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Schaltungsanordnung zur Stabilisierung der Drehzahl eines Elektromotors
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung der Drehzahl
eines über einen Transistor gespeisten kollektorlosen, mit Dauermagnetläufer ausgerüsteten
Elektromotors, dessen Ständer eine im Ausgangsstromkreis des Transistors liegende
Erregerwicklung und eine Steuerwicklung trägt, mit Hilfe eines den Transistor steuernden
mechanischen Resonators.
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Eine bekannte, insbesondere zum Antrieb elektrischer Uhren bestimmte
Schaltungsanordnung dieser Art arbeitet mit einem vom Erregerstromkreis des Motorständers
sowie vom Steuerstromkreis des Transistors galvanisch vollständig getrennten Hilfsstromkreis,
welcher lediglich die Erregerwicklung des mechanischen Resonators sowie die Steuerwicklung
des Motors enthält. Auf diese Weise erhält der Motorläufer seine Antriebsimpulse
durch die Erregerwicklung lediglich indirekt über den schwingenden Resonator, der
entsprechende Steuerimpulse in der ihm zugeordneten und im Steuerstromkreis des
Transistors liegenden Steuerwicklung erzeugt. Daher läuft dieser Motor nicht selber
an, sondern zum Anlauf muß der Resonator zunächst von Hand oder auf andere Weise
in Vibration versetzt werden, um die erforderlichen Anlaufimpulse für den Motor
zu erzeugen. Bei einer anderen Ausführungsform dieser bekannten Schaltung bewirkt
der schwingende Resonator eine mechanische Schwingung der ihm zugeordneten Steuerspule,
so daß je nach der Motordrehzahl unterschiedlich starke Steuerimpulse dadurch erzielt
werden, daß der mechanische Abstand zwischen dieser Steuerspule und dem Dauermagnetläufer
verändert wird.
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Ferner sind Schaltungsanordnungen mit zwei Ständererregerwicklungen
bekannt, welche direkt durch Impulse beeinflußt werden, die in einer Steuerspule
des Resonators induziert werden. Auch bei dieser Schaltung muß der Resonator zunächst
zum Schwingen gebracht werden, bevor der Motor Erregerimpulse erhalten kann.
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Bei zusätzlich mit Schleifringen ausgestatteten Gleichstrommotoren
ist es ferner bekannt, zur Drehzahlstabilisierung eine Stimmgabel mit einer Erregerspule
zu verwenden, welche direkt über die Schleifringe in Abhängigkeit von der Drehzahl
erregbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
des eingangs beschriebenen Typs derart zu verbessern, daß beim Anlegen einer Spannung
zunächst ohne jegliche Mitwirkung des Resonators die Erregerwicklung des Ständers
erregt wird und demzufolge der Motor anlaufen und selbsttätig seine Drehzahl erhöhen
kann und daß erst dann, wenn die Motordrehzahl der mechanischen Resonanzfrequenz
des Resonators oder einer Unterharmonischen dieser Frequenz entspricht, der Resonator
die Steuerung der Motorerregung zwecks Stabilisierung der Drehzahl übernimmt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte Schaltungsanordnung
in einer Ausführungsform, bei der der Resonator eine Erregerwicklung aufweist sowie
eine Steuerwicklung, die im Steuerstromkreis des Transistors angeordnet ist, nach
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwicklung des Motors in Reihe
zur Steuerwicklung des Resonators und die Erregerwicklung des Resonators in Reihe
mit der Erregerwicklung des Motors angeordnet ist.
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In einer anderen Ausführungsform der eingangs genannten Schaltungsanordnung,
bei der der Resonator eine Erregerwicklung aufweist sowie eine Steuerwicklung, ist
nach der Erfindung die Steuerwicklung des Motors im Steuerstromkreis und die Erregerwicklung
des Resonators in Reihe zur Erregerwicklung des
Motors im Ausgangsstromkreis
des Transistors angeordnet; die Steuerwicklung des Resonators liegt im Steuerstromkreis
eines verstärkenden Hilfstransistors, dessen Ausgangsstromkreis sich über den Steuerstromkreis
des Transistors schließt.
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In einer noch anderen Ausführungsform der eingangs genannten Schaltungsanordnung,
bei der der Resonator eine im Steuerstromkreis des Transistors angeordnete Wicklung
aufweist, ist nach der Erfindung die Steuerwicklung des Motors in Reihe mit der
gleichzeitig als Steuer- und Erregerwicklung dienenden Spule des Resonators angeordnet.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen.
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Außer durch die Erzielung eines Selbstanlaufs zeichnet sich die Schaltungsanordnung
nach der Erfindung durch einen sehr einfachen Aufbau aus.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der schematisch
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen dargestellt sind.
