DE1261242C2 - Zeigerwerksantrieb fuer eine batteriegespeiste, selbstaendige uhr mit einem kommutatorlosen motor - Google Patents

Description

zusätzlichen Synchronmotors mit einem Impulserzeuger für die Synchronisierung mit der Netzfrequenz, ergeben sich hierbei die folgenden Schwierigkeiten:

Der Leistungsüberschuß des Motors darf mit Rücksicht auf die Forderung, mittels des magnetisch gekoppelten Blattfederschwingers synchron weiterzulaufen, nur ganz gering gewählt werden, wobei auch die Batteriespannung auf einen sehr konstanten Wert gehalten werden muß. Beim Betrieb der Anlage als Nebenuhr hat der Motor daher praktisch keine Leistungsreserve und bleibt schon bei der geringsten Belastungszunahme, z. B. beim Zeigerstellen entgegen der Zeigerdrehrichtung, stehen. Wird andererseits ein höherer Leistungsüberschuß des Motors gewählt, so ist es unmöglich, bei Fortfall der Synchronisierungsspanrrung die Anlage als selbständige Uhr weiterzubetreiben, da die vorgesehene Hemmung durch den mit dem Rotor magnetisch gekoppelten Blattfederschwinger eine nur geringe Antriebsbegrenzung darstellt und der Motor eine erheblich höhere Drehzahl als die synchrone Drehzahl annimmt.

Nach einem anderen Stand der Technik (FR-Zusatz-PS 68 406, Fig. 19) erhält der Zeigerwerksmotor einen kräftigen, aus lamelliertem Weicheisen bestehenden Stator mit einer Steuer- und einer Antriebsspule, wobei der permanentmagnetische Rotor über seine Polschuhe hinaus axial verlängert ist. An dem Stator des Motors sind ferner zu beiden Seiten des Rotors je ein Blattfederschwinger vorgesehen, an deren Enden je ein Permanentmagnet befestigt ist, der in geringem Abstand über dem verlängerten Rotor liegt. Als Stromquelle wird ein in dem Arbeitskreis des Transistorschaltverstärkers gelegener Akkumulator oder eine Trockenbatterie benutzt. Für den Betrieb als Nebenuhr dient ein Netztransformator mit einer Sekundärwicklung, die über eine Diode parallel zu der Steuerspule des Motors geschaltet ist. Außerdem ist ein Widerstand zwischen dem einen Pol der beiden Wicklungen und der Basis des Transistors vorgesehen. Der von dem Transistormotor erzeugten Steuerspannung kann somit die Netzfrequenz überlagert werden, so daß der Motor mit der Netzfrequenz synchronisiert wird. Fällt die Netzfrsquenz aus, so läuft der Motor infolge der Selbststeuerung seines Eigenantriebes weiter, wobei die Blattfederschwinger seine Drehzahl stabilisieren.

Auch diese Einrichtung stellt, soweit sie als selbständige Uhr arbeiten soll, nur eine Behelfsuhr mit geringer Ganggenauigkeit dar, deren Wirkungsgrad sehr klein und deren Empfindlichkeit gegenüber Spannungsschwankungen der Stromquelle und gegenüber Temperaturschwankungen sehr groß ist.

Bei einem anderen Stand der Technik (FR-Zusatz-PS 68 406, Fig. 20) wird der Zeigerwerksmotor wie ein üblicher Synchronmotor betrieben und sein Weicheisenjoch nur mit einer Erregerspule versehen, wobei diese Erregerspule parallel zu der Antriebsspule eines batteriegespeisten transistorgesteuerten Blattfederschwingers liegt. Dieser Blattfederschwinger taucht mit einem Magneten in seine Antriebsspule und mit einem gegenüberliegenden Magneten in eine Steuerspule eines Transistorschaltverstärkers ein. Koaxial zu der Steuerspule ist eine Synchronisierungsspule vorgesehen, die über eine Diode mit der Sekundärwicklung eines Netztransformators in Reihe geschaltet ist. Es handelt sich hier um eine nahezu selbständige Uhr, die mit einer Frequenz von 50/3 Hz betrieben wird und die durch das Wechselstromnetz mit 50 Hz synchronisiert werden kann, dabei wirkt abwechselnd ein Antriebsimpuls der Synchronisierungsspule und ein Antriebsimpuis der An-

triebsspule auf den Magneten des Blattfederschwingers ein.

Diese Uhr hat im Prinzip die gleichen. Eigenschaften wie die im vorausgehenden beschriebene. Bei Ausfall der Netzfrequenz läuft sie infolge der Selbststeuerung des Blattfederschwingers als selbständige Uhr weiter, wobei sie jedoch wegen der geringen Schwingungsgüte des Blattfederschwingers, dessen große Empfindlichkeit gegenüber Sparmungsschwankungen der Stromquelle, Temperaturschwankungen und Belastungsänderungen des Zeigerwerksmotors nur eine für eine selbständige Uhr nicht tragbare geringe Ganggenauigkeit aufweist. Durch den mit einem Weicheisenjoch versehenen Synchronmotor hat sie außerdem einen geringen Wirkungsgrad.

