-
Gleichstrommotor Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor, der
vornehmlich als Uhrenmotor Verwendung finden soll, so daß er auch durch eine einzelne
Trockenzelle betrieben werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
solchen Gleichstrommotor zu schaffen, der möglichst flach gebaut ist und vor allem
in jedem Augenblick und in jeder Stellung des Ankers das gleiche Drehmoment aufrechterhält.
-
Es ist bereits ein in erster Linie als Gleichstromzähler gedachter
Gleichstrommotor bekannt, der einen Feldmagneten mit mehreren symmetrischen Polen
und einen Anker mit mehreren gleichmäßig um seine. Achse angeordneten Wicklungen
hat. Bei diesem Motor ist die Zahl der Ankerwicklungen größer als die Zahl der Pole
des Feldmagneten, und die Polbegrenzungswinkel und die Winkelabstände der Wicklungen
sind so gewählt, daß jede Wicklung ständig mit dem Magnetfeld eines Pols verknüpft
ist. Ferner sind die Bürsten so ausgebildet, daß sie jeweils die mit einem Pol des
Feldmagneten gerade in Deckung stehende Wicklung über ihre Kommutatorlamellen kurzschließen.
Bei diesem Motor ist nun der Polbedeckungswinkel der Feldmagneten im wesentlichen
gleich dem Achswinkel der Wicklungen, und zwar zu dem Zweck, ein erhöhtes Drehmoment
zu erzielen. Durch diese Maßnahme tritt zwar auch eine gewisse Vergleichmäßigung
des Drehmomentes auf gegenüber anderen Gleichstrommotoren, die aber auch von einer
wirklichen Konstanz des Drehmomentes in jedem Augenblick und in jeder Ankerlage
noch weit entfernt ist. Für den Antrieb von Uhren ist deshalb der bekannte Motor
nicht zu verwenden.
-
Bei einem Gleichstrommotor mit einem mehrere symmetrische Pole aufweisenden
Feldmagneten und einem mehrere gleichmäßig um seine Achse angeordnete Wicklungen
tragenden Anker, bei dem die Zahl der Ankerwicklungen größer als die Zahl der Pole
des Feldmagneten ist und die Polbegrenzungswinkel und die Winkelabstände der Wicklungen
so gewählt sind, daß jede Wicklung ständig mit dem Magnetfeld eines Pols verknüpft
ist, und bei dem die Bürsten so ausgebildet sind, daß sie jeweils die mit einem
Pol des Feldmagneten gerade in Deckung stehende Wicklung über ihre Kommutatorlamellen
kurzschließen, wird jedoch eine wirkliche Konstanz des Drehmomentes dadurch erzielt,
daß erfindungsgemäß der Winkel zwischen den Polen des Feldmagneten gleich dem Achswinkel
der Wicklungen ist.
-
Das beruht darauf, daß das Drehmoment eines Gleichstrommotors in der
Weise von den Bedingungen des Magnetfeldes und des Ankers abhängt, wie in der nachstehenden
Formel zum Ausdruck kommt und durch die Erfindung verwirklicht ist: T=A-K-B-l-ni,
(1)
wobei
Hierin bedeutet: A = Zahl der Windungen, die bei Schneiden des Magnetflusses zur
Erzeugung der Drehkraft dient; T = Drehmoment; K =eine Konstante; B = Effektivwert
der Magnetfeldstärke; Z = Länge der Ankerspule, die mit dem Magnetfluß verkettet
ist; n = Anzahl der Wicklungen in der Ankerspule; E = Klemmenspannung; R = Widerstand
der Ankerspule; i = Strom in der Spule. Die Erfindung ist an Hand eines Beispiels
in den Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht den
teilweise aufgeschnittenen Erfindungsgegenstand; Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch
den Gleichstrommotor; Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den Motor längs der Linie
III-III der Fig. 2; Fig. 4 bis 6 sind Schemazeichnungen, die die Arbeitsweise der
Erfindung näher erläutern;
Fig.4 zeigt die Beziehung der Reihenfolge
der fächerförmigen Spulen mit dem Stromverlauf in einer bestimmten Stellung; Fig.
5 zeigt die Beziehung zwischen Stromverlauf fächerförmiger Spulen, die sich über
dem Feldmagneten befinden; Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen Stromverlauf und
fächerförmigen Spulen in dem Moment, in dem eine Spule gerade ganz über dem Feldmagneten
steht; Fig. 7 ist eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer Variante
des Erfindungsgegenstandes, . Fig. 8 ist ein Querschnitt durch die in Fig. 7 dargestellte
Ausführung.
-
In Fig. 1, 2 und 3, die eine beispielsweise Ausführung des erfindungsgemäßen
Ringmotors darstellen, umfaßt ein Gehäuse 20 die Platten 22 und 23, die durch die
Federhalter 34 an beiden Seiten des Zylinders 21 befestigt sind. Ein Feldmagnet
1, dargestellt durch einen Dauermagneten oder einen Elektromagneten. und
die magnetische Ringplatte 3 sind jeweils an den Endplatten 22 und 23 befestigt.
