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Kollektorloser Gleichstrommotor Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen
Gleichstrommotor, bei dem das zur Bewegung des Ankers notwendige veränderliche Feld
durch zweckmäßige Einschaltung eines zwischen Impuls- und Antriebsspulen befindlichen
Transistors hervorgerufen wird.
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Es ist bereits bekannt, Pendel und auch Drehpendel dadurch anzutreiben,
daß ein von einem bewegten Magnetpol induzierter Steuerimpuls in einem Transistor
verstärkt und einer den Magnetpol antreibenden Spule zugeführt wird. Derartige Systeme
mit nur einem Antriebsimpuls während einer Pendel- oder Drehschwingung lassen jedoch
keine kontinuierliche, stoßfreie Drehbewegung zu.
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Es, ist weiter bereits bekannt, Uhrenanlagen dadurch fernzusteuern.,
daß von einem Gebersystem (Mutteruhr usw.) herrührende Impulse durch Transistoren
verstärkt und dann den Impulsempfangsspulen eines Elektromotors zugeführt werden,
um dort ein Drehfeld und damit eine Drehbewegung eines Ankers zu bewirken.
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Es. ist weiter bekannt, das Gebersystem mit dem Empfangssystem mechanisch
durch eine gemeinsame Achse für Impulsanker und Antriebsanker zu koppeln und hierdurch
eine sich selbst erhaltende Drehbewegung zu erzielen. Dabei handelt es sich um eine
Ausführung mit je einem scheiben- oder zylinderförmigen Permanentmagneten als Impuls-
und Antriebsanker. Der Aufbau entspricht dem eines 2poligen Synchrongenerators auf
der Geberseite und eines 2poligen Synchronmotors auf der Empfangsseite eines Drehfeldsystems.
Geber- und Antriebsteil sind also gleich aufgebaut.
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Die Erfindung geht ebenfalls von einem Elektromotor mit getrennten,
auf einer gemeinsamen Drehachse sitzenden Impulserzeuger- und Antriebsteil aus,
bei dem die vom Impulserzeuger erzeugten Impulse, durch Transistoren verstärkt,
dem Antriebsteil zugeführt werden. Gegenüber den bekannten Ausführungen ist der
erfindungsgemäße Elektromotor dadurch gekennzeichnet, daß der Impulserzeuger aus
einem stabförmigen Doppelpermanentmagneten mit gleicher Polarität an seinem diametral
zur Drehachse gegenüberliegenden, dem Luftspalt benachbarten Enden sowie konzentrisch
zur Drehachse angeordneten, vom rotierenden Doppelpermanentmagneten induzierten
Impulsspulen und der Antriebsteil aus einem sternförmigen wicklungslosen Weicheisenanker
und kreisförmig um ihn angeordneten Elektromagneten besteht.
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Der unterschiedliche Aufbau der Geber- gegenüber der Antriebsseite
des Systems ergibt sich aus der Erkenntnis, daß für beide Teile der Maschine scharf
voneinander zu unterscheidende Aufgaben vorliegen, die sehr verschiedene Forderungen
an den Aufbau und die Werkstoffwahl nach sich ziehen.
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Der Impulsgeber soll in erster Linie exakte und durch keinerlei Nebenwirkungen
beeinflußte Impulse erzeugen. Eine hohe Spannungsabgabe ist wegen der Verstärkung
des nachgeschalteten Transistors nicht erforderlich und auch nicht erwünscht, da
ja der Impulsgeber mechanisch den Antriebsteil belastet. Man wird also hier große
Luftspalte und Steuerwege zulassen können und kann eventuell auf Eisen ganz verzichten.
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Andererseits soll der Antriebsanker mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad
arbeiten. Diese Forderung verlangt bekanntermaßen die Verwendung von Dynamoblechen.
zur Vermeidung von Ummagnetisierungsverlusten und kleinste magnetische Widerstände
durch kleine Luftspalte und Streuwege: Aus diesem Grunde wird bei der Anordnung
nach der Erfindung auch der Antriebsanker aus Weicheisen (Weicheisenblechen) und
nicht aus einem magnetischen Material aufgebaut. Die magnetischen Kräfte zwischen
dem Weicheisenanker und den Elektromagneten sind dann von der Richtung des vom Elektromagneten
erzeugten Flusses unabhängig, da eine quadratische Abhängigkeit vorliegt. Diese
Unabhängigkeit der Kraftrichtung von der Flußrichtung erfordert aber einen anderen
Aufbau des Impulsgebers.