Es ist ferner speziell für die Versorgung des Bordnetzes eines Schiffes mit zeitgenauen Wechselspannungsimpulsen bekannt (FR-Zusatz-Ps 73 591, Fig. 1 bis 3), zum Antrieb eines am Eingang einer Verstärkeranlage vorgesehenen kleinen Impulsgene-

as rators einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor vorzusehen, dessen Stator ebenfalls eine als Luftspule ausgebildete Steuer- und Antriebsspule aufweist, die mittels einer Batterie und eines Transistorschaltverstärkers den Motor in Umdrehungen halten. In dem Arbeitskreis dieses Transistors liegt die Bmitter-Kollektor-Strecke eines zweiten Transistors, in dessen Steuerkreis eine von einem transistorgesteuerten Unruhschwinger mittels eines kleinen Magneten beaufschlagte Steuerspule liegt. Die Anlage ist so ausgelegt, daß durch eine Drucktaste der Arbeitskreis dieses zweiten Transistors kurzgeschlossen wird, wodurch der Motor von selbst anläuft. Nach Öffnen dieser Drucktaste wird der Motor durch den Unruhschwinger synchronisiert.

Dieser Motor dient ausschließlich zum Antrieb eines Impulserzeugers für eine Nebenuhranlage und hat somit eine konstante Belastung. Aus Sicherheitsgründen wird er mit einem hohen Leistungsüberschuß gebaut und von einem kräftigen Akkumulator betrieben. Dieser Leistungsüberschuß wird nach dem Anlassen des Motors durch den in den Arbeitskreis des Motors in Serie geschalteten zweiten, von dem Unruhschwinger gesteuerten Transistor so weit reduziert, daß er mit synchroner Drehzahl umläuft.

Der mit dieser Anlage verbundene technische Aufwand spielt wegen der großen Zahl der von einer solchen Uhrenzentrale angetriebenen Nebenuhren nur eine untergeordnete Rolle. Für eine selbständige batteriebetriebene Einzeluhr wäre er nicht tragbar.

Nach einem anderen Stand der Technik (FR-Zusatz-PS 73 591, Fig. 13) dient zum Antrieb des Zeigerwerks einer Uhr ein mit einem permanentmagnetischen Rotor versehener kollektorloser Motor, dessen Stator in einem magnetischen Zweig einen Permanentmagneten und in einem zweiten magnetischen Zweig eine Antriebsspule aufweist. Diese Antriebsspule liegt im Arbeitskreis eines batteriebetriebenen Transistorschaltverstärkers, in dessen Steuerkreis eine Generatorspule liegt, die von einem sich selbst steuernden batteriebetriebenen Drehschwinger Steuerimpulse erhält. Der Rotor des Zeigerwerksmotors ist ferner mit einem weiteren permanentmagnetischen Rotor versehen, der in einer Ge-

neratorspule Impulse zum eventuellen Betrieb von Nebenuhren erzeugt. Umgekehrt ist koaxial zu der Antriebsspule des Stators eine zweite Spule vorgesehen, die mit Spannungsimpulsen beschickt werden kann, um diese Uhr auch als Nebenuhr betreiben zu können.

Durch das verwendete Weicheisenjoch dürfte dieser Zeigerwerksmotor jedoch nur einen geringen Wirkungsgrad aufweisen, so daß es kaum möglich erscheint, das Zeitnormal und den Zeigerwerksmotor zusammen, z. B. ein Jahr, mit einer Trockenbatterie zu betreiben. Bei einem solchen Motor bestehen auch Schwierigkeiten, ihn vom Stillstand auf synchrone Drehzahl zu bringen und zu verhindern, daß er bei Belastungsstößen außer Tritt fällt und dann stehenbleibt.

Nach einem anderen Stand der Technik (FR-Zusatz-PS 67134, Fig. 1 bis 4) dient zum Zeigerwerksantrieb einer Uhr ein kollektorloser Gleichstrommotor, dessen Rotor einen Permanentmagneten enthält Und dessen aus lameliiertem Weicheisen bestehender Stator mit einer Steuer- und einer Antriebsspule versehen ist, die über einen batteriebetriebenen Transistorverstärker den Rotor in Umdrehungen halten können. Zur Stabilisierung der Rotordrehzahl dient ein als Unruhschwinger ausgebildeter Permanentmagnet, der über dem Motor angeordnet und mit dessen Rotor magnetisch gekoppelt ist. Der Stator dieses Motors ist ferner mit einer dritten Spule versehen, die wahlweise zur Synchronisierung der Motordrehzahl durch ein von einem anderen Zeitnormal stammende Wechselspannung oder als Generatorspule zur Erzeugung einer solchen Wechselspannung benutzt werden soll. Durch einen Regelwiderstand im Arbeitskreis des Transistorschaltverstärkers soll der Einfluß von Spannungsänderung auf die Motordrehzahl ausreguliert werden.

Als selbständige Uhr ist dieser Vorschlag wegen der unzureichenden Gangstabilität des magnetisch gekoppelten Unruhschwingers praktisch unbrauchbar. Die Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Batteriespannung dürfte, abgesehen von dem schlechten Wirkungsgrad, so groß sein, daß auch hier ein Betrieb als selbständige Uhr nicht möglich erscheint.

Es ist auch bekannt, bei einer batteriebetriebenen selbständigen Uhr (CH-PS 3 28 504, Fig. 3) mit einem Unruhschwinger als Frequenznormal und einem kollektorlosen Gleichstrommotor für den Zeigerwerksantrieb den Unruhschwinger mit einer Steuer- und einer Antriebsspule über einen Transistorschaltverstärker in Selbststeuerung anzutreiben und den Zeigerwerksmotor als reinen Synchronmotor zu betreiben, desen Erregerspule in Reihe zu der Antriebsspule des Schwingers gelegt ist.

