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Schaltungsanordnung für einen aus einer Gleichstromquelle gespeisten
kollektorlosen Elektromotor Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
für einen aus einer Gleichstromquelle gespeisten kollektorlosen Elektromotor. Gegenstand
der Hauptpatentanmeldung S 40&12 VIIIb/21 dl ist eine Schaltungsanordnung für
einen aus einer Gleichstromduelle gespeisten kollektorlosen Elektromotor, bei welcher
ausschließlich durch die Relativbewegung eines permanentmagnetischen Rotors zum
Stator in wenigstens einer Statorwicklung eine periodische Spannung als Steuerspannung
für eine elektronische Schaftvorrichtung, insbesondere eine Transistorschaltvorrichtung,
induziert wird, deren Ausgangsspannung wenigstens einer zweiten Statorwicklung in
Form von Gleichstromimpulsen so zugeführt wird, daß der Rotor in der bereits eingeschlagenen
Richtung weiter angetrieben wird.
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Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung dieser Schaltungsanordnung;
sie eignet sich insbesondere zur Anwendung bei elektrischen Uhren.
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Es sind Motorenanordnungen bekannt, bei welchen ein permanentmagnetischer
Rotor in einer zum Stator gehörigen Rückkopplungsspule einen Spannungsimpuls induziert,
der nach Aussteuerung des elektronischen Gliedes, insbesondere eines Transistors,
einen den Rotor antreibenden Stromimpuls in einer Antriebsspule des Stators erzeugt.
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Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß bei einer Motorenanordnung
der vorstehend genannten Art zwei im Stromkreis der Antriebsspule liegende Elektroden
des elektronischen Gliedes durch einen Schalter kurzfristig überbrückt werden und-dadurch
unmittelbar aus der Spannungsquelle einen Startimpuls auf die Antriebsspule geben
und daß zusätzliche Sicherheitsvorrichtungen vorgesehen sind, welche eine falsche
Drehrichtung des Motorankers bei zu langer Dauer der Überbrückung dieser Elektroden
verhindern.
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Es kann noch die Zuordnung eines kleinen, zusätzlichen, vorzugsweise
ortsfesten Magnets zweckmäßig sein, welcher die Anhaltestellung des Rotors und damit
bei Betätigung der Startvorrichtung die Anla.ufdrehrichtung des Rotors bestimmt.
Es können auch beispielsweise ein schneckenförmiger Nocken im Getriebe der Motoranordnung
und eine unter der Wirkung einer Rückstellfeder stehende Gabel vorgesehen sein,
welche bei falscher Bewegungsrichtung den Nocken anhält und dadurch das Syltern
stillsetzt.
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Es ist bei elektrischen Uhren, bei denen die Unruh elektromagnetisch
unter Anwendung von Kontakten, die durch die Unruh selbst gesteuert werden, in Gang
gehalten wird, bekannt, im Nebenschluß zum Kontaktsystem der Unruh Anlaßkontakte
vorzusehen. Bei einer solchen Anordnung spielt aber das Inbewegungsetzen des elektromagnetisch
in Betrieb gehaltenen Systems in einer bestimmten Richtung keine Ralle. Auch bringt
die im Rahmen der Erfindung zu lösende Aufgabe die Anwendung eines das Erstingangsetzen
bewirkenden Schalters an einem speziellen Organ der Außenschaltung, nämlich zwischen
den Elektroden des elektronischen Verstärkungsorgans, mit sich.
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Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt. Von den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Skizze der wesentlichen Organe
eines Zeitmeßgerätes, das durch eine isochron schwingende Masse reguliert und durch
einett Magnet betätigt wird, der stetig mit kleiner Drehzahl in bestimmter Richtung
zwischen zwei festen Wicklungen umläuft und von einer derselben einen intermittierenden
Antrieb erfährt, der von einem gleichgerichteten Strom, welcher mittels eines Transistors
zugeführt wird, herrührt, Fig.2 die elektromagnetischen und elektronischen Organe
des Apparates nach Fig. 1, wobei der Antriebsmagnet und die ihn umgebenden Wicklungen
im Schnitt nach einer zur Achse des Magnets senkrechten Ebene gesehen sind, Fig.3
getrennt und schaubildlich den Antriebsmagnet und das isolierende Gestell, auf dem
eine der den Magnet umgebenden Wicklungen gelagert ist,
Fig.4 eine
Einzelansicht der Sicherheitsvorrichtung, die dem Antriebsmagnet eine einzige Drehriich=
tung erteilt, Fig.5 schaubildlich die beiden Hauptteile einer drehmomentbegrenzenden
Magnetkupplung, die zwischen den Motor nach Fig. 2. .und die Antriebsfeder eingeschaltet
ist.
