or can be determined as a function of the currently measured values.
A further measure for reducing the holding torque is that the coil arrangement 10 according to FIG. 1 or the two coils 10a and 10b forming the coil arrangement according to FIG. 20 can be switched on and off by an electronic switch 31 (FIG. 20) means switched off by the charging circuit for the current source and can be connected to this charging circuit.
In the rest position, the coil arrangement is switched off, so that the starting torque is reduced accordingly. After reaching a predetermined rotational speed or another suitable operating variable, the coil arrangement is then switched on in each case to use the induced voltage for charging the current source. This electronic switch 31 can also be actuated automatically by a corresponding switchover logic.
The invention is not limited to the exemplary embodiments described, but rather includes numerous variants, in particular with regard to the structure of the generator and the stator pole shapes. The coil arrangement of the stator can also surround the internal permanent magnet arrangement. The configuration described with reference to FIG. 1, according to which the annular permanent magnet arrangement surrounds the coil arrangement of the stator on the outside, has the advantage, however, that the coil has a smaller resistance due to its shorter length with an otherwise identical number of turns. The permanent magnet arrangement can also be permanently mounted, while the coil arrangement with its pole plates is movable, that is to say mounted on the rotor.