Abgesehen von dem Nachteil, daß in dem aus Permanentmagneten und Weicheisenblechen bestehenden Stator und Rotor des Synchronmotors hohe Verluste auftreten, ist die Ganggenauigkeit einer solchen Uhr in hohem Maße abhängig von der Batteriespannung, der Temperatur und der Motorbelastung. Auch bereitet es Schwierigkeiten, den Zeigerwerksmotor auf synchrone Drehzahl anzuwerfen, wobei es praktisch unmöglich erscheint, bei laufender Uhr das Zeigerwerk nachzustellen, da schon geringe Belastungsänderungen bei einem solchen schwachen Synchronmotor- genügen, um ihn außer Tritt mit der Impulsfrequenz und damit zum Stillstand zu bringen.

Es ist ferner bekannt (CH-PS 3 46 827), bei einer mit einem Schwerependel bzw. einem Drehpendel ausgerüsteten selbständigen Uhr eine als Sperrschwinger ausgebildete Antriebsschaltung mit einer 5 oder zwei Steuerspulen vorzusehen, zu welcher bzw. welchen in Reihe eine Diode geschaltet ist, durch die Steuerimpulse mit unerwünschtem Vorzeichen unterdrückt werden. Bei dieser Schaltung hat man gleichsinnig zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors eine Diode unmittelbar an die Pole von Basis und Emitter des Transistors angeschlossen. Da an dieser Diode immer die gleiche Spannung wie an der Basis-Emitter-Diode des Transistors liegt und im praktischen Fall die Charakteristik dieser Diode von der Charakteristik der Basis-Emitter-Diode des Transistors immer verschieden ist, läßt sich durch eine derartig geschaltete Diode eine gezielte Beeinflussung der Arbeitsweise des Transistors nicht erreichen. Mit einer solchen Antriebsschaltung läßt sich die Ganggenauigkeit einer Uhr bezüglich Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen und Änderungen der Betriebsspannung praktisch nicht verbessern. Eine solche Uhr benötigt außerdem für den Zeigerwerksantrieb ein besonderes mechanisches Schaltgetriebe.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden (älteres Recht DT-PS 11 81 278), dadurch den Strom in der Arbeitswicklung eines selbstgesteuerten Uhrenantriebsmotors weitgehend konstant zu halten, daß zwisehen eine Anzapfung der Antriebsspule des Motors und des die Antriebsspule schaltenden Transistors eine gleichsinnig zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors gepolte Diode geschaltet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zeigerwerksantrieb für eine batteriegespeiste, selbständige Uhr mit einem kommutatorlosen Motor zu schaffen, der bei einem einfachen und daher preisgünstig herstellbaren Aufbau einen hohen Wirkungsgrad aufweist, dessen Leistungsabgabe in hohem Maß unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen und Änderungen der Betriebsspannung ist, der unempfindlich gegenüber Belastungsschwankungen des Motors ist, der sich sehr gut durch die von dem Frequenznormal gelieferten Synchronisierungsimpulse synchronisieren läßt, wobei er auch bei einer relativ geringen Anzahl von Magnetpolen des Rotors ein sehr gleichmäßiges Antriebsmoment liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerspule, die Antriebsspule und die Synchronisierungsspule als Luftspulen ausgebildet sind, daß die Synchronisierungsspule und die Antriebsspule derart angeordnet und gepolt sind, daß auf den Rotor abwechselnd ein Antriebsimpuls der Synchronisierungsspule und ein Antriebsimpuls der Antriebsspule einwirken, daß zur Erzeugung der impulsförmigen Synchronisierungsspannung ein mit wenigstens einem Permanentmagneten versehener Schwinger dient, der in einer feststehenden Steuerspule periodisch Steuerimpulse induziert, die nach Verstärkung in einem Transistor einer den Schwinger antreibenden Antriebsspule und der hierzu in Reihe geschalteten Synchronisierungsspule des Motors zugeführt werden und daß zwischen der Basis des Transistors des Schwingers und der Verbindungsleitung zwischen der Antriebsspule des Schwingers und der Synchronisierungsspule des Motors und zwischen der Basis des Transistors des Motors und einer Anzapfung der Antriebsspule des Motors je

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eine gleichsinnig zur Basis-Emitter-Strecke des ent- einer derartigen Anordnung eine selbständige Uhr

sprechenden Transistors gepolte Diode geschaltet ist. mittels einer Trockenbatterie von 1,5 Volt langer als

Durch die Verwendung eisenloser Luftspulen so- ein Jahr zu betreiben. Bei der geringen Kapazität

wohl für die Steuer- und Antriebsspule als auch für einer solchen Batterie bedeutet dies, daß für den ge-

die Synchronisierungsspule wird in Verbindung mit 5 meinsamen Betrieb von Motor und Schwinger nur

der Verwendung eines permanentmagnetischen Ro- eine mittlere Leistung von weniger als 1 Milliwatt

tors ein hoher Wirkungsgrad des Motors erzielt. Die benötigt wird.