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Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Zeitmeßgerät enthält folgende
Hauptorgane: a) einen Antriebsmotor A, dessen Rotor 24 sich ständig unter dem Einfluß
einer Stromquelle G dreht, b) ein Untersetzungsgetriebe; das den Motor mit dem Stundenzeiger
und einer Drehzahlregelvorrichtung verbindet, die aus der Unruh 20, dem Anker 21
und dem Hemmrad 22 gebildet wird, c) eine Zwischenfeder 23.
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Der Unruh 20 ist eine, Spiralfeder sp zugeordnet, die aus einem Metall
konstanter Elastizität besteht, z. B. aus »Elinvar«.
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Die Gangregelung der Ufruh 20 erfolgt durch die üblicherweise in der
Uhrentechnik verwendeten Organe, und es ist gleichgültig, welche Art Hemmwerk 20,
21 und 22 ist.
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Der Rotor 24 des den Apparat nach Fig. 1 betätigenden Motors wird
durch einen kleinen zweipoligen Permanentmagnet gebildet, der die senkrechte Achse
25 mit dem Antriebsritzel 26 trägt.
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Der-Permanentmagnetrotor 24, der gesondert in der Fig. 3 dargestellt
ist, besitzt die Form eines kleinen Zylinders von ungefähr 5 bis 15 mm Durchmesser
und 3 bis 10 mm Höhe. Er besteht .vorzugsweise aus einem Material mit großem Koerzitivfeld
(z. B. über 800 Örsted) und einer möglichst hohen magnetischen Induktion, z. B.
über 2000 Gauß.
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Die inneren Kraftlinien sind seinem Durchmesser annähernd parallel.
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Man hat besonders zufriedenstellende Resultate mit Magneten von 11
mm Durchmesser und 7 mm Dicke erhalten, die aus einem anisotropen Material auf der
Basis von bei hoher Temperatur gebranntem Kobaltferrit oder anderen ferromagnetischen
Oxyden bestehen, wie sie unter der Bezeichnung »Ferroxdure II und III« bekannt sind.
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Die Achse 25 dreht sich in sorgfältig konstruierten Lagern. Diese
Lager können insbesondere aus Miniaturkugellagern 27 und 28 bestehen, die konische
Zapfen führen. Das untere Lager 28, das am meisten arbeitet, ist vorzugsweise abnehmbar,
wie aus Fig. 1 hervorgeht.
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Um den zweipoligen Rotor 24 sind zwei rechteckige Hohlspulen, eine
Antriebsspule 30 und eine Rückkopplungsstufe 29; angeordnet (vgl. Fig. 1 und 2).
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Die Spulen liegen nahe dem Rotor 24 und seiner Achse 25. Die W indungsebenen
sind dieser Achse parallel, und sie können fast die Gesamtheit des magnetischen
Wechselflusses einschließen, der durch den umlaufenden Rotor erzeugt wird.
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Die Spulen 29 und 30 bestehen aus sehr feinem, emailliertem Kupferdraht
in zahlreichen- Windungen, die auf begossenen, isolierenden Spulenkörpern 31 und
32 mit Haltelaschen gewickelt sind, so daß eine leichte Lagerung möglich ist. Der
eine Spulenkörper 32 ist schaubildlich in Fig.3 dargestellt, wobei die Rillen 34
den freien Durchtritt der Achse 25 ermöglichen.
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Die Wicklungen 29 und 30 stellen hohe Widerstände von mehreren hundert
Ohm dar. Sie sind an die Stromquelle G und an einen pnp-Transistor 33 angeschlossen,
der schematisch durch seine drei Elektroden, Emitter e, Kollektor c und Basis b,
dargestellt ist.
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Wenn sich der Permanentrotor 24 in Ruhe befindet, ist der innere Widerstand
des Transistors hoch, und die abgegebene Leistung der Stromquelle G ist gering.
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Die Erfahrung zeigt, daß, wenn man dem Rotor 24 einen kleinen Anfangsimpuls
erteilt, der ihn in Richtung des Pfeiles f dreht (Fig. 2), ein intermittierender
Strom I in dem Stromkreis erzielt wird, der sich aus der Quelle Q, den Elektroden
e und c und der Wicklung 30 zusammensetzt. Hierfür genügt es, daß die auf den Rotor
24 tangential ausgeübten elektromagnetischen Kräfte in Richtung f gelenkt sind und
so die Drehung begünstigen. Diese Kräfte erreichen jedesmal ein Maximum, wenn der
Rotor 24 die in Fig. 2 dargestellte Stellung durchläuft. Die Linie der Pole NS liegt
annähernd parallel zu den Windungsebenen der Antriebsspule 30.
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Unter diesen Bedingungen erhält der Motor A einmal pro Umdrehung Antriebsimpulse,
und er setzt seine Drehung auf Grund der Trägheit des Rotors 24 fort. Das Ganze
verhält sich wie ein mit elektromagnetischen Impulsen arbeitender Motor, jedoch
entfallen der Kollektor und die bei Gleichstrommotoren im allgemeinen verwendeten
Bürsten.
