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Synchronmotor für eine elektrische Uhr Die Erfindung bezieht sich
auf einen Synchronmotor für den Antrieb der Zeiger oder des Räderwerks einer elektrischen
batteriebetriebenen Uhr.
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Es sind elektrische batteriebetriebene Uhren bekannt, bei denen mit
Hilfe von Schwingquarzen elektrische Schwingungen relativ hoher Frequenz erzeugt
und über Frequenzleilerschaltungen Synchronmotore angetrieben werden. Diese Uhren
benötigen eine sehr sorgfältige Wartung. Sie scheiden daher aus dem Bereich allaemeiner
Gebrauchsuhren aus.
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Zum Zweck des Batteriebetriebes sind bekannte Federaufzugsuhren derart
eingerichtet, daß ein Aufzugsmagnet in crewissen Zeitabständen die Zuafeder nachspannt.
Die von der Batterie gelieferte Energie Z, el wird hierbei schubweise in
der Zugfeder gespeichert und dann über das Räderwerk zur Erhaltung mechanischer
Schwingungen dem Gangregler zugeführt. Der Aufzugsmagnet wird durch ein Kontakt-System
betätigt, welches durch das Uhrwerk selbst gesteuert wird. Fehlerhafte und verschmutzte
Kontakte verursachen daher oft Gangstörungen. Außerdem unterliegt die Energieübertragung
auf ihrem Weg über das Räderwerk mannigfachen Einflüssen, so daß eine gleichmäßige
Energiezufuhr nicht immer gewährleistet ist, woraus dann Schwingungen resultieren,
die nicht zeitengleich sind.
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Es sind weiterhin elektrische Uhren bekannt, die mittels Rückkopplungsgeneratoren
verschiedener Bauart elektrische Schwingungen erzeuggen, die zum Antrieb von Synchronmotoren
dienen.
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So ist beispielsweise ein Uhrenantrieb bekannt, bei welchem unruhelos
mittels einer Transistor-Oszillator-Schaltung ein Synchronmotor angetrieben wird.
Der Synchronmotor ist mit mehreren Spulen ausaerüstet, und die Induktivitäten sind
zu Bestandteilen einer Oszillatorschaltung gemacht, deren Frequenz von LC-Kreisen
bestimmt wird. Hie,-bei ist in dem Motor eine transformatorische, derRückkopplung
dienende Kopplung zwischen den einzelnen Spulen vorhanden, und es werden Sperrschwinger
angewandt, die sägezahnartige Schwingungen erzeugen und naturgemäß zu einem instabilen
Verhalten neiaen. Es sind daher besondere Stabilisierungsmaßnahmen erforderlich.
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Bekannt ist es ferner, solche Rückkkopplungsgeneratoren durch Fremdsignale,
beispielsweise durch das Streufeld des Lichtnetzes, synchronisierend zu beeinflussen.
Hierzu ist jedoch ein ziemlich teurer Schaltungsaufwand sowie eine Antenne zum Empfangen
des Synchronisationsstreufeldes erforderlich. Außerdem arbeiten diese Anordnungen
mit sehr schnell laufenden Synchronmotoren, welche wiederum ein stark untersetzendes
Zeigergetriebe, also eine Vielzahl bewe#flicher und störanfälliger Teile er-C fordern.
Darüber hinaus ist festzustellen, daß die in dem Synebronmotor selbstinduzierte
EMK rückwirkend, und zwar störend, auf ein Transistor-Schwincrungssystem einwirkt,
indem der laufende Motor, der ausschließlich über seine Erregerwicklung direkt oder
indirekt mit den Schwingkreisen gekoppelt ist, immer versucht, die Arbeitsfrequenz
von der Betriebs-Soll-Frequenz wegzuziehen, wozu eben jene, diesem Umstand entgegenwirkenden,
obengenannten Stabilisierungsmaßnahmen mittels des Netzsignals erforderlich sind.
