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Wechselstrom-Kleinstmotor, insbesondere für Spielzeugantrieb Die Erfindung
betrifft einen Wechselstrom-Kleinstmotor, insbesondere für Spielzeugantrieb. Hierbei
handelt es sich um einen Motor mit einem einseitig gelagerten Anker, dessen freies
Ende durch ein Wechselfeld in Schwingungen versetzt wird, die durch zusätzliche
Dauermagneterregung des Ankers in eine Drehbewegung desselben umgesetzt werden.
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Es ist bekannt, durch Zusammenwirken eines durch Wechselstrom erzeugten
und eines permanent magnetischen Feldes ein Schwingungsfeld zu erzeugen, in dem
ein Anker in zum Wechselstrom synchrone Schwingungen versetzt wird. Diese Schwingungen
müssen dann mittels Klinke und Sperrad od. dgl. in rotierende Bewegung umgewandelt
werden.
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Ferner ist es bekannt, bei elektrischen Kleinmotoren einen einseitig
gelagerten Anker vorzusehen, dessen freies Ende durch ein Wechselfeld in Schwingungen
versetzt wird, die durch zusätzliche Dauermagneterregung des Ankers mittels einer
Abwälzbewegung in eine Drehbewegung des Ankers umgesetzt werden. Wenn hierbei auch
ein mittels Klinke, Sperrad u. dgl. arbeitendes Getriebe zur Erzielung einer Drehbewegung
nicht mehr erforderlich ist, so wird in diesem Falle trotzdem ein baulicher Aufwand
benötigt, der für die Schaffung eines Kleinstmotors, insbesondere für Spielzeugantrieb,
zu groß ist. Bei diesem bekannten Motor ist nämlich ein zweipolig auszuführender
Motorständer für Einphasenwechselstrom vorhanden, bei dem die beiden Pole zur Erzeugung
eines Drehfeldes im Luftspalt unterteilt sein müssen. Außerdem ist dann noch die
eine Polhälfte je mit einem Kurzschlußring zu versehen, um einen selbstanlaufenden
Synchronmotor zu erhalten.
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Bei der Erfindung kommt es demgegenüber jedoch darauf an, mit sehr
viel einfacheren Mitteln einen recht kleinen Spielzeugmotor zu gewinnen. Dies wird
erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Erregung des Motorankers eine ihn mit
Spiel koaxial umgebende Wechselstromspule dient, wobei der vorzugsweise runden Querschnitt
aufweisende Anker der genannten Wechselstromspule sich um seine Längsachse drehend
in ihr zum Abwälzen kommt.
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Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß bei der genannten Anordnung
der Anker schnell eine sich drehende Bewegung annimmt, wenn an seine Erregerspule
ein Wechselstrom angelegt wird. Praktisch ist dabei von Bedeutung, daß die Umformung
der Schwingbewegung des Ankers in eine Drehnicht durch ein rotierendes Magnetfeld,
sondern auf mechanischem Weg zustande kommt. Die Erfindung benutzt bisher nicht
beachtete, jedenfalls für vorliegende Zwecke noch nicht ausgewertete Möglichkeiten,
die darin bestehen, durch Abrolleffekte eine nicht genügend stabile elektrisch erzeugte
hin- und hergehende Bewegung in die stabilere Bewegungsform einer Rotation umzulenken.
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Für die Erfindung ergibt sich eine besonders zweckdienliche bauliche
Ausführungsform, wenn als Anker ein in den Spulenkanal mit beiderseits herausragenden
Enden eingebrachter Eisenkern dient, dessen Durchmesser kleiner gewählt ist als
der des Spulenkanals und der an seinem einen Ende derart lose gelagert ist, daß
er um seine Längsachse drehbar und diese selbst innerhalb eines Kegels beweglich
bleibt, dessen Spitze in dieses Lager fällt.
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Die Erfindung ist mit ihren Einzelheiten an Hand von Zeichnungen in
mehreren Ausführungsbeispielen, die zu einer besonders einfachen und dementsprechend
billigen Herstellung eines Kleinstmotors führen, noch näher erläutert und beschrieben.