Parallelschaltung einer gleichsinnig zu der Emitter- Schutz begehrt wird nur für die Gesamtheit der

Basis-Strecke des Transistors gepolten Diode zwi- Merkmale des Anspruchs 1 sowie für die Merkmale

sehen der Basis des Transistors und einer Anzap- ₁₀ des Anspruchs 2 in Verbindung mit ihrer Rückbezie-

fung der Antriebsspule ergibt oberhalb einer vorgege- hung auf Anspruch 1.

benen unteren Grenzspannung der Spannungsquelle Die Erfindung wird an Hand von in den Zeicheinen relativ niederohmigen Nebenschluß zu der nungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher Emitter-Basis-Strecke des Transistors, was bewirkt. erläutert. Es zeigt

daß die durch die Selbststeuerung erzielte Antriebs- 15 Fig. 1 eine Seitenansicht eines mit einem Motor

leistung des Motors auf eine praktisch nicht ver- und einem Unruhschwinger als Gangordner versehe-

größerbare Leistung beschränkt bleibt. Bei der durch nen elektrischen Uhrwerkes nach der Erfindung,

das Zeigerwerk der Uhr vorgegebenen Belastung Fig. 2 einen Querschnitt nach II-II in Fig. 1

kann er daher so ausgelegt werden, daß die von ihm durch den Motor,

selbst erzeugte Leistung eine Drehzahl des Rotors ₂₀ F i g. 3 die elektrische Schaltung des Uhrwerkes

ergibt, die von vornherein etwa der synchronen Dreh- nach Fig. 1,

zahl entspricht. Fig. 4 eine Variante des Motors nach Fig. 1

Die Verwendung eines Schwingers, bei dem par- und 2 mit einem sechspoligen Rotor,

allel zur Steuer- und Antriebsspule eine in Durch- F i g. 5 und 6 eine weitere Variante des Motors

laßrichtung zur Basis-Emitter-Strecke gepolte Diode 25 nach F i g. 1 und 2 mit einem vierpoligen Rotor,

geschaltet ist, ergibt, daß dieser auch bei größeren F i g. 7 eine andere Ausführungsform des Motors

Schwankungen von Temperatur und Betriebsspan- nach der Erfindung.

nung eine konstante Antriebsleistung erzeugt, die zu In F i g. 1 ist mit 1 eine vordere Werkplatte beeinem Teil zum Antrieb des Schwingers selbst und zeichnet, die mit Aussparungen 2, die zur Befestizum anderen Teil zur Synchronisierung des Zeiger- 30 gung des Uhrwerkes dienen, versehen ist. Die Werkwerksmotors dient. Durch die vorgesehene Serien- platte 1 weist zwei nach hinten abgebogene Lappen 3 schaltung der Synchronisierungsspule zu der An- auf, auf denen eine Welle 4 gelagert ist, auf welcher triebsspule des Schwingers außerhalb des durch die ein zylindrischer, zweipoliger, diametral magnetisier-Diode vorgesehenen Nebenschlusses ergibt sich fer- ter Dauermagnetanker 5 (Fig. 1, 2) eines kommuner, daß die Belastungsschwankungen des Motors, 35 tatorlosen Motors befestigt ist. Zur Einstellung der die sich als Ankerrückwirkungen auf die Synchroni- Lage der Welle 4 ist in den unteren Lappen 3 eine sierungsspule und damit auf den Synchronisierungs- Lagerschraube 6 eingeschraubt. Der Motor weist Stromkreis auswirken, im vorliegenden Fall sich nicht weiterhin eine eisenlose Statorwicklung 7 auf, die aus auf den Schwinger auswirken können. Der Schwin- einer Steuerspule 8, einer Antriebsspule 9 und einer ger zeigt daher eine sehr große Frequenzkonstanz, 40 Synchronisierungsspule 10 besteht. In F i g. 2 sind wodurch auch der Zeigerwerksmotor mit der gleichen die Statorspulen 8, 9, 10 als getrennte Wicklungen großen Drehzahlkonstanz umläuft. dargestellt, sie können jedoch auch ineinander-

Durch das Merkmal, den selbst erzeugten An- gewickelt sein, d. h., beim Wickeln können die

triebsimpuls des Motors und den Synchronisierungs- Drähte parallel geführt sein. Die O-förmige, den

impuls gegenphasig auf den Rotor einwirken zu las- 45 Rotor S umschließende Statorwicklung 7 ist an der

sen, ergibt sich ferner ein gleichmäßiger Antrieb des oberen und unteren Stirnseite nach hinten abgekröpft

Rotors, so daß dessen Trägheitsmoment klein gehal- und an der Welle 4 vorbeigeführt, so daß die Welle 4

ten werden kann. bei ihrer Drehung durch die Statorwicklung 7 nicht

Gegenüber den selbständigen batteriegespeisten behindert ist. Auf der Welle 4 des Motors ist eine Uhren mit einem Schwingermotor und mechanischer 50 Schnecke 11 befestigt, welche mit einem Zahnrad Zeigerwerksfortschaltung ergibt sich der Vorteil der 12, das auf der vorderen Werkplatte 1 und einer hinpraktisch völligen Geräuschlosigkeit. Gegenüber den teren Werkplatte 13 gelagert ist, im Eingriff steht, bekannten Vorschlägen, den Zeigerwerksmotor als Die vordere Werkplatte 1 und die hintere Werkplatte reinen von dem Frequenznormal gesteuerten Impuls- 13 sind durch zwei Pfeiler 14 miteinander verbunmotor auszubilden, ergibt sich der Vorteil, daß auch 55 den. Durch das Zahnrad 12 erfolgt über weitere, durch eine allmähliche oder plötzliche Belastungs- nicht sichtbare Untersetzungsräder der Antrieb des zunähme der Motor nicht zum Stillstand gebracht Zeigerwerkes.

werden kann. Ein Zeigerstellen von Minuten- und Auf zwei Lagerschrauben 15, die in zwei nach

Stundenzeiger entgegen der Zeigerdrehrichtung ist hinten abgewinkelte Lappen 16 der Werkplatte 1

daher möglich, ohne daß die Uhr stehenbleibt. 60 eingeschraubt sind, ist eine Welle 17 eines Unruh-