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Verwendet man nämlich auf der Geberseite einen umlaufenden Magneten
mit entgegengesetzter Polarität an seinen diametral gegenüberliegenden Enden, und
will man die von ihm abgegebenen Innpulse über einen Transistor verstärken. und
danach einen Weicheisenanker wie bei der Anordnung nach der Erfindung antreiben,
so zeigt sich, daß sich die zum Antrieb des Weicheisenankers zu erfüllende Bedingung
mit einem Einfachmagneten nicht erfüllen läßt, daß jeder sich vor einem Elektromagneten
bewegende Wencheisenpol von diesem bei Annäherung und nicht bei
Entfernung
angezogen wird- (welche Kraftwirkung ja . der Drehbewegung entgegenstehen würde).
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Man könnte zwar durch verschiedenen Wickelsinn der gegenüberliegenden
Spulen des Impulsgebers erreichen, daß sowohl Nord- wie Südpol gleichphasige Spannungeen
in den Spulen induzieren, der Einfachmagnet wird aber Drehung um 180° bei Annäherung
an eine zuvor von einem entgegengesetzten Pol 'induzierte Impulsspule, einen entgegengesetzten
Impuls, und erst bei Entfernung einen Impuls gleicher Polarität, . erzeugen. Da
man den Transistor vorteilhaft im C-Betrieb, also unsymmetrisch ansteuert, wird
zwar der -entgegengesetzte Impuls- nicht verstärkt und deshalb, nicht auf die Antriebsspule
einwirken, dafür wird aber der bei Entfernung des Pols von der Impulsspule entstehende
Impuls verstärkt und in der Antriebsspule ein Magnetfeld hervorrufen, das den sich
ebenfalls gerade von der Antriebsspule entfernenden Ankerpol zurückhalten will.
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Wenn man also zur Erzielung eines größeren Wirkungsgrades einen Weicheisenanker
verwenden will, muß der Impulsmagnet bei- Annäherung an eine Impulsspule stets Impulse
einer Polarität erzeugen. Diese Forderung zwingt aber zur Verwendung eines Doppelmagneten;
d. h. eines Magneten mit gleicher Polarität an seinen diametral gegenüberliegenden
Enden.
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Die Erfindung unterscheidet sich also in zwei Punkten von dem Stand
der Technik. Einmal geht sie zur Erzielung eines größeren Wirkungsgrades von dem
konventionellen Synchronmotor ab und verwendet einen Weicheisenpolaranker, der nach
den bekannten Prinzipien des Elektromaschinenbaus aufgebaut wird. (Geringe .Streuwege,
kleine Luftspalte, Verwendung von legierten Blechen.) Die Verwendung eines Weicheisenpolarankers
für den Antriebsteil zwingt aber zum Einbau eines Doppelmagneten im Impulsgeberteil,
dem zweiten kennzeichnenden Merkmal der Erfindung. Durch die gleiche Polarität des
Doppelmagneten an seinen diametral gegenüberliegenden Enden wird erreicht, daß die
bei Annäherung an eine Spule induzierten Spannungen stets ein und dieselbe Polarität
aufweisen.
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Da der transistorbetriebene Motor sich ähnlich verhält wie z. B. die
Kollektormotoren (Gleichstrominotoren), wird der sich drehende Weicheisenanker beim
Laufen eine Gegen-EMK erzeugen; die Drehzahl wird sich im Betrieb so einstellen,
daß unter Berücksichtigung der Reibungsverluste eine solche Gegen-EMK auftritt,
daß die aufgenommene Leistung die abgegebene Leistung und die Reibungsverluste deckt.
Analog dem Verhalten der Gleichstrommotoren kann man also die Drehzahl durch Änderung
der Antriebsspannung, d. h. durch Änderung der Verstärkung des Transistors, regeln.
Wenn man stufenlos regeln will, kann man in den Impulskreis einen regelbaren Widerstand
legen oder die Impulsspannung einem Potentiometer zuführen und dann die geregelte
Spannung an diesem abgreifen und dein Transistor zuführen. Eine weitere Regelmöglichkeit
besteht in der Veränderung der Batteriespannung.
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Zweckmäßigerweise kann der Impulsspulenkranz gegenüber dem gleichachsig
angeordneten Antriebsspulenkranz verdreht werden.
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Um zu vermeiden, daß außer der gewollten Frequenz des elektromagnetischen
Systems eine wilde, ungewollte Schwingung des oder der Transistorkreise infolge
elektrischer Selbsterregung auftritt, werden gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung
entsprechend bemessene Dämpfungswiderstände den Impulsspulen und gegebenenfalls
auch den Antriebsspulen parallel geschaltet.
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Im folgenden wird die erfindungsgemäße Anordnung an Hand einer schematischen
Darstellung näher erläutert.
