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Polarisierter Synchron-Kleinstmotor Die Erfindung bezieht sich auf
einen polarisierten Synchron-Kleinstmotor mit zwei konzentrisch zueinander angeordneten
Ständern in Klauenpolbauart und einem dazwischen angeordneten Dauermagnetläufer.
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Bei einem bekannten Motor dieser Art sind die beiden konzentrisch
zueinander angeordneten Ständer in Drehrichtung räumlich um 90' el gegeneinander
versetzt. Jeder Ständer besteht aus einer ringförmigen Spule, die von auf beiden
Stimseiten des Ständers befindlichen Ständerpolblechen umgeben ist, welche an der
dem Läufer zugekehrten Seite als Polzacken ausgebildet sind. Dadurch ergibt sich
ein magnetischer Kreis, der nur an den Polzacken einen Luftgpalt aufweist. Zwischen
den beiden Ständern ist ebenfalls konzentrisch ein glockenförmiger Dauermagnetläufer
angeordnet, der als Ringzylinder- oder als Mühlradläufer ausgeführt sein kann. Charakteristisch
für einen derartigen Läufer ist, daß er radiale Magnetisierungen abwechselnder Polarität
besitzt, die sich über die Länge des Läufers erstrecken, so daß in Bewegungsrichtung
gesehen am Außen- und am Innenmantel des zylinderförmigen Läufers Nord-oder Südpole
abwechseln. Da ein solcher Motor an sich keine eindeutige Drehrichtung hat, kann
eine eindeutige Anlaufdrehrichtung des Läufers dadurch erhalten werden, daß entweder
eineni der beiden Ständer oder beiden Ständern ganz oder zum Teil der Charakter
eines Motors mit Haupt- und Hilfsphase aufgedrückt wird. Zur Bildung der Hilfsphase
können in an sich bekannter Weise Kondensatoren oder Kurzschlußwicklungen benutzt
werden. Auf diese Weise kann dem Motor nicht nur ein eindeutiges Anlaufverhalten
gegeben werden, sondern er kann meist durch eine einfache Umschaltung als Umkehrmotor
verwendet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Motor, der
sehr gute Laufeigenschaften und ein sehr hohes Drehmoment hat, derart auszubilden,
daß er noch weitere Funktionen, z. B. die eines Relais oder einer Kupplung' erfüllen
kann. Es sind bereits Motoren bekannt, die außer ihrer normalen Drehfunktion noch
die Funktion eines Relais od. dgl. ausüben können. Bei einem bekannten Synchronmotor
dieser Art ist zwischen dem Rotor und der abgehenden Welle des Motors eine elektrisch
steuerbare Kupplung vorgesehen, die bei an Spannung liegender Feldwicklung ein-
und bei fehlender Spannung ausgerückt ist. Die Kupplung liegt hierbei im magnetischen
Kreis des Stators. Sie wird durch Teilung des Kerns in einen feststehenden und einen
axial beweglichen Teil gebildet, wobei letzterer die Schalthandlung veranlaßt. Ferner
wurde bei polarisierten Motoren mit einer Ständerspule vorgeschlagen, den den magnetischen
Rückschluß bewirkenden Ständer-Eisenkreis an einer Stirnseite derart aufzutrennen,
daß sich ein konzentrisch zur Motorachse liegender Luftspalt ergibt, der von einem
konzentrisch zur Läuferachse angeordneten Hubanker bei Anlegen der Spannung an die
dem aufgetrennten Kreis zugeordnete Ständerspule unter Axialverschiebung des Ankers
überbrückt wird. In diesem Zusammenhang ist auch bereits vorgeschlagen worden, daß
zur Vermeidung von Brummgeräuschen phasenverschiebende Belastungsmittel im magnetischen
Kreis angeordnet sind.
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Die gleiche Aufgabe wird bei einem polarisierten Synchron-Kleinstmotor
mit zwei konzentrisch zueinander angeordneten Ständern dadurch gelöst, daß beide
den magnetischen Rückschluß bewirkende Ständer-Eisenkreise an einer Stirnseite des
Motors derart aufgetrennt sind, daß sich konzentrisch zur Motorachse liegende Luftspalte
ergeben, die von einem konzentrisch zur Läuferachse angeordneten Hubanker bei Anlegen
der Spannung an die den aufgetrennten Kreisen zugeordneten Ständerspulen unter Axialverschiebung
des Ankers überbrückbar sind. Die Axialverschiebung des Ankers kann in an sich bekannter
Weise zur Auslösung oder Betätigung eines Schalt-, Steuer-, Bremsglieds od. dgl.
dienen.