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Weiterhin ist es bekannt, durch Oszillatorschaltung mittels Transistoren
den Stator eines Ferrarisläufers zu speisen, um hierdurch schrittweisen Unruhantrieb
zu erzeugen. Hier werden zwei Schwinaungssysteme, ein elektronisches und ein mechanisches,
zum Antrieb von Uhrzei-ern verwandt.
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Bei einer anderen bekannten Anordnuna werden zwei über e'nen Rotor
miteinander induktiv in Verbindung gebrachte und üb#er einen Transistor als Verstärker
calvanisch zusammengeschaltete Spulen derartgesteuert,daßdureliAufschaukelungbeimDrehbeginn
des Rotors und tangentialer Veistellbarkeit dei-Hilfsspule, eine bestimmteArbeitsfrequenz
erzieltwird. Zwei Transistoren sollen als Polwechsler -e,#entaktlieh die gleiche
Schaltungsarbeit übernehmen, wobei die Bestimmuno, der Arbeitsfrequenz in der vorgeschilderten
Weise stattfindet. Eine zum Antrieb von Uhrzeigern erforderliche stete Regelmäßigkeit
ist damit schwerlich zu erreichen.
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Bekannt ist es ferner, zur Steuerung einer Uhr zwei besondere LC-Kreise
zu verwenden, die induktiv miteinander gekoppelt sind.
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Auch eine Schaltungsanordnung für kollek-torlose Motoren ist bekannt,
wobei der Motor zum Antrieb oder der Steuerunc, elektrischer Uhren d;ent. Der laufende
Rotor erzeugt eine Wechselspannung, die einen Transistor derart steuert. daß die
erzeugten
Gleichstromimpulse über eine Arbeitsspule einen Motor
antreiben. Dies ist insofern nachteilig, als der Rotor leicht in eine unkontrollierbare
Drehung geraten kann, da die Steuerspannung am Transistor vom Rotor selbst abhängt,
und es wäre erforderlich, Korrekturglieder in Form von mechanisch schwingenden Teilen
zusätzlich vorzusehen, wodurch die Hauptvorteile einer elektrischen Uhr gegenüber
Uhren mit einer Unruhe schon beispielsweise verlorengehen.
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Schließlich sei zum Stand der Technik noch angeführt, daß es bei Synchronmotoren
allgemein bekannt ist, einen topfförmigen Stator zu verwenden. Bekannt war dies
auch bei einer Synchronuhr.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Synchronmotor für
den Antrieb der Zeiger oder des Räderwerks einer batteriegespeisten Uhr zu schaffen,
mit dem bei günstigem Wirkungsgrad ein geringer Stromverbrauch erzielbar ist. Dies
hat für batteriegespeiste Uhren große Bedeutung, da man einen möglichst langen Betrieb
der Uhr mit einer Batterie anzustreben versucht.
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Der Synchronmotor für den Antrieb der Zeiger oder des Räderwerks einer
elektrischen batteriebetriebenen, keinen mechanischen Gangordner aufweisenden Uhr,
deren Betriebsspannung von einer Transistor-Oszillator-Schaltung mit LC-Schwingkreisen
als zeitschaltendem Element erzeugt wird, deren beide Induktionsspulen innerhalb
des topfförmigen Statorgehäuses mit enger Kupplung aufeinander angeordnet sind,
ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Statorgehäuse zwei mit radialem
Abstand einander gegenüberliegende, mit je zwei um eine halbe Polteilung
gegeneinander versetzt angeordneten Polschuhreihen versehene Statorpolringe aufweist
und der Rotor mit stabförmigen, in axialer Richtung gleichnamig magnetisierten,
parallel zueinander liegenden Dauermagneten zwischen die Polschuhreihen hineinragt.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Synchronmotors gestattet, seine Ab-
messungen
zu reduzieren und einen besonders gleichmäßigen Betrieb bei hohem Drehmoment aufrechtzuerhalten.
