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Elektrospezialmotor mit automatischer Ein-Aus-Schaltung durch Rotorverschiebung
und Kontaktabhebung am Kollektor Gegenstand der Erfindung ist ein Elektrospezialmotor
mit bestimmten Eigenschaften in Hinsicht auf seine Fähigkeit einer automatischen
und programmatischen Schaltung des Motorstromkreises ohne die Verwendung von zusätzlichen
Mitteln und Anordnungen bei Motoren mit axialer Rotorverschiebung.
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Die axiale Rotorverschiebung zum Zwecke des Schaltens des Motorstromkreises
ist bekannt. Bekannt ist aber auch, daß das Schalten hier selbst nur bewirkt werden
kann durch die Verwendung zusätzlicher in der Regel kostenaufwendiger Mittel, wie
z. B. von Schaltvorrichtungen mit den sich zwangläufig ergebenden Nachteilen verschiedenster
Art. Durch den Ein-bzw. Anbau von Schaltvorrichtungen wird automatisch das Motorvolumen
vergrößert und damit das Motorgewicht erhöht. Der Raumbedarf wächst. Damit wiederum
ist die Verwendung des Motors eingeschränkt, in vielen Fällen (z. B. für Flugkörper)
nahezu ausgeschlossen. Die Schaltvorrichtungen selbst mit ihren Schaltern, Zeitgliedern,
Steuer- und Betätigungselementen, mit Hebeln, Nocken und ähnlichen Hilfen sind dauerndem
Verschleiß ausgesetzt, die oft komplizierte konstruktive Anordnung der Schaltvorrichtung
erschwert Wartungs- und Reparaturmöglichkeit. Die Schwierigkeiten bei der Herstellung
sind offenkundig.
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Ob in den genannten Fällen den Forderungen der technischen Gestaltungslehre
in Hinsicht auf hohe technische Wertigkeit und Schönheit der Form genügend Rechnung
getragen wird, erscheint zweifelhaft, die grundsätzlich gestellte Forderung hinsichtlich
minimaler Herstellungskosten ist nicht erfüllt.
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Die jahrzehntelangen Bemühungen um die Beseitigung dieser Nachteile
hatten einen nur bedingten und kaum befriedigenden, effektiven Erfolg. Der Versuch
z. B. der Einsparung einer innerhalb des Motors erforderlichen Ein- und Ausschaltvorrichtung
für den Motorstromkreis durch Abheben eines Schleifkörpers vom Kollektor erbrachte
lediglich die Einsparung eines Schaltkontaktes. Aber auch hier war zusätzlich mindestens
ein eventuell sogar isolierter Hebel erforderlich, der von außen her, meist noch
über weitere Zwischenglieder, zu betätigen war.
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Auch der Versuch, wenigstens eines dieser Zwischenglieder durch axiale
Rotorverschiebung einzusparen, kann lediglich als technische Teillösung, nicht aber
als ins Gewicht fallende Lösung in kostenmäßiger Hinsicht bezeichnet werden, um
so weniger, als immer noch zusätzliche Mittel, z. B. Hebel vom Steuerbetätigungs-
bis zum Abhebungspunkt eines Schleifkörpers, erforderlich waren.
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Aufeabe der vorlieLenden Erfindune ist es. einen Kollektormotor zu
schaffen, der über seine Grundfunktion als Antriebsmaschine hinaus in der Lage ist,
die Motorstromkreissehaltung ohne zusätzliche Aufwendungen und Mittel auszuführen.
Außerdem soll der Motor zur Ausführung exakter Regelvorgänge befähigt sein, z. B.
solcher, wie sie in der Brückenfunktion elektrischer oder mechanischer Regelkreise
bzw. in der Niveauregelung auftreten, und auch hier ohne zusätzliche Hilfen. Ein
Kollektormotor, vorzugsweise ausgerüstet mit einem Dauermagneten, wird in dem Brückenkreislauf
einer oder mehrerer automatischer Regelungen als Regelglied eingebaut. Er erfüllt
damit die Doppelfunktion des Antriebes und -durch axiale Ankerverschiebung in Verbindung
dieser mit der Kraft seines Magnetfeldes - die Funktion der Regelung, wobei ein
Waagezustand zwischen der Kraft des Motormagnetfeldes und einer auszuwägenden Kraft
im Regelkreis erreicht wird. Dabei nimmt der Motor selbst in seinem Inneren die
verlangte Schaltfunktion programmgemäß vor. Er benötigt dazu keine besonderen Aufwendungen,
Mittel oder zusätzlichen Bestandteile.
