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Läuferlagerung eines Elektromotors für kleine Drehmomente, insbesondere
für Synchronuhren Die Erfindung bezieht sich .auf die Läuferlagerung eines Elektromotors
für kleine Drehmomente, insbesondere für Synchronuhren.
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Das Drehmoment 'bei Motorwellen der erwähnten Art ist sehr klein,
da die Arbeitswelle, z. B. die des Minutenzeigers. einer Uhr, Bein Drehmoment aufweist,
das nicht größer ist als etwa 100 bis 200 cm - kg. Wenn man berücksichtigt, daß
der die Welle antreibende Motor eine Drehzahl von nicht weniger als 450 U/min hat,
so nimmt das Drehmoment der Motorwelle außerordentlich kleine Werte an, nämlich
des 1/45o des Drehmomentes der Arbeitswelle. Die Reibungsverluste :der Motorwelle
müssen daher sehr niedrig gehalten werden, und bei Berücksichtigung der hohen Drehzahl,der
Motorwelle müs.en idie Lager dieser Welle, idie gewöhnlich nach konservativen Baumustern
ausgelegt sind, sehr genau und mit außerordentlich feinen Passungen zwischen :der
Motorwelle und den Lagern gebaut ,sein.
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Eine hohe Genauigkeit bei !der Herstellung der Lager ist weiterhin
erforderlich, weil Vibrationen infolge der Erregung des Motorfeldes durch Wechselstrom
auftreten und auf .den Rotor einwirken können; auch kann in manchen Fällen eine
UnSta)hllität des Rotors selbst auftreten. Auch diese Faktoren wirken auf die Lager
ein und bedingen eine lehrgenaue Ausbildung, wenn der Motor ruhig und weich laufen
und eine lange Lebensdauer haben soll.
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Ein weiteres Problem !ist bei Motoren dieser Art de Schmierung, @da
ein Öl verhältnismäßig niedriger Viskosität verwendet werden muß, damit das Drehmoment,
das zur Überwindung .der Schmnermittelreiibung erforderlich -ist, auf sehr kleinen
Werten gehalten werden kann. Öle niedriger Vnskoslität neigen jedoch zum Kriechen
und verteilen ;sich über die Umgebung, so @daß die Lebensdauer eines .solchen Schmierfilms
verhältnismäßig kurz ist. Wenn man aber die Viskosität erhöht, um Ölverluste zu
vermeiden, verschwendet man Energie, da ein großer Anteil des zur Verfügung stehenden
Drehmomentes zur Überwindung der Schmermittelreibung aufgewendet werden muß.
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Bei der Herstellung der Lager für Motoren der erwähnten Art muß auch
berücksichtigt werden, @daß eine Uhr viele Jahre ununterbrochen laufen muß, so daß
man einen Verlust oder eine Verschlechterung,des Schmiermittels nach Möglichkeit
vermeidet. Diese lange Betriebsdauer ist von besonderer Bedeutung, wenn der Motor
mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit umläuft; während der Betriebszeit der
Uhr wird eine .sehr hohe Anzahl von Umdrehungen erfolgen, und man muß daher einen
Verschleiß des Lagers möglichst ganz vermeiden. Wenn die Drehzahl des Motors verhältnismäßig
gering ist, z. B. 450 U/min, macht,die Welle 648 000 Umdrehungen in 24 Stunden oder
236 520 000 Umdrehungen im Jahr. Eine sorgfältige Überwachung und Schmierung ,der
Lager ist unter diesen Umständen normalerweise von besonderer Bedeutung.
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Auf dem Gebiet der Lager für leichte Belastungen sind sehr zahlreiche
Ausführungen bekanntgeworden; so wurde z. B. ein Zapfen aus Kakteendorn oder -stachel,
der in einer Schale !aus Edelstein od. a g1. läuft, vorgeschlagen. Die gezeigte
Ausführung läßt erkennen, daß das Lager flach ausgebildet ist, so @daß der Zapfen
schon bei geringen,seitlichen Kräften aus seiner Lagerung herausgedrückt werden
kann.
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Ferner sind verschiedene Lagerungen mit konisehem Sitz bekanntgeworden,
die jedoch nur in verhältnismäßtig hoch belasteten Maschinenteilen Verwendung finden.