Es zeigt Fig. 1 den der Erfindung entsprechenden Kleinmotor in einem Längsschnitt,
wobei der drehbewegliche Anker in einer besonderen Buchse gelagert ist, Fig. 2 eine
Ansicht zu Fig. 1 von hinten gesehen mit Blick auf den im Spulenkern innerhalb seiner
Lagerbuchse befindlichen Eisenkern, Fig. 3 in gleicher Ansicht die Lagerung des
Eisenkerns in einer Buchse, die innen mit einer kleinen ebenen Abflachung versehen
ist.
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Die Fig. 4 bis 8 geben verschiedene weitere Ausführungsmöglichkeiten
wieder, nach denen sich ein der Erfindung entsprechender Kleinmotor herstellen läßt,
und zwar schematisch im Längsschnitt wiedergegeben. Hierbei befindet sich der in
einer Abwälzbewegung sich drehende Eisenkern ohne Lagerungsbuchse
unmittelbar
im Spulenkern. Im einzelnen ist dabei nach Fig. 4 für den am hinteren Ende aus der
Erregerspule vorstehenden Kern aus Weicheisen ein besonderer Dauermagnet vorgesehen;
Fig. 5 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der der Eisenkern selbst als Dauermagnet
ausgeführt ist, und zwar so, daß er in seinem hinteren Teil z. B. den Südpol und
in seiner vorderen Hälfte den Nordpol darstellt; nach Fig. 6 ist der Eisenkern ebenfalls
wieder als Dauermagnet ausgeführt, jedoch so, daß er in seiner ganzen Länge hälftig
als Südpol und hälftig als Nordpol wirkt; Fig. 7 veranschaulicht eine Ausführungsform,
bei der dem Eisenkern an seinem vorderen Ende aus der Erregerspule herausragenden
Teil ein besonderer Dauermagnet zugeordnet ist, wobei dieser Eisenkern eine sich
abwälzende kegelförmige Drehbewegung ausführt, deren Spitze am hinteren Ende des
Eisenkerns liegt; Fig. 8 unterscheidet sich von Fig. 7 lediglich dadurch, daß in
diesem Falle an Stelle eines besonderen Dauermagnets der Eisenkern selbst wieder
als Permanentmagnet ausgeführt ist.
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In den Figuren ist mit 1 die an Wechselspannung anzuschließende
Spule bezeichnet. Der Spulenkanal ist z. B. mit einer Messingbuchse 2 ausgekleidet,
die auf der einen Seite mit offenem Ende ein Stück aus der Spule herausgeführt,
am anderen Ende zweckmäßig aber durch den Deckel 2a geschlossen ist. 3 ist ein weicher
Eisenkern, dessen Durchmesser entsprechend kleiner sein muß als der Durchmesser
der Messinghülse 2, wobei der Eisenkern 3 ebenfalls innerhalb der Hülse
2 über das Spulenende hinaus ein Stück vorsteht. Am anderen Ende ist der
Eisenkern 3 mit seinem dünneren Zapfen 3 a durch die zentrale Bohrung
2 b der Buchse 2 hindurchgeführt, und zwar mit so viel Durchmesserspiel,
daß er in diesem Lager nicht nur um seine eigene Längsachse drehbar, sondern auch
schwenkbar beweglich bleibt. Als Beispiel eines Spielzeugantriebs ist ein Ventilator
4 angenommen, der auf den Zapfen 3 a, der auch konisch ausgebildet sein kann,
fest aufgesetzt ist. Mit 5 ist ein am freien Ende stirnseitig aufgepreßtes bzw.
angeflanschtes Messingblech bezeichnet, das mit Stiften oder Schrauben, die durch
die Löcher 5 a und 5 b greifen, zur Halterung bzw. Montage der beschriebenen
Anordnung befestigt werden kann.