Es wurde gefunden, daß der Wirkungsgrad des Schwingers gelagert, an der eine Spiralfeder 27 ankommutatorlosen Motors seinen Maximalwert dann greift. Der Unruhschwinger weist zwei Polbleche 18 erreicht, wenn seine Bauglieder so ausgelegt sind, auf, an deren einen Enden zwei tablettenförmige daß die Pendelfrequenz des vom Magnetfeld der Permanentmagnete 19 und an deren anderen Enden Synchronisierungsspule durchsetzten Rotors etwa 65 zwei Ausgleichsmassen 20 befestigt sind. Ein weichgleich der Frequenz der Synchronisierungsspannung magnetischer Distanzbolzen 21 dient als magnetiist. scher Rückschluß für das Feld der Magnete 19. Das

Die Praxis hat gezeigt, daß es möglich ist, mit Feld der Magnete 19 wird von einer feststehenden

Wicklung 22 geschnitten, die aus einer Steuerspule

23 und einer Antriebsspule 24 (F i g. 3) besteht. Die Wicklung 22 ist in eine aus Isolierstoff bestehende Trägerplatte 25 eingesetzt, auf welcher elektrische Schaltelemente D₁, C₁, T₁ für den Schwinger und D₂, C₂, T₂ für den Motor befestigt sind und an die die Statorwicklung 7 des Motors angeklebt ist. Die Trägerplatte 25 ist durch einen Ansatz 26, der in eine entsprechende Öffnung der Werkplatte 13 ragt und durch weitere nicht sichtbare Ansätze, die in iq Öffnungen der Werkplatte 1 ragen, gehaltert.

In der Schaltung nach F i g. 3 sind im linken umrandeten Teil die dem Schwinger zugeordneten elekirischen Schaltelemente und im rechten umrandeten Teil die dem Motor zugeordneten Schaltelemente dargestellt. Die Transistoren T₁ für den Schwinger und T₂ für den Motor arbeiten in Emitterschaltung. Die Steuerspule 23 des Schwingers liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors T₁. Zwisehen dem Kollektor und dem Emitter des Transi- ao stors T₁ liegt die Reihenschaltung aus der Arbeitespüle 24 des Schwingers, der Synchronisierungsspule 10 und einer Gleichspannungsquelle U. Die Gleichspannungsquelle U ist gleichzeitig auch an den KoI-lektor und über die Motorantriebsspule 9 an den Emitter des Transistors T₂ angeschlossen. Die Steuerspule 8 des Motors liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors T₂. Zwischen der Basis und dem Kollektor der Transistoren T₁ und T₂ liegen die zur Vermeidung des Selbstschwingens der beiden Transistor-Schaltverstärker dienenden Kondensatoren C₁ und C₂. Zwei Dioden D₁, D₂ dienen zur Kompensation des Einflusses von Spannungsschwankungen der Gleichspannungsquelle U auf die beiden Transistor-Schaltverstärker. '

In der Motorsteuerspule 8 wird bei einer vollen Umdrehung des Rotors 4, 5 eine impulsförmige Steuerspannung mit einer positiven und einer negativen Halbwelle induziert. Bei den Transistoren T₁, T₂ handelt es sich um pnp-Transistoren, so daß die negative Halbwelle der in der Steuerspule 8 induzierten Steuerspannung im Transistor T₂ verstärkt wird und die Antriebsspule 9 als Antriebsimpuls durchfließt. Der Rotor 4, 5 erhält somit einen durch seine Drehbewegung gesteuerten Antriebsimpuls pro Umdrehung. An Stelle von zwei pnp-Transistoren können selbstverständlich auch zwei npn-Transistoren oder ein pnp- und ein npn-Transistor Verwendung finden, wobei sich die Polarität der Impulse bzw. der Spannungsquelle U entsprechend ändert.

Der Unruhschwinger 17 bis 21 induziert in bekannter Weise bei jeder Halbschwingung in der Steuerspule 23 einen Steuerimpuls, wobei jeweils zwei aufeinanderfolgende Steuerimpulse entgegengesetzte Polarität haben, so daß in gleicher Weise, wie für den Motor oben bereits beschrieben, bei jeder Vollschwingung der Unruh in der Arbeitsspule

24 ein Antriebsimpuls erzeugt wird.

Da die Synchronisierungsspule 10 in Reihe mit der Antriebsspule 24 der Unruh liegt, liegt auch an ihr ein Teil der Arbeitsspannung der Unruh. Die Höhe dieser Spannung hängt vom Widerstandsverhältnis der Spulen 10 und 24 ab. Die Antriebsimpulse der Unruh wirken somit über die Synchronisierungsspule 10 als weitere Antriebsimpulse auf den Rotor 4, 5 ein. Die Motordrehzahl ist hierbei in weiten Grenzen unabhängig von Belastungs-, Temperatur- und Speisespannungsschwankungen.

Die Polung und Anordnung der Motor- und Unruhspulen und die Phasenlage der Synchronisierungsspannung in bezug auf die Motor-Arbeitsspannung kann so gewählt sein, daß der Synchronisierungsimpuls gegenüber dem Antriebsimpuls in der Spule 9 um 180° phasenverschoben ist. Die Spulen 9 und 10 müssen in diesem Fall so gepolt sein, daß das Magnetfeld der Synchronisierangsspule 10 gegenüber dem Magnetfeld der Antriebsspule 9 entgegengesetzte Polarität hat. Hierbei wirkt auf den Rotor 4, 5 nach jeweils einer halben Umdrehung abwechselnd der Synchronisierungsimpuls in der Spule 10 und der Antriebsimpuls in der Spule 9 im antreibenden Sinn ein.