Es ist auch bekanntgeworden, Auflager und Welle :aus- verschiedenen Werkstoffen
auszubilden. Obwohl Lagerungen mit abgerundeten Wellenspitzen und auch federnde
Spitzenlagerungen seit etwa 25 Jahren bekannt sind, ist eine Kombination dieser
Merkmale nicht ausgeführt worden.
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Weiterhin sind federnde Spitzenlagerungen für Fei.nmeßgeräte bekanntgeworden,
wobei die Spitzen der Wellenenden in gepreßte Hohlkörper in Blattfedern aufgenommen
werden. Ferner sind Lagerpfannen aus Kunstharz und die Lagerung eines Spurzapfers,
der
in einer Stahlkugel voll -etwä-0;6.mm Radius endet, in einer Steinpfanne bekannbgaworden,
doch stellt gerade die letztere :das Gegenteil von ,dem dar, was (durch die Erfindung
angestrebt wird.
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Auch weitere ibekannte Ausführungen, beispielsweise mlit einem federnden
Lager und einer konischen Welle, einer federnden Traverse und einer Welle mit konischem
Ende und einer sphärischen Fläche, enthalten an keiner Stelle :die Lehre, daß Idas
Lager aus einem weicheren Meta11 hergestellt ist als die Welle.
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Der Erfindung liegt im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, ein Wellenlager
für einen kleinen Synchronmotor zu schaffen, das wirtschaftlich herstellbar ist,
eine sehr hohe Lebensdauer hat und mit nur geringer bzw. überihaupt keiner Schmierung
auskommt.
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Die Erfindung betrifft eine Läuferlagerung eines Elektromotors für
kleine Drehmomente; insbesondere für Synchronuhren, dessen Läufer konisch ausgebildete
Wellenenden besitzt, die in konischen Lagersitzen gehalten werden, von denen der
eine Lagersatz fest und der andere durch ein federndes Tragkreuz .abgestützt ist,
bei dem ferner die konisch ausgebildeten Wellenenden in abgerundete Oberflächen
von sphärischer Gestalt mit einem relativ kleinen Radius im Vergleich zu dem der
Welle enden und im Grunde der Lagersitze aufgenommen sind, wobei das federnde Tragkreuz
einen leichten Druck .auf sdas Lager und gegen aas betreffende Ende der Welle ausübt,
um die gerundeten Oberflächen ohne jedes seitliche Spiel zu halten. Die Erfindung
besteht iin der Kombination. Die Welle besteht aus einem harten Material, und die
Lager sind aus einem an sich bekannten Plastikmaterial, z. B. Nylon, hergestellt,
so- daß während der ersten Drehungen der Welle die gerundeten Oberflächen der konisch
ausgebildeten Wellenenden :sich- leicht in !die Lager eindrücken undnaeh Erreichung
eines Gleichgewichtszustandes keine weitere Abnutzung mehr stattfindet.
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Zu diesem Zweck bildet man die Enden- der Motorwelle konisch aus.
Am äußeren Ende der- Welle wird jedoch keine schärfe Spitze vorgesehen, sondern
man bildet die Enden baIlig bzw. kugelförmig mit einem verhältnismäßig kleinen Krümmungsradius
aus. Bei Lagern dieser Art wurde festgestellt, daß das Ende e!: er,derart ausgebildeten
Welle im Betrieb bei einem Lager, das aus weicherem Material als die Welle, z. B.
Polyamid (Nylon), bestand, ganz abgesehen vom Verschleiß eine geringe Verdrängung
.des Materials des Lagers bzw. .einen Eindruck sm Lager bereits innerhalb kurzer
Zeit bewirkte. Dieses Einarbeiten einer kleinen Vertiefung in die Lagerfläche vergrößert
die tragende Fläche, so daß beld ein Punkt erreicht wird, in dem .eine weitere Verdrängung
des Lagermaterials nicht mehr stattfinden kann; anschließend läuft .dann die Welle
auf der so ausgebildeten sphärischen Lagerfläche.