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Zur Arbeitsweise dieser Anordnung ist folgendes zu sagen: Schließt
man die Spule 1 an Wechselspannung an, so beobachtet man ein feines Vibrieren
des Eisenkerns 3. Bringt man dabei einen kleinen Hufeisenmagnet 6 an, dessen
Pole N und S zu beiden Seiten der Messingbuchse 2 durch diese hindurch auf
den schwenkbar gelagerten Eisenkern 3 einwirken können, so tritt von selbst eine
kräftige Rotationsbewegung des Eisenkerns um seine Längsachse ein, angezeigt durch
den sich entsprechend rasch drehenden Ventilator 4. Diese Rotation entsteht
nicht durch ein magnetisches Drehfeld. Die Drehrichtung wechselt im allgemeinen
auch nicht, wenn man die Richtung des konstanten Magnetfeldes umkehrt. Man kann
die Drehrichtung auch durch geeignete Wahl der Anfangsbedingungen für die Drehbewegung
beeinflussen, so vor allem durch die Anfangslage des Eisenkerns 3 im Kanal der Messingbuchse
2, aber auch durch die Form dieses Kanals bzw. dessen Begrenzung. Das Feld
des Magnets N-S bewirkt, daß der Eisenkern zufolge des in ihm vorhandenen Wechselfeldes
je nach dessen Phase bzw. seiner Umpolung eine hin und her oder auf und ab schwingende
Bewegung erfährt. Des Spieles wegen, das der Kern 3 in der Buchse 2 hat und
weil er ja in seiner Ruhestellung unten aufliegt, erfolgt der erste Schwingungsstoß
beim Einschalten der Spule 1 nicht diametral, sondern am Mittelpunkt der Kreiskurve
der Messinghülse vorbei. Schon beim ersten exzentrischen seitwärtigen Anschlagen
des Kerns 3 auf die Kreiskurve der Messinghülse 2 wird von dieser aus ein Dralleffekt
auf diesen Eisenkern 3 ausgeübt, so daß er mit seiner eigenen Umfangslinie auf der
inneren Begrenzung der Messinghülse zum Abrollen kommt, womit diese Kurve zur »Leitkurve«
einer solchen Abrollbewegung wird. Diese Abrollbewegung ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Eisenkern 3 mit seiner Längsachse in einem kegelförmigen Raum umläuft, dessen
Spitze in das Lager 2 b fällt und dessen äußerste Umfangslinie gerade durch die
Leitkurve, hier somit durch den inneren Rand der Messinghülse bestimmt ist. Dabei
gerät der Eisenkern 3 gleichzeitig in eine Drehbewegung um seine Längsachse und
diese Rotation ist es, die durch die Drehung des Ventilators am anderen Ende angezeigt
wird.
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Durch Fig. 2 soll zunächst veranschaulicht werden, daß sich beide
Drehbewegungen, nämlich diejenige der Längsachse auf einem Kegelmantel und diejenige,
die um diese Längsachse erfolgt, selbst gegenseitig bedingen. Erfolgt die erste
Bewegung im Sinne des Pfeils 7, so muß die letztere im Sinne des Pfeils 8 vor sich
gehen. Würde die erstere in umgekehrtem Sinne in Gang kommen, so müßte sich auch
der Drehsinn der letzteren umkehren. Welche Drehbewegungsrichtung ursprünglich entsteht,
hängt ab von den im Ruhezustand gegebenen Verhältnissen, vor allem davon, ob der
erste Schwingungsstoß des Kerns 3 links oder rechts am Mittelpunkt der Leitkurve
vorbeiführt. Zur Festlegung einer bevorzugten Drehrichtung sieht die Erfindung in
ihrer Weiterbildung vor, der Leitkurve, wie sie der Innenmantel der Hülse
2 bildet, eine von der Kreisform abweichende Form zu geben, z. B. durch Einbau
einer kleinen Abflachung 9, wie sie z. B. nach Fig. 3 vorgesehen ist. Es
können aber auch irgendwelche anderen Veränderungen gleichwirkender Art zur Anwendung
kommen, die dafür sorgen, daß sich die Schwingungsstöße um so leichter in eine kräftige
Drehbewegung umsetzen. Hierzu kann z. B. auch eine elliptische Gestalt der Leitkurve
oder eine vieleckige Form derselben u. dgl. dienen. Die gleiche Wirkung würde sich
jedoch auch dadurch erzielen lassen, daß man unter Beibehaltung der Kreisform der
Leitkurve etwa dem Eisenkern selbst einen nicht kreisförmigen Querschnitt gibt,
usw.