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Mit der vorstehenden Darstellung wird der bereits erfinderische Charakter
der Aufgabe hervorgehoben. Diese Eigenschaften werden erzielt durch geringfügige
Maßnahmen konstruktiver Art an einigen üblichen Bestandteilen, deren Anordnung zueinander
und deren Abstimmung aufeinander. Die Erfindung betrifft einen Elektrospezialmotor,
bei dem durch axiale Verschiebung der Rotorwelle die Ein- und Ausschaltung des Motorstromkreises
über den Kollektor und seine Schleifkontakte erfolgt. Bei einem derartigen Motor
besteht die Erfindung darin, daß die
Rotorwelle durch eine von außen
auf sie einwirkende, kontinuierlich oder impulsartig veränderliche Steuerkraft so
weit axial verschoben wird, daß der auf der Rotorwelle befindliche Kollektor mit
seinen Schleifkontakten in zunächst schwache Berührung kommt, die aber ausreicht,
um einen kleinen Rotorstrom fließen zu lassen, der zwar kein Drehmoment hervorruft,
jedoch durch stufen- und sprungartiges Ansteigen der magnetischen Wirkung zwischen
Stator und Rotor die Rotorverschiebung bis zur vollen Kontaktgabe der Schleifkontakte
und damit die Rotation des Rotors bewirkt, indem die Kollektorlamellen oder die
Schleifkontakte in dem einen Falle der Schaltung relativ zueinander heranbewegt,
in dem anderen Falle relativ zueinander entfernt werden. Das zum Zwecke der Schaltsicherheit
bisher üblicherweise verwendete Schaltersprungwerk wird ersetzt durch ein ähnlich
wirkendes, ein als erfindungsneu beanspruchtes System, das zwischen Rotorfeldmitte
und Statorfeldmitte wie »kinematisch angeschlossen« wirkt, wobei letztere als Fixpunkt
dient. Die Schaltersprungwerkvorrichtung wird gänzlich eingespart.
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Das Wesen der neuen Sprungfunktion ergibt sich aus der nachfolgenden
Beschreibung des Gesamtvorganges. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Hierin zeigt Fig. 1 den Motor in ausgeschaltetem Zustand,
Fig. 2 den Motor im eingeschalteten Zustand, Fig. 3 ein Schauhnienbild, Fig. 4 bis
6 Einzelteile der Schaltvorrichtung, Fig. 7 die Schaltvorrichtung in größerem Maßstab.
Es bedeutet 1 den Schleifkörper mit Schleitkörperträger, 2 die Andruckfeder, 3 den
Plankollektor, 4 den Raststützpunkt, 5 den Drehpunkt, 6 den Schleifkörperhalter
mit Anschiußlötöse, 7 die Andruckstellschraube, 8 das Lager, 9 und 10 die
Lagerschilde, 11 den Rotor, 12 den Statormagnet, 13 die Druckfeder, 14 die
Lagerschraube, IS den Federlagerstift, 16 die Unterlegscheiben.
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Erfindungsgemäß ist der Statormagnet im Gegensatz zu seiner üblichen
Betriebslage bei Kollektormotoren hier vorzugsweise auf die Kollektorseite zu axial
um einen geringen Betrag versetzt montiert (Fig. 1). Seine Feldmitte deckt sich
daher nicht wie in normaler Ausführung mit der Feldmitte des Rotors. Deshalb sucht
der Statormagnet den Rotor in sein Feld hineinzuziehen und hält ihn ständig unter
seiner Anziehungskraft, so daß der Rotor - axial beweglich - auf die Feldmitte in
das Statorfeld hineinstrebt, und zwar so weit, bis sein auf ihm fest angebrachter
Kollektor, hier erfindungsgemäß vorzugsweise als Plankollektor ausgebildet, auf
mechanischen Widerstand an den beiden Schleifkörperkontakten stößt.