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Die besondere Wirkung der Erfindung liegt darin, daß beim "ersten
Starten des Motors das sphärische Ende der Welle nur an einem Punkt in der Lagerung
anliegt. Infolge der relativ leichten Anpressung .durch die Feiler drückt die Welle
einen Teil .des Materials am Lager weg, bis ein -größerer sphärischer Eindruck vorhanden
ist. Durch .die größere Fläche tritt ein etwas größerer Widerstand auf, so daß eine
weitere Eindrüchung gestoppt und ein idealer r-Lagersitz geschaffen wird, wobei
die Teile jetzt ohne Abnutzung über einen sehr langen Zeitrau arbeiten können. Mit
anderen Worten, die Welle sitzt indem Lager, bis der Widerstand zur weiteren Eindrückung
in .das Lager durch den Druck der Feder ausgeglichen ist. Es ist bei allen !bekannten
Lagerausführungen nicht erkannt worden, -:daß -sich das sphärische Ende der Welle
in das Lagermaterial eindrücken und hierbei einen Sitz erzeugen kann, bis der Widerstand
des Lagers genügend groß geworden .ist, um den Federdruck zu überwinden. Dieses
besondere Merkmal ist :durch die bekannten Ausführungen keinesfalls nahegelegt,
da, wie bereits oben erwähnt, die meisten der Lagerungen bereits seit Jahrzehnten
bekannt sind. Es stellt durch seine Einfachheit einen beträchtlichen technischen
Fortschritt -dar.
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Der Druck wird sehr gering bemessen, so daß er keine schädliche Reibungskraft
auf die Welle ausübt und Verluste bedingt, und: er wird nur über eine solche Distanz
aufgebracht, daß eine Verdrängung des Lagers in dem Umfang aufgenommen wird, in
dem das konische Ende der Welle sich in Idas Lager eindrückt. Wenn dann die tragende
Fläche am Ende der Welle so gelagert ist, daß sie keine weitere Verdrängung erfährt,
wird keine Änderung 'in der Lagereinstellung mehr "auftreten, unabhängig von der
Länge der- Zeit, in der -die ballige Fläche der Welle auf dem Sitz umläuft.
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Infolge des außerordentlich geringen Verschleißes zwischen der feinpolierten
Iballigen Oberfläche am Ende der Welle und dem Auflager wird eine sehr hohe Lebensdauer
das Lagers erreicht; auch wird durch- den 'g.eriingeri Reiibungskoeffizaienten"-
zwischen den sich berührenden Flächen des Lagers -und der -Welle ünld'dzuroh .die
sehr- kleiden Kontaktflächen die Verwendung von Gleitmitteln überflüssig.
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Durch'.die Erfindung wird :erreicht, @daß .ein kleiner Elektromotor,
z. B. ein Synchronmotor für eine elektrische. Uhr, ,mit einem Lager versehen werden
kann, das einen geringen Reibungskoeffizienten .und dementsprechend eine -verhältnnismäßig
lange Lebensdauer hat.
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Weiter ward bei diesen Lagern nur ein sehr -geringer bzw, garkein
Verschleiß zwischen dem Lager und der Welle nach der »Eindrück«-P:eriode auftreten,
so daß der Motor über .eine sehr lange Zeit ruhig und geräuschlos laufen wird. Auch
sind .bei einem Lager gemäß der Erfindung nur sehr wenig oder überhaupt keine Sohmliermittel
zwischen,der Welle" und dem Lager erforderlich, und der Motor wird trotzdem ohne
Verschleiß -des Lagers über eine sehr lange Zeit zufriedenstellend laufen.
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Durch die Erfindung wird ein Lager für die Welle eines Motors mit
kleinem Drehmoment geschaffen, bei dein die Auflager für die Enden der Motorwelle
aus einem -Material hergestellt sind, das weicher als das Material der Welle ist;
die Weile :besitzt eine in eine bailli!ge Fläche auslaufende konische Endpartie;
es wird ein leichter Druck auf die Enden -des Lagers in Achsrichtung der Welle ausgeübt;
so daß die Welle das Material des Lagers im bestimmten Umfang verdrängen kann und
in das Material eindringt, um dann anschließend ohne weitere Materialverdrängung
einen weichen Lauf ohne Schmierung über einen langen Zeitraum zu gewährleisten.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand ider Zeichnung
näher beschrieben.