Es wird eine hohe Polfelddichte erreicht, und außerdem werden die magnetischen Verluste
reduziert. In vorteilhafter Weise sind die Polzonen der Dauermagnete derart ausgebildet,
daß der Magnetfluß an den Seitenrändern der Magnete austritt, d. h., der
Magnetfluß ist an den Stirnseiten der Dauermagnete unterdrückt. Der Rotor selbst
kann zweckmäßigerweise in Form einer Glocke und zur Reduzierung der Rotormasse aus
Kunststoff ausgebildet sein, an deren Umfang in gleichmäßigem Abstand die Dauermagnete
angeordnet sind.
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An Hand der F i g. 1 bis 3 wird ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Synchronmotors und seine Wirkungsweise näher erläutert. Es
zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch den Synchronmotor mit einem Schaltschema
für seine Betriebsspannungserzeugung, F i g. 2 eine Draufsicht auf den Synchronmotor
in Richtung der Rotorachse, wobei die Rotorglocke teilweise weggelassen ist, F i
g. 3 schematisch einen Dauermagnet.
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Der von einer Batterie 1 gelieferte Gleichstrom speist einen
Sinusgenerator, der durch einen Transistor 2 gesteuert wird. Die Schwingkreisinduktivität
ist zugleich Erregerspule 4 und 5 und Statorgehäuse 3, 3
a, 3 b eines Synchromriotors. Die Induktionsspulen 4 und
5 sind mit enger Kopplung innerhalb des topfförmigen Statorgehäuses auf dessen
Achse 3 b angeordnet. Das Zeitnormal besteht aus der Resonanzfrequenz des
LC-Schwingkreises dieses Sinusgenerators. Sie wird bestimmt durch die
Ab-
messungen der Induktionsspulen 4 und 5, des Stators 3, 3
a, 3 b sowie durch die Kapazitäten der Kondensatoren
6 und 7. Die Induktionsspule 4 dient auch zur Ankopplung,
d. h., der beim Einschalten der Batterie 1 auftretende Gleichstromimpuls
läßt den Sinusgenerator anschwingen. Die sinusförinige Wechselspannung des Schwingkreises
ist durch die Induktionsspulen 4 und 5 sowie die Kondensatoren
6
und 7 Creteilt. Durch die Festle-un- der Windun-szahlen C der Induktionsspulen4
'"' und ä 5 ist ein bestimmtes transformatorisches Verhältnis eingestellt.
Mit diesem Verhältnis wird die für die Erzeugung des Statorwechselfeldes günstigste
Spannung der Spule5 erzielt. Diese Wechselspannung, die gleichzeitig auch zur Aufrechterhaltung
und Verstärkung zur Basis rückgekoppelt wird, ist bei 8 zur Erzielung einer
unverzerrten Sinuskurve durch die kapazitive Teilung der Kondensatoren
6 und 7 in ihrer Höhe genau festgelegt. Durch die Gesamtkapazität
der Kondensatoren wird das »C« des Schwingkreises bestimmt.
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Zur genauen Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors2 wird eine
negative Vorspannung über die Widerstände 9 und 10 der Basis zugeführt.
Die Feineinstellung kann durch den regelbaren Widerstand 10 erfolgen.
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Durch die hohe Selbstinduktion des fast geschlossenen topfförmigen
Eisenkerns des Statorgehäuses 3, 3 a, 3 b, der beispielsweise
aus einem hochpermeablen, nickellegierten Weicheisen besteht, und die hohe Stromverstärkung
des Transistors2 entsteht in dem ringförmigen Luftspalt zwischen den Statorgehäuseteilen
3 und 3 a ein starkes magnetisches Wechselfeld. In den Luftspalt ragt
der glockenförmige, vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Rotor 11 hinein.
Der Rotor 11 ist mit der Welle 12 in der Mitte gelagert. Die Welle 12 dient
auch zum Antrieb der Zeiger oder des Räderwerkers der Uhr. An dem Umfang des Rotors
sind in gleichmäßigen Ab-
ständen stabförmige Dauermagnete 13 parallel
zueinander angeordnet. Diese bestehen beispielsweise aus leichtem oxydischem Werkstoff.