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Der öbenerwähnte geringe Betrag, um den der Statormagnet gegen den
Rotor versetzt ist, erklärt sich darin, daß die Feldstärkenbeziehung dieser beiden
Magneten zueinander dann richtig eingestellt ist, wenn der Kollektor unter leichtem
und losem Andruck an die Schleifkörper gerade derart anliegt, daß ein geringer Stromfluß
durch den Rotor geht, der ihn magnetisiert und dadurch sprang- und ruckartig in
axialer Richtung auf die Schleifkörper zu in Bewegung versetzt, jedoch im Berührungsaugenblick
noch nicht zu drehen vermag. Erst unter nunmehr sich sofort anschließender gegenseitiger
Unterstützung des Anzugsmoments der beiden Teile, des ständigen Ansteigens des Kollektor-Schleifkörper-Kontaktdruckes
und damit des Stromes, geht der Kollektor noch schneller, aus seiner Axialbewegung
sich herausschraubend, in seine ihm eigentümliche Drehbewegung über, und zwar unter
ständig bis zum Maximum anwachsendem Drehmoment im Motor.
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Der Motor dreht sich dann so lange, bis durch sein entsprechend dem
Gegendruck der von außen auf seine Welle einwirkenden Kraft aufzubringendes Arbeitsquantum
annähernd Kräftegleichheit verursacht. Kurz vor Erreichung des Waagepunktes der
»Regelbrücke« beginnt der Kollektor infolge der einsetzenden Ankerverschiebung sich
von den Schleifkörpern zu lösen, der Rotorstrom sinkt ab; der Gegendruck löst endgültig
die Kontaktgabe, das Magnetfeld des Rotors bricht zusammen, und der Rotor eilt infolgedessen
sprungartig in seine Abschaltstellung. Stillstehend wartet er dann, das regulierende
Spiel aufs neue beginnend, den Einschaltvorgang ab.
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Dieser Vorgang bewirkt, daß die Kraft des Magnetfeldes dem Betrage
nach der auf die Rotorwelle wirkenden und auszuregelnden Gegenkraft im Verhältnis
1 : 1 während des gesamten Regelvorganges steht. Verändert sich dieses Verhältnis,
schaltet sich der Motorantrieb automatisch ein; auch eine nur geringe Abweichung
von diesem Verhältnis wird ausgeglichen. Die Vorteile z. B. bei Steuerungsvorgängen
in Raketen und anderen Flugkörpern sind offensichtlich.
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Um bei Bedarf den Arbeitsbereich verschieben zu können, welcher in
der Differenz zwischen einem Maximum- und einem Minimumbetrag (vergleiche Fig.3)
abläuft, ist zur Erleichterung der einmaligen Einstellung eine Druckfeder 13 zwischen
der Rotorwelle und dem Lager, abgewandt von der Kollektorseite, einzusetzen, die
von einer Stellschraube 14 auf den gewünschten zusätzlichen Andruck an die Schleifkörper
einjustiert ist. Diese Federkraft addiert sich zur Anziehungskraft des Stator- zum
Rotor-Magneten.
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Das Schaulinienbild in Fig.3 zeigt ein Regelbeispiel: Punkt A ist
durch die Stellschraube 14 einstellbar.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin die Einführung einer weiteren geringfügigen
Maßnahme, nämlich an der konstruktiven Ausgestaltung der Schlenörperteile, wichtig.
Damit der Kollektor sich beim Entfernen von den Schleifkörpern an einer genau definierten
mechanischen Stelle absetzen kann, sind die unter dem eigenen Federdruck stehenden
Schleifkörperträger mit leichtem Federdruck im Ausschaltmoment auf Raststützpunkte
gelegt, wie Fig. l bei 4 zeigt, sobald der Kollektor, sich entfernend, die Kontakte
löst. So wird eine genaue Ausschaltung erzielt und auch ein unerwünschtes »Wischen«
der Kontakte auf dem Kollektor verhindert; in der Hauptsache wird dadurch ein stets
gleichbleibender Kontaktabstand zwischen den Schleifkörpern und dem Kollektor gesichert.