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Fig. l ist .eine Vorderansicht eines kleinen, z. B. bei elektrischen.
Uhren verwendeten Elektromotors, bei dem Lager "gemäß -der Erfindung vorgesehen
:sind; Fig. 2 ist ein.Sohnitt nach,der Linie 2-2 der Fig. 1; Fig. 3 ist ein Schnitt
nach :der- Linie 3-3 der Fig. 2; Fig. 4 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Teilschnitt
durch das Lager an einem Ende der Motorwelle.
Wie aus dem dargestellten
Ausführungsbeispiel der Erfindung hervorgeht, ist in einem im wesentlichen zylindrischen
Gehäuse 10 ein elektrischer Synchronmotor untergebracht. Er besitzt eine Anzahl
von Polteilen 11, die in dem Bodenteil 12 :des zylindrischen Gehäuses befestigt
und aufwärts gerichtet sind. Wie in Fig. 3 gezeigt, sind rdiese Polteile paarweise
angeordnet und durch Abdeckplatten 13 hindurchgeführt.
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Entsprechende Polteile 14, die ebenfalls paarweise angeordnet sind,
sind an einer Platte 15 :befestigt und abwärts gerichtet. Die Polteile 14 liegen
zwischen den aufwärts gerichteten Polteilen 11. Abdeckplatten16 sind unterhalb
der Platte 15 am Fuß der oberen Polteile 14 angebracht. Die Platte 15 wird gegenüber
dem Boden 12 des Gehäuseas durch eine Hülse 17 -gehalten, die zur Feldspule
des Motors gehört. Drie Fellspule 19 umgibt die Polteile und erregt sie derart,
daß .eine Umdrehung des Rotorns erfolgt.
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Die vorerwähnte Ausführungsform ist im wesentlichen die gleiche, wie
sie in :dem USA.-Patent Nr. 2 266 878 beschrieben ist.
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In .dem Gehäuse 10 ist oberhalb der Platte 15 ein Getrieberahmen mit
zwei flachen Rahmenteilen 20 und 21 angeordnet, die durch Stäbe 22 -in ihrer gegenseitigen
Lage gehalten werden und :eine Anzahl zusammenarbeitender Zahnräder, die allgemein
mit 23 und 24 bezeichnet sind, tragen. Da die Zahnränder in keinem unmittelbaren
Zusammenhang mit der Erfindung stehen, erübrigt sich eine bis ins einzelne gehende
Beschreibung.
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An dem Rahmenteil 20 ist eine abgesetzte Buchse 25
befestigt,
deren unterer, schwächerer Teil in einer Öffnung 26 der Platte 15 sitzt, so daß
der Getrieberahmen gegenüber .dieser Platte abgestützt ist. Die Buchse 25 hat eine
mutige Öffnung 27, durch welche die Welle des Motors lose hindurchgeführt ist. Der
Getrieberahmen wird im Gehäuse durch einen Deckel 28 gehalten, der z. B. reibungsschlüsrsig
innerhalb des zylindrischen Gehäuses 10 befestigt sein kann; die einzelnen Teile
sind dadurch .in ihrer Lage gehalten. .
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Innerhalb rdes durch rdie Polteile 11 und 14 gebildeten Käfigs ist
ein Rotor 30 angeordnet, der im vorliegenden Beispiel als Hohlzylinder aus geeignetem
Metall aufgebaut ist. Der Rotor ist an einer Buchse 31 befestigt, die ihrerseits
auf der Rotorwelle 32 sitzt. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, besitzt die Welle konische
Enden 33 und 34, welche in Auflagern 35 und 36 untergebracht sind. Die Lager sind
ebenfalls @im wesentlichen konisch und vorzugsweise aus an sich bekannten Polyamiden,
z. B. Nylon, oder ähnlichem Material ; herbestellt, das mit den Enden der Welle32
einen niedrigen Reibungskoeffizienten hat und bei höchster Verschleißfestigkeit
nur eine geringe oder gar keine Schmierung erfordert. Die Motorwelle 32 ist durch
die Öffnung 27 der Buchse 25 mit passendem Abstand hin@lurohgeführt, so daß sie
die Wand der Öffnung nicht berührt.