In der Synchronisierungsspule 10 kann, abgesehen von einem sehr geringen Ruhestrom, nur Strom fließen, wenn die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T₁ leitend ist, d. h., wenn in der Steuerspule 23 des Unruhschwingers ein Steuerimpuls erzeugt wird. Der Motor hat somit keinerlei Rückwirkung auf die Unruh, welche von Fortschalt- und Auslösearbeit befreit ist. Das Isochronismusverhalten der Unruh wird gegenüber den bekannten elektrischen Uhrenantrieben entscheidend verbessert.

Da die Steuerspule 23 und die Arbeitsspule 24 des Unruh sch wingers sowie die Steuerspule 8 und die Arbeitsspule 9 des Motors jeweils räumlich nebeneinander angeordnet und damit induktiv miteinander gekoppelt sind, können die beiden Transistor-Schaltverstärker unter Umständen als Schwingungsgeneratoren arbeiten. Um die induktive Rückkopplung zu kompensieren und damit die Schwingneigung der Verstärker herabzusetzen, sind die Transistoren T₁, T₂, wie schon erwähnt, über die Kondensatoren C₁, C₂ kapazitiv rückgekoppelt. An Stelle der Kondensatoren C₁, C₂ können auch zwei Widerstände R₁, R₂ vorgesehen sein, welche in F i g. 3 gestrichelt eingezeichnet sind. Durch die Widerstände R₁, R₂ wird ebenfalls ein Selbstschwingen der beiden Transistor-Schaltverstärker vermieden.

Zur Kompensation des Einflusses der Spannungs-Schwankungen der Gleichspannungsquelle U auf den Kollektorstrom der Transistoren T₁, T₂ ist die Diode D₁ an das mit der Synchronisierungsspule 10 verbundene Ende der Arbeitsspule 24 des Schwingers und an die Basis des Transistors T₁ und die Diode D₂ an eine Anzapfung der Antriebsspule 9 des Motors und an die Basis des Transistors T₂ angeschlossen. Die gleichsinnig zur Emitter-Basis-Strecke des entsprechenden Transistors T₁, T₂ gepolten Dioden D₁, D₂ liegen somit jeweils zwischen der Basis eines der Transistoren T₁, T₂ und einem im Arbeitskreis dieses Transistors T₁ bzw. T₂ vorgesehenen Spannungsteilers. Beim Durchschalten eines der Transistoren T₁, T₂ wird an dem entsprechenden, im Arbeitskreis liegenden Spannungsteiler ein Spannungsgefälle erzeugt, wobei an einen definierten Punkt dieses Spannungsgefälles ein mit der Basis verbundener, nichtlinearer Widerstand (Dioden D₁, D₂) gelegt ist. Der nichtlineare Widerstand bildet oberhalb einer bestimmten Klemmenspannung und damit oberhalb einer vorgegebenen Betriebsspannung einen relativ niederohmigen Nebenschluß zu dem Widerstand der Basis-Emitter-Diode des entsprechenden Transistors T₁, T₂. Die Basisvorspannung der Transistoren T₁, T₂ wird durch die Dioden D₁, D₂ somit so geregelt, daß der Kollektorstrom der Transistoren T₁, T₂ oberhalb einer vorgegebenen Betriebsspannung und damit

bis zu einer vorgegebenen unteren Grenzspannung der Speisespannungsquelle U praktisch konstant ist.

Bei der in F i g. 4 dargestellten Variante des Motors mit einem sechspoligen Dauermagnetanker 5 ist die Statorwicklung in gleicher Weise ausgebildet wie bei dem Motor nach Fig. 1 bis 3, d. h., die Steuerspule 8, die Antriebsspule 9 und die Synchronisierungsspule 10 können entweder, wie dargestellt, räumlich voneinander getrennt angeordnet oder ineinandergewickelt sein. Im Gegensatz hierzu müssen bei dem in F i g. 5 und 6 dargestellten vierpoligen Anker 5 die Spulen 8, 9, 10 so angeordnet werden, daß sie den Dauermagnetanker S nur teilweise umschließen, so daß sie dessen Kraftlinienfluß senkrecht schneiden. Die Steuerspule 8 und die Arbeitsspule 9 sind hierbei auf der einen Seite und die Synchronisierungsspule 10 ist auf der anderen Seite des Ankers 5 angeordnet.

Die in F i g. 7 dargestellte Ausführungsform des Motors nach der Erfindung weist in gleicher Weise wie der Schwinger in F i g. 1 zwei Polbleche 28, 29 auf, die durch einen weichmagnetischen Distanzbolzen 30, der auf der Welle 4 befestigt ist, miteinander verbunden sind. Der Distanzbolzen 30 dient gleichzeitig als Rückschluß für den magnetischen Fluß von an den einen Enden der Polbleche 28, 29 befestigten tablettenförmigen Dauermagneten 31, 32. An den anderen Enden der Polbleche 28, 29 sind hierbei Ausgleichsmassen 33, 34 angeordnet. Die Steuerspule 8 und die Antriebsspule 9 sind auf der einen Seite und die Synchronisierungsspule 10 gegenüberliegend auf der anderen Seite der Welle 4 angeordnet.

Bei den Ausführungsformen nach F i g. 2 bis 7 des Motors ist die Polung und Anordnung der Spulen 8, 9, 10 und die Phasenlage der Synchronisierungsspannung in bezug auf die Motorarbeitsspannung so gewählt, daß auf den Rotor 4, S abwechselnd der Synchronisierungsimpuls bzw. der Antriebsimpuls der Spule 9 antreibend einwirkt.