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An Hand der nachfolgenden Beschreibung mehrerer in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele wird die Erfindung erläutert. Es zeigt
F ig.
1 eine Schnittansicht eines zum Teil dargestellten Motors, wobei Einzelheiten
weggelassen sind, Fig. 2 eine Schaltungsanordnung der Ständerwicklungen mit einem
Kondensator in der Hilfsphase, F i g. 3 eine konstruktive Durchbildung eines
solchen Motors, F i g. 4 einen Teil einer Schnittansicht eines Motors mit
vollbelastetem Innenständer.
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Mit 1 ist die Läuferachse bezeichnet, auf der ein glockenförmiger
Läufer 2 befestigt ist. Er hat einen konzentrisch angeordneten Polkranz
3, der auf einem scheibenförmigen Flansch 4 aus unmagnetischem Material befestigt
ist. Der Polkranz 3 kann aus einzelnen Dauermagneten oder als Ringzylinder
mit aufma-netisierten Polen bestehen. Ein solcher Polkranz weist über die Länge
radial magnetisierte Pole auf, deren Polarität in Bewegungsrichtung wechselt, so
daß am Außen- und am Innenmantel des zylinderförmigen Läufers Nord- und Südpole
abwechseln. Die Befestigung der Pole bzw. des Polkranzes auf dem Flansch 4 kann
durch Aufkleben erfolgen.
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Dem Läufer 2 ist ein Innenständer 5 und ein Außenständer
6 zugeordnet. Jeder Ständer hat eine Spule 7 bzw. 8. Sie sind
von Ständerpolblechen 9, 10
bzw. 11, 12 umschlossen. An den dem Läufer
zugekehrten Enden der Ständerpolbleche 9 bis 12 sind Pole 13 und 14
ausgebildet, die in an sich bekannter Weise klauenförmig ineinandergreifen. Der
Eisenkreis des Innenständers ist durch eine Nabe 36 aus ferromagnetischem
Material geschlossen. In ihm ist die L:äuferachse 1 auf Folien gelagerL Die
auf konzentrischen Polkreisen angeordneten Pole 13 und 14 der beiden Ständer
5 und 6 sind gegeneinander in Drehrichtung um 90' el versetzt.
Vorzugsweise sind sämtliche 2p-Pole auf dem Innen-und Außenständer ausgebildet,
so daß der Motor bei optimal gewähltem Läuferdurchmesser sein maximales Drehmoment
abgibt.
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Wie F i g. 1 zeigt, weist jeder der beiden Eisenkreise
9, 10, 36 bzw. 11, 12 eine Trennstelle 15 bzw. 16 auf. Da die
magnetischen Kreise voll auf,- getrennt sind, liegen die Trennstellen auf konzentrischen
Kreisen. Die Ränder der Trennstellen sind in Achsrichtung aufgebördelt und in einem
geeigneten Trägermaterial 17 eingegossen, welches gleichzeitig eine tragende
Verbindung zwischen den Ständern 5 und 6
herstellt. Den Trennstellen
15 und 16 ist ein auf der Achse 1 axial beweglicher Anker
18 zugeordnet. Er wird mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Feder
in einem bestimmten Abstand von den Ständerblechenden an den Trennstellen
15 und 16 gehalten. Beim Einschalten der Ständerspulen wird durch
das an den Trennstellen 15 und 16 herausquellende magnetische Feld
eine Kraftwirkung auf den Anker 18 ausgeübt, so' daß er sich in Achsrichtung
bewegt und den Luftspalt schließt. Hierbei ist es von Vorteil, daß ein ganz geringer
Restluftspalt verbleibt. Gleichzeitig läuft dann der Motor in der gewünschten Drehrichtung
an. Die Axialverschiebung des Ankers kann beispielsweise zur Auslösung oder Betätigung
eines Schalt-, Steuer-, Bremsgliedes od. dgl. dienen. Die Verwendung eines solchen,
mehrere Funktionen ausübenden Motors kann sehr vielseitig sein. Beispielsweise läßt
er sich bei Schaltuhren und Zeitrelais mit besonderem Vorteil verwenden. Diese Schaltgeräte
können dann ganz erheblich vereinfacht werden. Die Lagerung der Ankerscheibe
18 kann verschieden gestaltet sein. F i g. 1 stellt lediglich das
Prinzip dar. Bei dieser Ausführung wird die Motorachse 1 mit Hilfe der fest
auf der Achse 1 angeordneten Scheiben 19 axial bewegt. Bei polarisierten
Motoren ist es aber zweckmäßiger, wenn die Ankerscheibe 18 auf einer verschiebbaren
Muffe auf der Achse 1 gelagert ist, so daß der Läufer 2 an der Axialverschiebung
nicht teilnimmt.