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Der Anker des Antriebsteiles besteht nach dem Ausführungsbeispiel
aus sechs sternförmig angeordneten Weicheisenstäben f1 bis f6, welche auch aus lamelliertem
Eisenblech zusammengesetzt sein können. Sie bewegen sich vor den Elektromagneten
g1 bis g6 derart, daß gerade immer dann ein Erregerstromimpuls durch die Spulen
g1 bis g6 fließt und Magnetisierung hervorruft, wenn sich die Ankerstäbe fl bis
f6 in unmittelbarer Nähe der Eisenpole der Wicklungen g1 bis g6 befinden, diesen
jedoch noch nicht genau gegenüberstehen. Der Erregerimpuls hört dann auf, wenn die
Gegenüberstellung erfolgt ist. Der Anker kommt also durch die magnetische Anziehung
in Drehbewegung. Wenn nun die erregenden Impulse periodisch derart gesteuert und
verstärkt werden, daß die oben beschriebenen günstigen Antriebsbedingungen erfüllt
werden, wird die Anker-Drehbewegung aufrechterhalten und kann außer den unvermeidlichen
Reibungsverlusten auch noch eine Antriebsleistung nach außen abgeben. Die notwendige
Antriebsleistung des Systems wird wiederum der Batterie e entnommen.
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Damit periodische Steuerimpulse erzeugt werden können, bewegt -sich
ein gerader zusammengesetzter Doppelpermanentmagnet h, dessen beide Nordpole zeichnungsgemäß
nach außen zeigen und der mit den Ankerstäben f1 bis f6 auf einer gemeinsamen Achse
sitzt, vor seinen Elektromagneten i1 bis i6 vorbei und erzeugt in den Magnetwicklungen
entsprechend der Ankerdrehung Steuerstromimpulse, die über den Transistor d einen
Strom in Pfeilrichtung auslösen, indem der Impulsstrom über den Emitter E zufließt
und über die Basis B abfließt. Der verstärkte Impulsstrom fließt in Pfeilrichtung
durch die Antriebsmagnetwicklungen g1 bis g6 und bewirkt durch die Magnetis.ierung
ein Anziehen der Stäbe f1 bis f6.
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Die Ankerstäbe f1 bis f6 sowie die Elektromagneten g1 bis g6 des Antriebssystems
sind in Schnitt i dargestellt und der zusammengesetzte Doppelpermanentmagnet h des
Impulserzeugers und seine Impulselektromagneten il bis i6 in Schnitt II.
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Zwecks besserer Übersicht sind die beiden Schnitte in einer Ebene
dargestellt. In Wirklichkeit liegen die Magnetsysteme I und II in Achsrichtung hintereinander,
die Ankerstäbe f1 bis f6 und der zusammengesetzte Doppelpermanentmagnet h mit seinen
beiden nach außen zeigenden Nordpolen N sitzen auf einer gemeinsamen Achse. Die
Wicklungen g1 bis g6 in Schnitt I können grundsätzlich parallel oder auch hintereinandergeschaltet
sein. Das Gleiche gilt für die Wicklungen i, bis i6 in Schnitt II. In der gezeigten
Abbildung liegt willkürlich Hintereinanderschaltung vor. Die Beschaltungsart ist
in erster Linie eine Frage der gewünschten elektrischen Anpassung.
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Der Doppelpermanentmagnet h ist in Bezug auf seine Symmetriestellung
gegenüber seinen Magnetspulen il bis i6 so einstellbar gewählt, daß bei der Rotation
Impulse entstehen, welche in Bezug auf den Zeitpunkt und ihre Verstärkung im Transistor
d die günstigsten Antriebsbedingungen des Ankers ergeben. Da der Doppelpermanentmagnet
h (Impulserzeuger) mit dem Anker des Antriebssystems fest auf einer gemeinsamen
Achse sitzen soll, ist es daher notwendig, den äußeren Magnetkranz, welcher die
Impulsspulen
il bis i6 trägt, drehbar gegenüber der gemeinsamen
Antriebsachse zu wählen. Die Verstellung kann also im Sinne des Doppelpfeiles (s.
Abbildung) erfolgen und somit die günstigsten Impulsbedingungen für den Antrieb
eingestellt werden. Die Polung der Spulenanschlüsse unter Beachtung der Transistorenanschlüsse
ist so durchzuführen, daß richtige Stromverstärkungen und keine Stromsperrungen
zustande kommen.
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Entsprechend der richtig gewählten Einstellung des Magnetkranzes,
der die Impulsspulen il bis i6 trägt, kann der Anker nach Anstoß in Links- oder
Rechtslauf betrieben werden.