Versuche haben gezeigt, daß der in den F i g. 1 bis 3 dargestellte elektrische Uhrenantrieb in vorteilhafter Weise so ausgelegt wird, daß der im Arbeitskreis des den Schwinger steuernden Transistors T₁ fließende Strom etwa gleich dem im Arbeitskreis des Motortransistors T₂ fließenden Stroms ist. Die Antriebsspule 24 des Schwingers und die Synchronisierungsspule 10 werden zweckmäßig so dimensioniert, daß ihre Widerstände gleich groß sind, so daß die Synchronisierungsimpulse der Synchronisierungsspule 10 halb so stark sind wie die Antriebsiirpulse der Motorantriebsspule 9.

Es hat sich gezeigt, daß der Wirkungsgrad des Zeigerwerksantriebs nach der Erfindung einerseits von der Frequenz der Synchronisierungsspannung und andererseits von der Bemessung der Synchronisierungsspule 10 sowie des Rotors 4, 5 bzw. 28 bis 34 hinsichtlich seiner geometrischen Abmessungen, seines Trägheitsmomentes und seines magnetischen Flusses abhängig ist. Wird angenommen, daß an der Synchronisierungsspule 10 eine konstante Gleichspannung liegt, deren Höhe gleich dem Effektivwert

der Synchronisierungsspannung ist, so pendelt der Rotor um seine Ruhelage, wenn er mechanisch angestoßen wird. Für kleine Drehwinkel und bei verschwindend kleiner Winkelrichtgröße der Aufhängung ist hierbei die Schwingungsdauer T des schwingenden Rotors

T = 2π

M_mn ■ H

wobei J das Trägheitsmoment des Rotors, H die magnetische Feldstärke der Synchronisierungsspule und M_mgn das magnetische Moment des Rotors ist.
Für das magnetische Moment gilt:

M_msn = B

V.

Hierbei ist B die magnetische Induktion und V das Volumen des Rotors.

Um einen guten Wirkungsgrad des Motors zu erhalten, müssen der Rotor und die Synchronisierungsspule so bemessen sein, daß die Pendelfrequenz (-ψ)

des im Magnetfeld der Synchronisierungsspule pendelnden Rotors etwa gleich der Frequenz der Synchronisierungsspannung ist. Der Frequenzbereich, in dem der optimale Wirkungsgrad erreicht wird, ist hierbei relativ groß, so daß es genügt, wenn der Motor so dimensioniert wird, daß die beiden obengenannten Frequenzen ungefähr übereinstimmen.
Zur Synchronisierung des Motors dient bei dem

beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Unruhschwinger; es können jedoch auch andere Zeit- bzw. Frequenznormale Verwendung finden. Geeignet sind insbesondere auch Torsions-, Blattfeder- oder piezoelektrische Schwinger. Da die Frequenz der Synchronisierungsspannung in manchen Fällen, insbesondere bei der Verwendung von piezoelektrischen Schwingern, relativ hoch liegt, ist es in diesem Fall vorteilhaft, den Motor mit einem mehrpoligen Anker nach F i g. 4 bis 6 zu versehen. Hierdurch wird die Motordrehzahl niedrig gehalten, so daß auch die Getriebeverluste klein sind.

Der Motor fällt nicht außer Tritt, wenn sich die Frequenz der Synchronisierungsspannung innerhalb von relativ weit auseinanderliegenden Grenzen ändert. Durch Änderung der Frequenz der Synchronisierungsspannung ist es damit möglich, die Motordrehzahl zu steuern.

Der erfindungsgemäße Antrieb kann überall dort Verwendung finden, wo ein hoher Wirkungsgrad gefordert ist und wo nur wenig Platz für den Motor zur Verfügung steht, z. B. auch als Antrieb für Kofferplattenspieler, welche als Spannungsquelle ebenfalls eine Trockenbatterie enthalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 Für den geräuschlosen Antrieb von Nebenuhren Patentansprüche: ist es bekannt, kommutatorlose Motore zu benutzen, die einen permanentmagnetischen Rotor und einen

1. Zeigerwerksantrieb für eine batteriege- meist aus lamelliertem Weicheisen bestehenden Staspeiste, selbständige Uhr mit einem kommutator- 5 tor mit einer Erregerspule aufweisen. Dieser Erregerlosen Motor, welcher einen permanentmagnet!- spule werden von einem Frequenznormal herrührende sehen Rotor, eine von dem Rotor beeinflußte elektrische Impulse gleicher oder wechselnder PoIa-Steuerspule, die über einen als Schalter arbei- rität zugeführt. Wird der Rotor dieses Motors auf tenden Transistor eine den Rotor antreibende synchrone Drehzahl gebracht, so läuft er mit kon-Antriebsspule periodisch an die Batterie legt, und yo stanter Drehzahl weiter, so daß er das Zeigerwerk wenigstens eine gleichfalls auf den Rotor einwir- einer Nebenuhr antreiben kann. Bei auch nur kurzkende Synchronisierungsspule aufweist, an wel- zeitigem Ausfall der zugeführten Spannungsimpulse eher eine von einem Frequenznormal erzeugte, bleibt die Uhr stehen. Um dies zu verhindern, ist es impulsförmige Synchronisierungsspannung liegt, bekannt, solche Nebenuhren mit Zusatzeinrichtungen dadurch gekennzeichnet, daß die 15 zu versehen, welche es ermöglichen sollen, diese über Steuerspule (8), die Antriebsspule (9) und die eine mehr oder weniger lange Zeitspanne als selb-Synchronisierungsspule (10) als Luftspulen aus- ständige Uhr weiter zu betreiben.