Es zeigt F i g. 1 einen Motor, F i g. 2 einen Resonator, F i g. 3 eine den Motor
und den Resonator der F i g. 1 und 2 koppelnde Schaltungsanordnung, F i g. 4 eine
Variante zur Schaltungsanordnung nach F i g. 3, F i g. 5 Resonanzkurven zur Veranschaulichung
der Wirkungsweise des Resonators, F i g. 6, 7 und 8 weitere Varianten der Schaltungsanordnungen
nach F i g. 3 und 4.
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Nach F i g. 1 besteht der Motor aus einem mit Ständerpolen versehenen
Ständer 1 sowie einem im Luftspalt zwischen den Ständerpolen drehbaren Läufer 2,
der aus einem diametral magnetisierten Dauermagneten mit einem Nordpol
N und einem Südpol S
gebildet wird. Der Durchmesser dieses Läufers
ist sehr klein und beträgt beispielsweise nur einige Millimeter; auf diese Weise
ist es möglich, sehr hohe Drehzahlen bei einer nur verhältnismäßig geringen Leistungsaufnahme
zu erreichen.
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Der Ständer 1 trägt eine Erregerwicklung Ein sowie eine Steuerwicklung
Cm, die im Ausgangskreis bzw. im Eingangskreis eines Transistorverstärkers
liegen. Verschiedene Schaltungsanordnungen derartiger Transistorverstärker sind
in F i g. 3, 4, 6, 7 und 8 dargestellt.
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Die Änderung des magnetischen Flusses im Ständer während der Drehung
des Läufers induziert in der Steuerwicklung Cm eine Wechselspannung, die
in der erwähnten Verstärkerschaltung verstärkt und der Erregerwicklung
Ein zugeführt wird, die ihrerseits mit ihrem Wechselfeld den Läufer antreibt.
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Der in F i g. 2 dargestellte Resonator besteht aus einer Stimmgabel
3, deren Schwingungen in bekannter Weise mit Hilfe einer Steuerwicklung Cr und einer
Erregerwicklung Er elektromagnetisch aufrechterhalten werden, wobei die Steuerwicklung
Cr im Steuerkreis und die Erregerwicklung Er im Ausgangskreis desselben Transistors
liegt, über den auch der Motor gespeist wird.
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Beim ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
nach F i g. 3 liegen die Steuerwicklung Cm des Motors und Cr des Resonators
in Reihe im Eingangskreis des Transistors Tm, während die Erregerwicklung
Ein des Motors und die Erregerwicklung Er des Resonators in Reihe
im Ausgangskreis des Transistors Tm angeordnet sind. Ein Widerstand R liegt in Reihe
mit einem Kondensator C an einer Gleichstromquelle, deren einer Pol an den Emitter
des Transistors Tm und deren anderer Pol an die im Kollektorkreis liegenden Erregerwicklungen
Ein und Er angeschlossen ist, während der zwischen dem Widerstand
R und dem Kondensator C mündende Basiskreis durch den Widerstand R geeignet vorgespannt
wird.
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Die Wicklungen des Motors sind derart gewickelt, daß bei Drehung des
Läufers 2 in der Steuerwicklung Cm periodisch ein den Transistor Tm in den
leitenden Zustand schaltender Impuls erzeugt wird, woraufhin der Erregerstromstoß
durch die Wicklung Ein ein Magnetfeld erzeugt, das dem Läufer pulsierend
ein antreibendes Drehmoment erteilt. Solange der Motor eine Drehzahl außerhalb des
Resonanzbereichs des Resonators 3 besitzt, wird dieser Resonator nicht zum mechanischen
Schwingen angeregt und nimmt also keine Energie auf. Daher sind in diesem Fall nur
die normalen, im allgemeinen kleinen ohmschen und induktiven Widerstände der Resonatorwicklungen
maßgebend, so daß diese Wicklungen praktisch keine Wirkung ausüben. Der Motor wird
deshalb bis zu einer Drehzahl beschleunigt, die in der Nähe der Resonanzfrequenz
des Resonators liegt. Erreicht die Motordrehzahl einen der Resonanzfrequenz des
Resonators entsprechenden Wert, gerät der Resonator in Resonanzschwingung, und der
dann an der Resonatorerregerwicklung auftretende Spannungsabfall verringert den
Strom im Kollektorkreis des Transistors und damit durch die Erregerwicklung
Ein des Motors, was eine weitere Beschleunigung des Motorläufers verhindert.
Ferner sind die beiden Steuerwicklungen Cm des Motors und Cr des Resonators
derart geschaltet, daß die in ihnen induzierten Spannungen einander entgegengesetzt
gerichtet sind, so daß eine die Motordrehzahl stabilisierende Gegenkopplung zur
Steuerspannung des Motors entsteht.