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Schließlich ist zu beachten, daß, wenn einmal die Rotation in der
einen oder anderen Drehrichtung in Gang gekommen ist, sie schon durch das Trägheitsmoment
der bewegten Massen erhalten bleibt und sich dabei bevorzugt auf eine Drehzahl einstellt,
die mit der Wechselstromfrequenz in Resonanz steht. Die Dämpfung der Drehbewegung
wird dabei überkompensiert durch die Energie der sich ständig wiederholend anschlagenden
Schwingungsstöße.
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Die erste der schematischen Figuren, Fig. 4, zeigt nochmals das in
Fig. 1 angewendete Antriebsprinzip bei ebenfalls beibehaltener Lagerung des Eisenkerns
in
einem Lager 10, das Drehungen um seine Längsachse und die Bewegung dieser
Achse innerhalb eines Kegels gestattet. Hier ist die Messingbuchse 2 weggelassen.
Sie ist entbehrlich, wenn man durch genügend weite Zurücksetzung der Magnetpole
N und S dafür sorgt, daß der Eisenkern bei seiner Bewegung nicht an diesen Magnetflächen
anschlägt und magnetisch daran festgehalten werden kann. Die primär entstehenden
Schwingungen des Eisenkerns 3 führen in diesem Falle zum Anschlagen an der inneren
Grenzkurve am hinteren Ende des Spulenkanals, so daß der Eisenkern auf dieser Kurve
als Leitkurve zum Abrollen kommt und dabei, wie beschrieben, gleichzeitig in Rotation
um seine Längsachse versetzt wird.
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Eine weitere Vereinfachung des Motors ist noch dadurch möglich, daß
man statt des bisher angenommenen weichen Eisenkerns als Anker einen stählernen,
bereits permanent magnetisierten Kern verwendet. Fig. 5 zeigt schematisch diese
Möglichkeit. Hierbei ist ein längsmagnetisierter stählerner Eisenkern angenommen,
und zwar nach Fig. 5 so gewählt, daß am freien Ende ein Südpol entsteht. Die Anordnung
eines besonderen Hufeisenmagnets erübrigt sich hierbei. Während derjenigen Wechselstromrichtung
nämlich, bei der der Kraftlinienfluß durch die Spule dem Fluß der Längsmagnetisierung
des Kerns gleichgerichtet ist, wird dieser Kern im wesentlichen in seiner Lage unbeeinflußt
bleiben, d. h. sich optimal axial einstellen. Beim Wechsel der Stromrichtung der
Spule aber tritt dann jedesmal eine Unstetigkeit ein, die eine Schwingbewegung des
freien Endes des Kerns zur Folge hat. Der Kern schlägt dabei gegen die Wand des
Spulenkanals und wird dort zurückgeworfen. Diese Anordnung besitzt sogar gegenüber
der in Fig. 1 bzw. dem Schema der Fig. 4 den Vorteil, daß die aus der Achse herausführende
Bewegung des freien Endes des Kerns nicht auf die Zeichenebene beschränkt ist. Hier
ist vielmehr jetzt jede aus der Achse herausführende Bewegung gleichberechtigt und
demgemäß auch eine leichtere Umlenkung der Schwingung in Rotation die Folge.