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Vor dem Zusammenbau werden die Raststützpunkte 4 einmalig eingestellt,
so daß die Schleifkörper
gleichmäßig auf den Kollektor aufzuliegen
kommen. Dies geschieht durch justiermäßiges Verbiegen am Stützpunkt selbst. Soll
für bestimmte Zwecke ein zeitlich verschobenes Zustandekommen der Auflage der beiden
Schleifkörper am Kollektor vor sich gehen, so wird dementsprechend justiert. Nicht
unerwähnt sei, daß der richtige Auflagedruck durch eine von außen bedienbare Stellschraube
7 in Fig. 1 an der Schleifkörperfeder eingestellt wird. Der Auflagedruck muß geringer
sein als der Andruck des Rotors an die Schleifkörper im Einschaltfalle. Die-'Kontakte
werden dann durch den Kollektor von den Stützpunkten gerade abgehoben.
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Die Erfindung empfiehlt die vorzugsweise Verwendung eines Plankollektors
an Stelle der an sich möglichen, in der Ausführung dem Plankollektor analogen Verwendung
anderer, z. B. Walzenkollektoren. In diesem Falle allerdings werden zwei Stützpunkte
für je einen Schleifkörper erforderlich. Gegebenenfalls muß der Kollektor um ein
im Durchmesser gleiches Isolierteil verlängert werden, damit der Andruck der Schleifkörper
auf dem Kollektor erhalten bleibt. In der axialen Bewegung wird der Schaltvorgang
durch zusätzliche Reibung am Kollektor gestört. Deshalb ist der Plankollektor mit
im Ausschaltfalle freistehenden Schleifkörpern vorzuziehen. Es wird daher von einer
konstruktiven Beschreibung der Ausführung mit Walzenkollektor abgesehen.
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Um ein sehr leichtes Einstellen aller mechanischen Komponenten von
außen her durchführen zu können, werden die beiden Lager der Rotorwelle vorzugsweise
an ihrem äußeren Rand mit Gewinde versehen, so daß die Hin- und Herbewegung der
Welle in ihrem Abstand von Lager zu Lager zu justieren ist.
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In Fig. 1 sind 14 diese Lagerschrauben, auszuführen nach Belieben.
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Erfindungsgemäß ist, insbesondere für Klein- und Kleinstmotoren, die
Anordnung der konstruktiven Kombination der Partie von Kollektor, Schleifkörper,
Schleifkörperfeder, Lötanschluß, Andruckstellschraube und Lagerung der Feder 2 wegen
ihrer Anspruchslosigkeit an Material und Herstellungsaufwand von Bedeutung, insbesondere
die konstruktive Ausgestaltung der Teile selbst, als besondere Stanzteile ausgeführt,
gehört mit dazu. Ihre Einfachheit geht aus der Einzeldarstellung der Fig. 4, 5 und
6 hervor. Fig. 7 zeigt diese Partie in vergrößertem Maßstab. Für mittlere und größere
Motorentypen läßt sich aus dieser beispielsweisen Anordnung eine konstruktive Ableitung
leicht herstellen.
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Fig. 4 zeigt das Schleifkörperträgerblech mit Anschlußlötöse 6, Fig.
5 zeigt den Schleifkörperträger 1, Fig. 6 die Andruckfeder 2, Fig. 7 die vergrößerte
Zusammenstellung. Ergänzend sei schließlich dargelegt: Nicht übersehen werden darf,
daß bei der vorliegenden Erfindung die Drehleistung des Motors derart bemessen werden
kann, daß sie zusätzlich in der Lage ist, irgendeine neue mechanische Arbeitsleistung
auszuführen, z. B. beim Anschluß eines weiteren Verbrauchers an den Motor. In diesem
Falle ist es zweckmäßig, den Motor so zu dimensionieren, daß die oben beschriebene
Regeldrehleistung plus neuer zusätzlicher Verbraucherleistung im günstigsten Punkt
des Wirkungsgrades der Motorcharakteristik zu liegen kommt. Da die Regelleistung
mit zeitlichen Unterbrechungen erfolgt, kann es vorteilhaft sein, zwischen Motor
und zusätzlichem Verbraucher aus Gründen der Funktionsanpassung irgendeinen Kraftspeicher
einzuschalten.
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Daß sich das Kräfteverhältnis sowie Weg und Zeit, in gewissen Grenzen
beliebig für beide Funktionen getrennt veränderlich einstellbar oder vorausbestimmbar
in einer einzigen Konstruktion, und zwar ohne die Verwendung zusätzlicher Mittel,
vollautomatisch steuern läßt, darauf darf schließlich hingewiesen werden.