gebildet sind, daß die Synchronisierungsspule Es ist bekannt (FR-Zusatz-PS 68 406, Fig. 18), (10) und die Antriebsspule (9) derart angeordnet für eine solche Nebenuhr mit Gangreserve für den und gepolt sind, daß auf den Rotor (5 bzw. 28 bis 20 Zeigerwerksantrieb einen kommutatorlosen Motor 34) abwechselnd ein Antriebsimpuls der Syn- mit einem permanentmagnetischen Rotor einzuchronisierungsspule (10) und ein Antriebsimpuls setzen, dessen Stator im wesentlichen aus einer eisender Antriebsspule (9) einwirken, daß zur Erzeu- losen Spule im Feld dieses Rotors besteht. In dem gung der impulsförmigen Synchronisierungsspan- Feldbereich des Rotors ist an geeigneter Stelle eine nung ein mit wenigstens einem Permanentmagne- 25 ebenfalls als Luftspule ausgebildete Induktionsspule ten versehener Schwinger dient, der in einer fest- vorgesehen, in der bei Drehung des Rotors Spanstehenden Steuerspule (23) periodisch Steuerim- nungsimpulse erzeugt werden. Diese Erreger- bzw. pulse induziert, die nach Verstärkung in einem Steuerspule liegt im Eingangskreis eines Transistor-Transistor (T₁) einer den Schwinger antreibenden Schaltverstärkers, in dessen Ausgangskreis in Reihe Antriebsspule (24) und der hierzu in Reihe ge- 30 mit einer niedergespannten Gleichstromquelle (Akkuschalteten Synchronisierungsspule (10) des Motors miilator) die Antriebsspule des Motors gelegen ist. zugeführt werden, und daß zwischen der Basis des Wird der Rotor in Umdrehungen versetzt, so werden Transistors (T₁) des Schwingers und der Verbin- über die Steuerspule und den Transistorschaltverstärdungsleitung zwischen der Antriebsspule (24) des ker verstärkte Impulse in der Antriebsspule erzeugt, Schwingers und der Synchronisierungsspule (10) 35 die die Drehung des Rotors in Gang halten,
des Motors und zwischen der Basis des Tran- Zur Synchronisierung der Drehzahl dieses Impulssistdrs (T₂) des Motors und einer Anzapfung der motors ist in Reihe zu der Steuerspule des Trahsi-Antriebsspule (9) des Motors je eine gleichsinnig storschaltverstärkers eine weitere Spule geschalteten zur Basis-Emitter-Strecke des entsprechenden der ein Weicheisenkern liegt, auf den ein permanent-Transistors (T₁₁T₂) gepolte Diode (D₁, D₂) ge- 40 magnetischer Rotor einwirkt, der von einem durch schaltet ist. das Wechselstromnetz angetriebenen Synchronmotor

2. Zeigerwerksantrieb nach Anspruch 1, da- in Umdrehungen versetzt wird. Dadurch wird der durch gekennzeichnet, daß der Rotor (S bzw. 2B von dem Rotor des Zeigerwerksmotors erzeugten bis 34) hinsichtlich seiner geometrischen Abmes- Wechselspannung eine mit der Frequenz des Wechsungen, seines Trägheitsmomentes und seines ma- 45 selstromnetzes synchronisierte Wechselspannung gnetischen Flusses und die Synchronisierungs- überlagert. Über dem Rotor des Zeigerwerksmotors spule (10) so bemessen sind, daß die Pendelfre- ist ferner ein Blattfederschwinger befestigt, der an quenz des vom Magnetfeld der Synchronisierungs- seinem freien Ende einen Permanentmagneten trägt, spule (1®) durchsetzten Rotors (4, 5 bzw. 28 bis der bei Drehung des Rotors infolge der magnetischen 34) etwa gleich der Frequenz der Synchronisie- 50 Kopplung den Blattfederschwinger zu Schwingbswerungsspannung ist. gungen anregt.

Um die Einrichtung als Nebenuhr betreiben zu

_____ können, muß der Zeigerwerksmotor so ausgelegt werden, daß die von ihm erzeugte Antriebsleistung grö-

55 ßer als seine Belastung ist. Ohne die zugeführte Syn-

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zeigerwerks- chronisierungsspannung würde er dadurch mit einer antrieb für eine batteriegespeiste, selbständige Uhr höheren Drehzahl als der synchronen Drehzahl ummit einem kommutatorlosen Motor, welcher einen. laufen. Die mit konstanter Frequenz zugeführte Synpermanentmagnetischen Rotor, eine von dem Rotor chronisierungsspannung bewirkt hierbei eine Bebeeinflußte Steuerspule, die über einen als Schalter 60 schneidung der Breite der dem Transistor zugeführarbeitenden Transistor eine den Rotor antreibende ten Steuerimpulse, wodurch die Antriebsleistung des Antriebsspule periodisch an die Batterie legt, und Motors auf das notwendige Maß reduziert wird. Bei wenigstens eine gleichfalls auf den Rotor einwirkende Ausfall der Netzspannung fallen diese Synchronisie-Synchronisierungsspule aufweist, an welcher eine von rungsimpulse jedoch fort. Den synchronen Weitereinem Frequenznormal erzeugte, impulsförmige Syn- 65 lauf des Zeigerwerksmotors muß jetzt der mit dem chronisierungsspannung liegt. Ein derartiger Zeiger- Rotor magnetisch gekoppelte Blattfederschwinger werksantrieb ist aus der FR-Zusatz-PS 67 134 be- übernehmen,
kannt. Abgesehen von dem erheblichen Aufwand eines