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Zweckmäßigerweise wird nach F i g. 3 ein Kondensator Ca den
Steuerwicklungen parallel geschaltet, wodurch mögliche Hochfrequenzschwingungen
infolge einer induktiven Kopplung unterdrückt werden. Durch geeignete Dimensionierung
der Schaltung ist es außerdem möglich, den Resonator zu Oberschwingungen anzuregen
und die Drehzahl des Motors auf einem einer Unterharmonischen der Resonanzfrequenz
des Resonators entsprechenden Wert zu halten. Indem man ferner die Spannung an der
Steuerwicklung Cr des Resonators durch Veränderung ihres Widerstandes modifiziert,
kann man die stabilisierte Motordrehzahl in bestimmten Grenzen derart einstellbar
machen, daß beispielsweise ein Anwachsen der Reibung infolge der Alterung des Öls
kompensiert wird.
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In F i g. 5 sind schematisch zwei Resonanzkurven dargestellt, die
zwei verschiedenen Widerständen R 1
und R2 der Steuerwicklung entsprechen.
Die Stabilisierungsfrequenz f2 bei der dem Widerstand R2 entsprechenden Resonanzamplitude
liegt etwas höher als die Frequenz f l, die zu der größeren, dem Widerstand
R1 entsprechenden Resonanzamplitude gehört.
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In der Schaltungsanordnung nach F i g. 4 liegt die Steuerwicklung
Cr des Resonators im Steuerstromkreis eines verstärkenden Hilfstransistors Ts, dessen
Ausgangsstromkreis sich über den Steuerstromkreis des Transistors Tm schließt. Der
Kondensator Ca ist in diesem Fall der Steuerwicklung Cm des Motors
parallel geschaltet. Wenn der Resonator seine Resonanzfrequenz
erreicht,
dann wird der HilfstransistorTs periodisch in den leitenden Zustand geschaltet,
wodurch sich der Steuerstrom für den Transistor Tm entsprechend verringert, was
einer weiteren Beschleunigung des Motors entgegenwirkt.
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In F i g. 6, 7 und 8 sind weitere Varianten der Schaltungsanordnung
dargestellt, bei denen der Resonator nur eine einzige, im Steuerkreis des Transistors
Tm in Reihe mit der Steuerwicklung Cm des Motors liegende Wicklung Cr,
Er hat, welche gleichzeitig als Steuer- und als Erregerwicklung dient. Diese
Anordnung erlaubt eine bessere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Windungen
und damit eine wirtschaftliche Auslegung der Schaltung.
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Nach F i g. 6 liegt ein Kondensator Ca parallel zur Reihenschaltung
der Steuerwicklung Cm des Motors und der Basis-Kollektor-Strecke des Transistors.
Im Resonanzfall hat dann die in der Wicklung Cr, Er auftretende Spannung
eine derartige Phasenlage, daß die Steuerspannung des Transistors geschwächt und
damit die Drehzahl wiederum stabilisiert wird.
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In der Schaltungsanordnung nach F i g. 7 liegt ein Teil der Wicklung
Cr, Er des Resonators in Reihe mit einem Kondensator Ca parallel zur
Steuerwicklung Cm des Motors und der Basis-Kollektor-Strecke des Transistors Tm,
während in der Schaltungsanordnung nach F i g. 8 ein Kondensator Ca parallel
zur Reihenschaltung eines Teils der Wicklung Er, Cr des Resonators, der Steuerwicklung
Cm des Motors sowie der Basis-Kollektor-Strecke des Transistors geschaltet
ist.
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Die beschriebenen Schaltungsanordnungen haben eine besondere Bedeutung
für elektrische Uhren, da die kleinen Abmessungen des Läufers sowie das kleine Gewicht
eine Reduzierung der Leistungsaufnahme auf einige Mikrowatt erlauben. Da es außerdem
möglich ist, die Motordrehzahl auf einen Wert zu stabilisieren, der einer Unterharmonischen
der Resonanzfrequenz des Resonators entspricht, hat man eine bequeme Antriebsmöglichkeit
für die Zeiger der Uhr. Darüber hinaus lassen sich mechanische Resonatoren, wie
beispielsweise Stimmgabeln oder Torsionsschwinger, bequem in Uhren anwenden.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Uhrensektor beschränkt. Vielmehr
läßt sich die beschriebene Stabilisierung auf beliebige Motortypen anwenden, z.
B. auf Motoren in Stromerzeugergruppen, zum Antrieb von Registrier- und Programmiereinrichtungen
oder für Schallplattenspieler. Ferner können an Stelle einer Stimmgabel, wie sie
hier als Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, auch andere mechanische Resonatoren,
wie z. B. schwingende Stäbe oder Torsionsschwinger, verwendet werden, die den Vorzug
haben, daß sie einerseits sehr stabil sind und andererseits eine verhältnismäßig
kleine Resonanzfrequenz aufweisen.