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F i g. 2 zeigt ein bekanntes Schaltungsbeispiel für die Ständerwicklungen
eines solchen Motors. Mit 7
und 8 sind wiederum die Ständerwicklungen
bezeichnet. Mit Hilfe eines Kondensators 20 kann eine elektrische Verschiebung um
90' zwischen den Flüssen der Ständer 5 und 6 vorgenommen werden.
Da die Pole der beiden Ständerwicklungen um 90' räumlich versetzt sind, ergibt
sich je nach der Stellung des Schalters 21 ein rechts- oder linksdrehendes zirkulares
Drehfeld.
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Die bei dem Einschalten der Spulen 7 und 8 auf den axial
beweglichen Anker 18 ausgeübte Kraft ist infolge der 90'-Phasenverschiebung
der Ständerflüsse wie bei einem Gleichstromrelais zeitlich stets konstant. Daher
kann das bei Wechselstromrelais gefürchtete Brummen nicht auftreten. Der Motor weist
also sowohl in seiner Motor- als auch in seiner Relaisfunktion ideale Verhältnisse
auf. Dadurch, daß der Hubanker 18 nicht satt auf den Ständergegenpolen aufliegt,
sondern ein kleiner Luftspalt verbleibt, ist das remanente Ankerkleben verhindert.
Dieser Restluftspalt kann bei dem gewählten Ausführungsbeispiel mit Hilfe der Vergußmasse
gebildet sein. Ein weiterer Vorteil einer solchen Luftspaltausbildung besteht darin,
daß man die Pole bei genügend großem Luftspalt nicht mehr zu überschleifen und den
Hubanker nicht mehr zu planieren braucht, wie es sonst bei Wechselstromrelais
üb-
lich ist.
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F i g# 3 zeigt eine etwas andere Ausführung eines Motors, wobei
wirkungsmäßig gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in F i g. 1 und
2 versehen sind. Ein wesentlicher Unterschied gegenüber der Ausführung nach F i
g. 1 besteht darin, daß der scheibenförinige Anker 18 nicht auf der
Motorachse 1, sondern auf einem Flansch 22 eines die Stirnseiten der Ständer
abdeckenden Gehäusedeckels 23 axial beweglich gelagert ist. Der Deckel
23 besteht aus unmagnetischem Material, vorzugsweise aus Kunststoff. Die
Schaltbewegung kann hierbei an einem an der Ankerscheibe 18 angeordneten
Zapfen 24 abgenommen werden. An der Ankerscheibe 18
können mehrere solcher
Zapfen 24 vorgesehen sein. Sie treten durch öffnungen 25 des Deckels
23 nach außen. Der Anker 18 wird mit Hilfe einer Feder 26,
die
nur zum Teil dargestellt ist, in seiner Endstellung gehalten. Während der Innenständer
5 in fast gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i
g. 1 ausgeführt ist, weist der Außenständer 6 erhebliche konstruktive
Unterschiede auf. Die Außenpole 27 sind aus einem an der anderen Stirnseite
des Motors angeordneten Polblech 28 gefertigt, das praktisch den Motor einseitig
abschließt. Den magnetischen Rückschluß des Außenständers bilden ein zylinderförmiger
Teil 29 und ein ringförmiger Teil 30 aus ferromagnetischem Material.