In dem Zwischenraum zwischen dem Feldmagneten 1 und der Magnetringplatte 3 dreht
sich ein Anker 2, der drei kernlose, fächerförmige Spulen Cl, C2 und C3 enthält,
die zwischen zwei dünnen Scheiben 24 und 25 gehalten werden und im Winkel von 120°
gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die gegenüberliegenden Pole N und S des
Feldmagneten 1, die der Magnetringplatte 3 gegenüberliegen, stellen Teile eines
Kreisringes mit dem inneren Durchmesser di und dem äußeren Durchmesser
da dar. Zwei Seiten der Oberfläche des Kreisringes bilden einen Winkel von
90° miteinander; die Schenkel dieses Winkels sind die Linien 27 und 28 (Fig. 4),
welche die Seiten der Poloberfläche mit der Mitte der Welle 26 des Ankers verbinden.
-
Jede der Ankerspulen Cl, C2 und C3 ist fächerförmig ausgebildet und
wird seitlich durch die geraden Teile 13 und 14 begrenzt. Die Mittellinien durch
diese Teile bilden jeweils, wie aus Fig. 4 besonders deutlich hervorgeht, einen
Winkel von 90° miteinander. Diese Geraden sind die wirksamen Teile der Spule, die
eine Verkettung des Magnetflusses über den Luftspalt hinweg ermöglichen.
-
Die Achse 26 ist mit dem Anker 2 verbunden und läuft durch die Öffnungen
4 und 9 des Magneten 1 und der Ringplatte 3 und wird in den
Endplatten 22 und 23 gehalten. Drei Segmente S1, SZ und S3 sind voneinander isoliert
und so auf der Achse vorgesehen, daß sie den Kommutator bilden. Die Bürstenpaare
blb2 und b3 b4 (Fig. 3) sind der Reihe nach mit Federfingern 5, 6, 7 und
8 verbunden, die mit den Polklemmen 9 und 10 Verbindung haben.
-
Bei einem so ausgebildeten Motor kann die magnetische Feldstärke in
der Formel (1) als im wesentlichen konstant angesehen werden, und zwar auf Grund
der einheitlichen Spulenlänge l und weil ferner do-di konstant ist, da der
Mittelpunkt des fächerförmigen Feldmagneten mit dem des Ankers zusammenfällt. Daraus
ergibt sich die geänderte Formel für das Drehmoment: T = KB Z-Ani.
(2)
Da ein Feldmagnet der Zweipoltype mit zwei Bürstensitzen gemäß der Erfindung
verwendet wurde, ist es einleuchtend, daß der Anker bei einer gegebenen Stellung
dieselbe Leistung erbringt wie bei einer um n verschobenen Stellung. Da der Anker
aus drei Spulen zusammengesetzt ist, hat jede Spule eine Phasenverschiebung um 2/;3
z. Dementsprechend sind die Spulen in einer gegebenen Stellung, z. B. in ihren Positionen
p, p + 2/3 -v und cp + 1/3 n in derselben Lage wie in der um 1/3 7r verschobenen
Stellung, z. B. in ihren Stellungen c, -E- 1/s ir, cp + z und T + °/3 ac.
-
Fig. 4 zeigt den Anker 2 mit den Spulen Cl, C2 und C3 in einer bestimmten
Stellung. Die Teile der Spulen, welche den Anker 2 bilden, dessen Drehkraft gleich
dem magnetischen Feld ist, sind die linke gerade Seite 13 der Spulen Cl und C2 und
die rechte gerade Seite 14 der Spule C3 (links und rechts vom Zentrum aus gesehen
und im folgenden auch so benannt). Der elektrische Strom in der Spule Cl ist i,
und die Spannung E ist ihm direkt zugeteilt. Die Spulen C2 und C3 sind in Serie
geschaltet und mit der Spannung E verbunden, so daß der Widerstand verdoppelt wird
und der Strom dementsprechend 1/2i wird. Da jede Spule dieselbe Anzahl von Windungen
n hat, ergibt sich folgende Formel: In i=ni+1/2ni+1/2ni=2ni.
-
Darin bezeichnet n i die Amperewindungszahl des linken Teils
der Spule Cl; 1/2ni die linke Seite der Spule C2 und ebenso die rechte Seite der
Spule C3.
-
Wenn sich der Anker 2 von dieser Stellung in Richtung des Pfeils 27'
weiterdreht, bleibt dieselbe Beziehung so lange, wie der linke Teil 13 der Spule
1 nicht außerhalb vom magnetischen Pol N kommt.