Sie sind in axialer Richtung gleichnamig magnetisiert, d. h., in der einen
axialen Richtung sind alle Nordpole und in der entgegengesetzten Richtung alle Südpole
wirksam. Die Polzonen der Dauermagnete 13 sind in vorteilhafter Weise derart
ausgebildet, daß der Magnetfluß an den Seitenrändern der Magnete austritt,
d. b., der Magnetfluß ist an den Stimseiten der Dauermagnete unterdrückt
(F i g. 3).
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Das Statorgehäuse weist zwei mit radialem Ab-
stand einander
gegenüberliegende, mit Polschuhreihen 14, 15, 16 und 17 versehene
Statorpolringe auf. Die Polschuhreihen 14, 15, 16 und 17 besitzen
je Reihe die gleiche Anzahl Zähne, wie der Rotor 11 Dauermagnete aufweist.
Sie sind aber um eine halbe Polteilung gegeneinander versetzt, d. h., daß
einem Zahn der Reihe 14 ein Zahn der Reihe 17 und einem Zahn der Reihe
16 ein Zahn der Reihe 15 gegenübersteht. Zur Erzielung eines besseren
Einlaufdrehmomentes können außerdem die beiden Statorgehäuseteile 3 und 3a
ein wenig gegeneinander verdreht sein.
Beim Einsetzen des Wechselfeldes,
beispielsweise Nordpolung der Polzahnreihen 14 und 15 und Südpolung der Polzahnreihen
16 und 17, werden alle Nordpole der Dauermagnete 13 von den
Zähnen der Reihe 14 abgestoßen. aber die Südpole der Dauermagnete von den Zähnen
der Reihe 15 angezogen. Gleichmäßig erfolgt dieser Vorgang im umgekehrten
Sinn bei den inneren Polzahnreihen, d. h., die Südpole der Dauermagnete
13 werden von den Zähnen der Reihe 17 abgestoßen und die Nordpole
der Dauermagnete 13' durch die Zähne der Reihe 16 angezogen. Jetzt
hat der Rotor 11 die nächste Halbteilung erreicht. Das Statorfeld polt um,
und der ganze Vorgang wiederholt sich nun in umgekehrter Weise. Nach kurzer Zeit
kommt der Rotor11 schließlich in den Synchronumlauf. Die vorstehend geschilderten
Vorgänge spielen sich dann in fließender Folge ab. Dabei liegt das Maximum des Statorfeldes
beider Richtungen 19 jeweils zwischen zwei Polzahnpaaren in der Mitte des
Übergangs der Rotor-Dauermagnete 13. Das von den Dauermagneten induzierte
Feld ist dem Arbeitsfeld des Stators in Richtung und Phase genau gleich. Die Summe
aller gleichgerichteten Einzelwirkungen ergibt das Drehmoment des Rotors. Seine
Drehzahl pro Zeiteinheit wird von der Frequenz des Wechselfeldes bestimmt. Bei einem
vollen Sinuswechsel bewegt sich der Rotor um eine Teilung weiter. Beträgt beispielsweise
die Frequenz des Sinusgenerators 48 Hz und die Anzahl der Dauermagnete
13 vierundzwanzig, so ergeben sich zwei volle Umdrehun 'gen pro Sekunde.
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Die Grobeinstellung der Arbeitsfrequenz erfolgt bei festgelegten Werten
der Kondensatoren 6 und 7
durch Abgleich der Windungszahlen der Spulen
4 und 5 unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Höhe der Rückkopplungsspannung,
die auch durch das Windungszahlenverhältnis der Spulen 4 und 5
mitbestimmt
wird. Die Feinregulierung kann durch einen in die Emitterzuleitung des Transistors
2 eingefügten regelbaren Widerstand 18 erfolgen.