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Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist das obere Auflager 36 fest in dem Rahmenteil
21 dies Getriebes untergebracht, so daß es gegenüber der Vorrichtung unverrückbar
angeordnet ist. Das untere Auflager 35 ist federnd angeordnet, derart, daß :es einen
leichten Druck in ,axialer Richtung auf das Ende :der Motorwelle 32 ausübt. Zu diesem
Zweck wird das Auflager 35 durch ,einen Kreuzhalter 38 gehalten, der Arme 39 besitzt
(Eig. 3), die radial verlaufen und an den Enden 40 etwas schmaler sind. Die Enden
40 sind zwischen benachbarten Polpaaren 11 angeordnet, wobei der Kreuzhalter durch
die Spule 19 in seiner Lange gehalten wird. Die Arme 39 bestehen aus federndem Material
und sind so ausgelegt, daß sie das Lager 35 .mit leichtem Druck gegen die Welle
32 drücken.
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Wie vor allem aus Fig. 4 hervorgeht, laufen die konischen Enden der
Walle 32 nicht in eine Spritze aus, sondern sind an den äußeren Enden mit .sphärischen
Flächen 42 versehen. Diese Flächen haben jedoch im Vergleich zu der Welle einen
verhältnismäßig kleinen Radius, so daß die Relativgeschwindigkeit zwischen den einander
berührenden Flächen der : Welle und,des Lagers sehr gering ist. Ebenso sind die
konischen Lagersitze 43 in den Auflagern 35 und 36 nicht spitz auslaufend, sondern
weisen auch eine sphärische Fläche 44 mit verhältnismäßig kleinem Radinns auf. Wie
bereits ausgeführt, ist der von :den konischen Sitzen eingeschlossene Winkel etwas
größer als der Winkel der konischen Wellenenden, so daß der Kontakt zwischen den
Teilen auf die Berührung zwischen den sphärischen Eiiden des Schaftes und den entsprechenden
Sitzen in den Auflagern beschränkt ist. Auf diese Weise erreicht man eine Berührung
in einer sphärischen Fläche von sehr geringem Radius.
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Im vorliegenden Awsführungsbeispriel ist der Werkstoff der Welle,
z. B. hochgekohlter Stahl, härter -als der Werkstoff der Auflager, also Polyamid
(Nylon) usw.
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Wie erwähnt, übt der federnde Träger 38 einen leichten axialen Druck
-auf die Welle32 aus. Dieser Druck ist so bemesrsen, daß die Welle einen kleinen
Teil des Materials in dem Lager verdrängt und in die Verdrängung eindringt, bis
das Lager die endgültige Form .angenommen hat und eine weitere Materialverdrängung
nicht mehr erfolgen kann. Unter der Einwirkung des Druckes des federnden Trägers
nimmt das Lager auch da!s Spiel auf, das aus anderen Gründen beim Auflager auftreten
kann; auch wenn ein geringer Verschleiß während der Lebensdauer des Motors eintreten
sollte, wird dieser aufgenommen und so eindauerndes befriedigendes Arbeiten des
Motors gewährleistet.
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Bei dem beschriebenen Beispiel :des Synchronmotors trägt die Motorwelle
den Rotor. Der Rotor muß daher sehr genau gegenüber dem erregenden magnetischen
Feld angeordnet sein. Bei der Bestimmung der Lage der Welle ist diese Forderung
zu berücksichtigen. Auch muß der von .der Welle getragene Rotor so angeordnet und
gehalten werden, daß seine Achse genau die gewünschte Lage erhält und nicht -die
kleinste Abweichung von dieser Lage auftreten kann. Es :entstehen dabei radiale
Beanspruchungen der Rotorwelle, und bei .dem vorliegenden Beispiel werden diese
Belastungen durch seitlichen Druck des sphärischen Endes der Welle gegen die entsprechende
Gegenfläche .aufgenommen. Theoretisch würde dadurch das federnd angebrachte Auflager
axial von dem sphärischen Ende der Welle weggedrängt werden. Bai den durchweg verwendeten
Motoren ist die radiale Belastung jedoch,so gering, daß eine solche Verdrängung
vernachlässigt werden kann.