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Auf Grund der von den Uhrwerken benötigten geringen Antriebsleistung
und hohen und konstanten magnetischen Kraftflüsse der Wicklungen ist der erforderliche
Strom I nur schwach. Versuche haben gezeigt, daß der Motor nach Fig. 2 mit einer
mittleren elektrischen Leistung arbeitet, die kleiner als 0,1 Milliwatt ist.
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Es ergibt sich aus den Grundeigenschaften der Transistoren mit pnp-Schaltung,
daß ein wahrnehmbarer Strom I auftritt, wenn ein schwacher Strom i in Richtung von
der Emitterelektrode e nach der Basiselektrode b fließt.
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Dies wird mittels der Rückkopplungsspule 29 bewirkt; in welcher eine
elektromotorische Wechselspannung durch die Drehung des Rotors 24 induziert wird.
Der Anschluß der Spule 29 ist derart, daß die Spitzenspannung einen Strom i jedesmal
dann erzeugt, wenn der Magnet die in Fig. 2 dargestellte Lage einnimmt. Der Strom
i bewirkt augenblicklich eine beträchtliche Verminderung des Widerstandes zwischen
den Elektroden e und c, was die Abgabe des Stromes I
aus der Spannungsquelle
in die Spule 30 und dementsprechend des Antriebsimpulses ermöglicht.
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Der diesen Impuls auslösende Strom i veranlaßt einen gewissen Energieverlust,
jedoch ist infolge der verstärkenden Eigenschaften des Transistors 33 die in der
Spule 29 verlorene Leistung viel geringer als die durch die Antriebsspule 30 entwickelte
Antriebsleistung, und der Motor neigt zum Schnellerlaufen.
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Die beschriebene Kombination stellt einen einfachen elektronischen
Motor mit langsamer und gleichsinniger Bewegung dar, der keinen Schwingkreis erfordert
und demzufolge die Zuschaltung eines Kondensators von starker Kapazität entbehrlich
macht. Der Transistor verhält sich nicht wie ein »negativer Widerstand«, und statt
einen linearen Verstärker zu bilden, verhält er sich wie ein »Ja-Nein«-Relais, das
plötzlich wirkt und im richtigen Zeitpunkt den Speisestromkreis der Antriebsspule
30 schließt. Die Dauer jedes Strom--impulses ist ein kleiner Bruchteil der Dauer
einer Umdrehung des Rotors 24, was die abgegebene Leistung der Stromquelle G reduziert.
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Die Achse 25 des elektronischen Motors ist mit der Feder 23 und dem
Gangregler über Getriebe verbunden, die auf den senkrechten Achsen 35, 36 und 37
sowie
auf den horizontalen Achsen 38 und 39 angebracht sind.
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Die Achse 37, die in der Verlängerung und oberhalb der Achse 36 angeordnet
ist, bildet eine Schnecke 40, die mit dem Rad 41 kämmt, auf welchem das innere Ende
der Zugfeder 23 angebracht ist. Das äußere Ende dieser Feder ist mit einem zum Rad
41 koaxialen Zahnrad 42 fest verbunden, welches das Hemmrad 22 über die Getriebe
43, 44 und 45 antreibt.
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Die das Ritzel 43 tragende Achse 39 vollzieht vorzugsweise eine Umdrehung
pro Minute und treibt den Sekundenzeiger des Zifferblattes an. Die übrigen Zei-gerwerden
durch übliche Getriebe betätigt.
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Zwischen die Achse des Antriebsrotors 24 und die Zwischenfeder 23
ist eine Magnetkupplung geschaltet, die von dem Magnet 46, der mit der Achse 36
fest verbunden ißt, und dem auf der Achse 37 sitzenden Magnet 47 gebildet wird.
Die Magnete 46 und 47 (in Fig. 5 getrennt dargestellt) sind in bestimmtem Abstand
d angeordnet, der so gewählt ist, daß, wenn der Teil 46 sich unter der Wirkung des
elektronischen Motors dreht, die Bewegung auf die Achse 37 übertragen wird, wodurch
die Antriebsfeder 23 aufgezogen wird.
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Im normalen Gang mittels einer gut gewählten Spannungsquelle G drehen
sich die Achsen 36 und 37 mit gleicher Drehzahl; wenn jedoch die elektrische Spannung
von G zufällig zu hoch sein sollte, könnte der Motor durch das vollständige Aufziehen
der Feder 23 nicht stillgesetzt werden.
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Durch geeignete Wahl des Abstandes d der Magnetpole (Fig. 5) kann
man die durch die Kupplung übertragenen Kräfte so begrenzen, daß automatisch ein
Abkuppeln eintritt, wenn die Spannung der wieder aufgezogenen Feder zu hoch wird.