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Statt eines längsmagnetisierten Kerns kann aber auch ein quermagnetisierter
Stahlkern verwendet werden, wie dies durch das Schema der Fig. 6 veranschaulicht
wird. Auch bei dieser Anordnung wird sich der Kern immer so einzustellen versuchen,
daß er mit dem gleichmagnetisierten Ende, wie es durch die augenblickliche Stromrichtung
der Spule bedingt wird, in der Achse liegt. Wird also z. B. bei der in ; Fig. 6
angenommenen Magnetisierung durch den Wechselstrom in einem bestimmten Augenblick
am freien Ende des Kerns bzw. der Spule ein Nordmagnet erzeugt, so wird sich der
Kern so einstellen, daß die nordmagnetisierte Hälfte möglichst viel in die ; Richtung
der Längsachse der Spule fällt. Er wird sich also an seinem freien Ende in der Zeichnung
der Fig. 6 nach rechts neigen müssen. Dabei wird er wieder an die Innenwand des
Spulenkanals gestoßen, dort zurückgeworfen, um im nächsten Augenblick, t d. h. bei
der inzwischen umgekehrten Richtung des Spulenstroms, mit der Südhälfte in die Achse
gezogen zu werden, usw. Auch hier führen die ursprünglich eingeleiteten Neigungsschwingungen
solcher Art sehr rasch in die stabilere Rotationsbewegung über, bei t der wiederum
die Grenzkurve der Spuleninnenwandung zur Leitkurve für die Abrollbewegung des Kerns
wird. Den in den schematischen Fig. 4, 5 und 6 gezeigten Anordnungen ist somit gemeinsam,
daß der Anker an seinem freien Ende auf der inneren Begrenzungskurve des Spulenkanals
zum Abrollen kommt und dadurch in eine Drehbewegung um seine eigene Längsachse versetzt
wird. Es ist dies der Fall einer am freien Ende des Kerns fest vorgegebene Leitkurve
für diese Abrollbewegung, während am anderen Ende der anzutreibende Spielzeugteil
auf dem durch das Lager hindurchgeführten Zapfen des Kerns zum Festaufstecken vorgesehen
ist.
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Abweichend hiervon zeigen die Fig. 7 und 8 eine andere Antriebsart
des in Rotation zu versetzenden Spiegzeugteiles, der hierbei mit 12 bezeichnet
ist und ebenfalls aus einem Propeller bestehen kann. Der Teil 12 ist wiederum auf
das aus der Spule herausragende freie Ende 13 des Eisenkerns aufgesetzt,
und zwar mit diesem Ende nicht starr verbunden, sondern derart, daß sich der Teil
12 mit einer Bohrung 12 n dem Eisenkern gegenüber ohne Reibung frei
drehen kann.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 7 und 8 ist die Lagerung des
Ankers so gewählt, daß er frei beweglich in der Bohrung 14 eines Lagerplättchens
18 sitzt. Der Eisenkern kann sich daher mit seiner Längsachse sowohl in einem
kegelförmigen Raum umwälzen, der seine Spitze in der Bohrung 14 des Plättchens
18 hat. Der Kern kann sich außerdem zugleich aber auch um seine eigene Längsachse
drehen. An seinem freien vorderen Ende hat er dann als Leitkurve für seine Drehbewegung
den Innenrand 15
des Spulenkanals. Da der auch in diesem Falle um seine Längsachse
drehbar gelagerte Anker durch ein Abrollen auf der festen Leitkurve 15 in
eine Rotation um seine eigene Achse versetzt wird, nimmt er den ihm vorn lose aufgesetzten
Spielzeugteil 12 in seiner Drehbewegung entsprechend mit, so daß auch dieser mitrotiert.
Die Bohrung 12a ist nämlich innen so ausgeführt, daß sie dem sich drehenden
Anker gegenüber eine Reibung aufweist, die zu seinem Mitnehmen beim auftretenden
gegenseitigen Bewegungsspiel ausreicht. Der Spielzeugteil 12 könnte natürlich
auch fest auf dem Anker aufgesetzt vorgesehen sein, wie dies den Ausführungsbeispielen
nach Fig. 1 bis 6 entspricht.
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Entsprechend Fig. 4 ist in Fig. 7 das konstante Magnetfeld, wie schon
erwähnt, durch einen außerhalb der Spule am vorderen Ende ihres Eisenkerns angeordneten
kleinen permanenten Hufeisenmagnet 16, der die Pole N und S hat, geschaffen.
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Nach Fig. 8 ist analog der Ausführungsform nach Fig. 5 ein längsmagnetisierter
Stahlstab 17 als Eisenkern vorgesehen.
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Der Energiebedarf des der Erfindung entsprechenden Kleinstmotors ist
derart gering, daß man z. B. mit einem einzigen kleinen Klingeltransformator eine
recht große Anzahl von Kleinstmotoren der vorliegenden Art in Parallelschaltung
gleichzeitig betreiben kann. Zufolge ihrer einfachen, robusten Lagerung bedürfen
diese Motore selbst im Dauerbetrieb keinerlei besondere Wartung.