Die den ersteren Polen gegenüberliegenden Pole sind vorzugsweise aus Einzelteilen
gefertigt und auf einem Kunststoffträger 32 befestigt. Die Einzelpole können
aber auch
durch einen Ring 31 miteinander in Verbindung stehen.
Beim Einschalten der Spule 8 wird der Anker 18 angezogen und schließt
den zwischen den Teilen 30 und 31 befindlichen Luftspalt. Durch aus
dem Kunststoffträger 32 herausgearbeitete Nasen 33
wird ein sattes
Aufliegen der Ankerscheibe an den Teilen 30 und 31 verhindert. In
ähnlicher Weise wirkt die Nase 34, die ein sattes Aufliegen des Ankers
18 auf den ferromagnetischen Teilen 35, aus welchen die einen Pole
des Innenständers gefertigt sind, und dem nabenförmigen Teil 36 verhindert.
In dem nabenförmigen Teil 36 ist mit Hilfe von Lagern 37, 38 die Motorachse
1 drehbeweglich gelagert.
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Bei den in F i g. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen
ist in bekannter Weise ein Kondensator zur Bildung einer Hilfsphase verwendet. Je
nach der gewünschten Drehrichtung wird der Kondensator entweder der einen oder anderen
Ständerwicklung vorgeschaltet. Der Kondensator stellt gegenüber dem Motor ein relativ
teueres Bauelement dar, auf das man aern verzichten möchte. Gemäß einer von anderen
polarisierten Synchron-Kleinstmotoren mit zwei koaxial angeordneten Klauenpolständem
her bekannten Bauart wird daher an Stelle eines Kondensators zur Bildung der Hilfsphase.
bei einem der beiden Ständer eine Kurzschlußwindung in Form einer Kupferbrille verwendet.
Da mit einer derartigen Maßnahme nur eine Phasenverschiebung von 45' el möglich
ist, müssen dementsprechend die Pole der beiden Ständer um 135' el mechanisch
gegeneinander versetzt sein.
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F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem gemäß der bekannten
Anordnung mit Hilfe eines rohrförmigen Belastungsringes 40 der Innenständer belastet
ist. Der übrige Aufbau des Motors ist gleich wie in F i 1. An Stelle des
inneren Ständers kann auch der außere Ständer belastet sein. Auch bei dieser Motorausführung
besitzen beide Ständer 2p-Pole. Da einer der Ständer belastet und der andere unbelastet
ist, versteht sich von selbst, daß bei einer derartigen Motorausführung nur eine
Drehrichtung möglich ist. Eine Umkehr der Drehrichtung kann nach einem älteren Vorschlag
aber dadurch vorgenommen werden, daß die Polarität einer der beiden Spulen bei Aufrechterhaltung
der Polarität der anderen Spule umgekehrt wird.
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Oft ist es erwünscht, daß nicht nur die Drehrichtung umgekehrt
wird, sondern daß der Motor auch mit zwei verschiedenen Drehzahlen läuft. Das kann
gemäß einem weiteren Vorschlag dadurch vorgenommen werden, daß jeder der beiden
Ständer Gruppen von belasteten und unbelasteten Polen aufweist, wobei jedem Ständer
eine Drehrichtung und eine bestimmte Drehzahl zugeordnet ist. Die Belastung der
einzelnen Pole und Polgruppen kann in an sichbekannterWeise durch ring-, rohr- und/oder
scheibenförmige Belastungsbrillen vorgenommen werden. Bei dieser Ausführung wird
mit Hilfe eines Umschalters entweder die Spule des äußeren oder die Spule des inneren
Ständers an Spannun- gelegt. Hierbei kann es zweckmäßig sein, daß der jeweils nicht
mit Wechselstrom beschickte Ständer mit Gleichstrom gespeist wird. Damit wird die
drehmomentvermindernde Wirkung der normalerweise nicht mit Wechselstrom erregten
Spule praktisch aufgehoben und zugleich dem Anker eine Gleichstromkomponente erteilt.
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Ein solcher Motor stellt also nicht nur zwei verschiedene Drehzahlen
mit gleichen oder verschiede.-nen Drehrichtungen zur Verfügung, sondern auch eine
axiale Hubbewegung.