-
Fig. 5 zeigt, daß die Hälfte des linken Teils 13 der Spule 1 über
der Poloberfläche N und die Hälfte des rechten Teils 14 über der Poloberfläche S
steht. Sowohl der durch die die Feldmagneten N und S begrenzenden
Seiten als auch der durch die Mittellinien der Teile 13 und 14 der
Ankerwicklung 1 gebildete Winkel beträgt 90°. Daher geschieht es, daß in
dem Moment, in dem die linke Seite 13 der Spule Cl teilweise aus der Poloberfläche
N des Feldes herausgeht, der rechte Teil 14 der Spule Cl in gleicher Weise über
die Poloberfläche geführt wird. Wie in Fig. 5 gezeigt, werden in der linken Seite
13 die Hälfte der Amperewindungen vom Ende des einen Pols N des Feldes und auf der
rechten Seite 14 ebenfalls die Hälfte derselben vom Ende des anderen Pols
vorn geschnitten. Die Formel lautet dann: 1ni= 1/2ni+ 1/2ni+ 1/2ni+ 1/2ni=2ni, wobei
1/2hi der Reihe nach die Amperewindungen der rechten und der linken Seite Cl und
der linken Seite C2 und der rechten Seite C3 bedeutet.
-
Wenn die linke Seite der Spule Cl von der Poloberfläche N weggeht
und in derselben Zeit der rechte Teil ganz über die Poloberfläche S kommt, wird
dies im folgenden dargestellt: 1ni=ni+1/2ni+1/2ni=2ni. Hierbei bedeutet
n i die Amperewindungszahl des rechten Teils von Cl, und 'lyhi gibt die Amperewindungszahl
des linken Teils von C2 und des darauffolgenden rechten Teils von C3 an.
-
Wie in Fig. 6 gezeigt, dreht sich die Spule 3 weiter bis zu der Stellung,
in der ihr rechter Teil teilweise darüber hinaus und teilweise innerhalb der Poloberfläche
steht. In diesem Falle bleibt die Richtung des Magnetflusses dieselbe, aber die
Stromrichtung wird umgekehrt, so daß die Drehrichtungen von der rechten und
linken
Seite ins Gegenteil umwechseln und sich so gegeneinander aufheben. Das hat zur Folge,
daß das Drehmoment mit seiner graduellen Verminderung inkonstant wird. Um diese
Veränderung zu verhindern, sind die Bürsten so angeordnet, daß sie einen Winkel
haben, der groß genug ist, um den Strom von der Spule 3 abzusperren, in dem sie
im Kommutator einen Kurzschluß hervorrufen, während der Zeit, während der rechte
Teil der Spule 3 sich über die Poloberfläche N bewegt, und wenn er sie wieder verläßt.
In diesem Falle sind beide Spulen C,. und C2 direkt an die Spannung E angeschlossen,
so daß dort der Strom = i und in der Spule 3 de: Strom = o ist. Daraus ergibt sich
die Formel: 1ni=ni-',-ni=2ni. Hierin bezeichnet n i die Amperewindung des
rechten Teils der Spule Cl und des linken Teils der Spule C2 der Reihe nach. Die
Formelsumme n1 = 2ni hält in jeder der dargestellten Stellungen die Konstanz
aufrecht. Auch die Formel (2) beweist diese Konstanz und damit, daß das Drehmoment
in jedem Moment konstant ist.
-
Fig. 7 zeigt eine geänderte Form der Erfindung, in der der Anker in
Form eines Zylinders aus nichtmagnetischem Material hergestellt ist. Die Welle 29
und ein Kommutator, der auf der Welle in einer entsprechenden Stellung angebracht
ist, sind mit dem Anker verbunden. An der Peripherie 30 des zylindrischen Ankers
28 sind drei Spulen Cl,, C2, und C3,, die voneinander getrennt sind, im Winkel von
120° zueinander angeordnet und haben dementsprechend dieselbe Umdrehungszahl. Ein
Dauermagnet 31 ist im Anker durch geeignete Mittel festgehalten. Die Welle 29 wird
durch einen nicht gezeichneten Achsenträger gehalten und führt durch die mittlere
Öffnung32. Die äußere Umhüllung des Ankers 28 ist mit einem Magnetkörper 33 bedeckt.
Beide Poloberflächen N und S des Magneten 31 werden durch einen Teil der Umhüllung
geformt. Der Ringbogen, der Zylinderanker 28 und der Magnetzylinder 33 haben ihren
Mittelpunkt in derselben Achslinie mit der Welle 29. Fig. 8 zeigt, daß wie in Fig.
4 die Verbindungslinien der beiden Ecken jeder Poloberfläche N und S mit der Mittelachse
der Welle 29 einen Winkel von 90° bilden. Außerdem bilden auch jeweils die Mittellinien
durch die sich seitlich in Achsrichtung erstreckenden Teile der Spulen Cl, C2 und
C3 mit dem Zentrum je einen Winkel von 90°.
-
Die Anordnung und die Bedienung von Kommutator, Bürsten und Spulen
erfolgt in gleicher Weise, wie dies in Fig. 1 bis 6 dargestellt ist. Dementsprechend
kann der Ringmotor in der geänderten Form ebenso mit einer geringen Umdrehungsgeschwindigkeit
arbeiten und hält dabei ein konstantes Drehmoment in derselben wie in der ebenso
beschriebenen Weise allzeit aufrecht.