Die momentan unterbrochene Kraftübertragung setzt nach einer gewissen Zeit wieder
ein, sobald das Abwickeln der Feder 23 das auf die endlose Schraube 40 sich auswirkende
Widerstandsmoment reduziert.
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Gemäß der Erfindung wird das Anlassen des Motors durch folgende Vorrichtung
erleichtert: In der Nähe des Permanentmagnetrotors 24 wird ein kleiner Magnet 48
angeordnet, der auf den Rotor 24 eine schwache Anziehungskraft ausübt, die gerade
ausreicht, damit nach Abschaltung der Stromquelle G der Rotor 24 in die Ruhelage
kommt, die Fig. 2 zeigt, nämlich die Pollinie NS parallel zu den Ebenen der Windungen.
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Unter diesen Bedingungen genügt es, zum Anlassen des Motors in der
gewünschten Richtung (Pfeil f) eine kurzfristige Überbrückung der Elektroden e und
c des Transistors 33 herzustellen. Ein kurzer Stromstoß I durch die Spule 30 bewegt
den Rotor 24. Für diesen Vorgang kann man sich der Zeiteinstellorgane des Apparates
nach Fig. 1 bedienen; z. B. kann man durch rasches Ziehen an dem Zeigereinstellstift
deal Kontakt 49 rasch schließen.
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Es wurde festgestellt, daß bei zu langem Andauern des elektrischen
Kontaktes 49 der Rotor 24 zurückbleibt und im falschen Sinn bewegt wird. Die in
den Fig. 1 und 4 dargestellte Vorrichtung ermöglicht es, diesen Nachteil zu vermeiden.
Sie umfaßt einen schneckenförmigen Nocken 50, der auf der Achse 35 angebracht ist,
und eine zapfengelagerte Gabel 51, die durch eine schwache Feder in Richtung des
Pfeiles 52 zurückgezogen wird. Man erkennt, daß die Gabel 51
die Nase des
Nockens 50 anhält, wenn dieser Nocken sich im umgekehrten Sinn des Pfeiles 53 zu
drehen versucht. Es wurde festgestellt, daß zufriedenstellende Arbeitsbedingungen
erzielt werden, wenn die elektromagnetischen Organe die nachstehend verzeichneten
Hauptmerkmale aufweisen: 1. Zweipoliger Permanentmagnetrotor 24: Masse von 2 g aus
einem Werkstoff, dessen magnetische Induktion etwa 2500 Gauß beträgt, während die
differentielle magnetische Permeabilität (db/dHj derjenigen der Luft und des leeren
Raumes nahekommt (d. h. 1 Gauß/1 Orsted) ; 2. Rückkopplungsspule 29: 5000 Windungen
aus emailliertem Reinkupferdraht von einem Durchmesser von 0,06 mm; 3. Antriebsspule
30: 6000 Wicklungen aus emailliertertem Reinkupferdraht von einem Durchmesser von
0,05 mm_; 4. Spannungsquelle G: Spannung 1,3 Volt.
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5. Widerstand R' im Basiskreis bis zu 40 000 Ohm. Ein solcher Motor
weist eine Drehzahl von etwa 5 Umdr./Sek. auf und einen Stromverbrauch von weniger
als 30 Mikroampere. Er gewährleistet den Gang eines Uhrwerkes nach Fig. 1 mit zwei
Zeigern auf einem Zifferblatt von 12 cm Durchmesser. Ein Element mit einem Volumen
unter 10 cm3 kann die für den Gang des Apparates während 5 Jahren erforderliche
Energie liefern.
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Bei einer isochron schwingenden Unruh und einem Element, dessen Spannung
praktisch konstant bleibt (z. B. Ouecksilberoxyd-Element) kommt es nicht zu aufeinanderfolgendem
Abreißen der Kupplung 46-47. Im Augenblick der Ingangsetzung des Apparates dreht
sich der Motor relativ schnell, während die Feder 23 sich fortschreitend spannt.
Demzufolge nimmt die Drehzahl des Motors allmählich ab, bis ein Kräftegleichgewicht
eintritt. Von diesem Augenblick an bleibt der Wicklungsbogen der Feder 23 praktisch
konstant, und die mittlere Drehzahl des Rotors 24 hält sich in einem festen Verhältnis
zur Frequenz des Gangreglers 20.
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Auf dem Prinzip der Fig. 1 und 2 kann man sehr kleine Zeitmeßgeräte
herstellen, deren Verbrauch an elektrischer Energie außergewöhnlich klein ist: so
daß sie über 1 Jahr mit einem Miniaturelernent in Gang gehalten werden. Dabei erfordert
die Herabsetzung des Stromverbrauches keineswegs die Verwendung eines äußerst feinen
Kupferdrahtes.