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Die Erfindung geht aus von einem selbstanlaufenden Gleichstrorn-Mikromotor,
dessen Läuferwicklung aus zwei rechtwinklig zueinander mit axial verlaufenden Spulenseiten
auf einem zylindrischen Träger angeordneten, elektrisch getrennten und an
je
zwei diametral gegenüberliegenden Kollektorlamellen angeschlossenen Durchmesser-Luftspulen
besteht, deren Einschaltwinkel durch verbreiterte Bürsten leicht überschneidend,
also jeweils etwas größer als 901, und deren Spulenseiten in Umfangsrichtung
kleiner als 901 gewählt sind.
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Derartige Motoren sind bereits bekannt; bei ihnen wird jedoch im Luftspalt
kein homogenes, sondern ein etwa cosinusförmig verlaufendes Magnetfeld erzeugt.
Aus diesem stark inhomogenen Verlauf des Magnetfeldes im Luftspalt ergeben sich
entsprechende Schwankungen des Antriebsdrehmoments, der momentanen Drehzahl und
der Gegen-EMK. Besonders die letztgenannte Tatsache wirkt sich auf die Ausnutzung
schwacher Energiequellen mit verhältnismäßig hohem Innenwiderstand sehr ungünstig
aus, indem nur für kurze Zeiten überhaupt die optimale Leistung der Quelle ausgenutzt
wird.
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Es ist auch bereits bekannt, bei Kleinmotoren mit entsprechendem Rotor
mittels Außenmagnetsystemen homogene Magnetfelder in den Luftspalten zu erzeugen,
wobei jedoch die Umfangslänge dieser Luftspalte bzw. homogenen Felder zur Erzielung
günstiger Kommutationsverhältnisse besonders kurz ausgebildet wurden. Hierbei ist
jedoch kein hoher Wirkungsgrad möglich, und man hat daher auch vom Bau solcher Motoren
abgesehen, wenn es darum ging, sehr geringe verfügbare Leistungen mit höchstmöglichem
Wirkungsgrade auszunutzen.
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Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Motor der eingangs
genannten Art zu schaffen, welcher bei außerordentlich geringen verfügbaren elektrischen
Leistungen selbst anläuft und in der Lage ist, mechanische Energie bei gutem Wirkungsgrad
abzugeben. Der Motor soll beispielsweise bei geringen Beleuchtungsstärken in der
Größenordnung von 10 Lux bei Anschaltung an eine Photozellenbatterie in der
Größe von ungefähr 75 ein?- ein Uhrwerk aufziehen. Eingehende Versuche haben
gezeigt, daß unter diesen Voraussetzungen nur bei Einhaltung bestimmter Bedingungen
eine Nutzleistung erzielt wird, wobei vom Bauprinzip üblicher Gleichstrommotoren
abgegangen werden muß. Es ist vor allem darauf zu
achten, daß der verfügbare
Strom stets in optimaler Weise zur Erzeugung eines Antriebdrehmoments ausgenutzt
wird, was bei klassischen Gleichstrommotoren mit zusammengeschalteten Ankerspulen
nicht im erforderlichen Maß zutrifft.
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Bei einem Motor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch
gelöst, daß erfindungsgemäß das Statormagnetfeld mittels Fornigebung von Polschuhen
oder Pennanentmagneten mindestens annähernd homogen in Radialrichtung verläuft und
jeder Polbogen mindestens gleich der Summe aus dem Bogen des Einschaltwinkels und
der Breite einer Spulenseile in Umfangsrichtung ist, so daß sich jede Spulenseite
während ihrer Einschaltung ständig ganz im Bereich eines homogenen Magnetfeldes
befindet.
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Unter diesen Umständen Imdet eine ständige optimale Ausnutzung der
Energie bei konstanter Dreh- i zahl, konstantem Drehmoment und konstanter Gegen-EMK
ohne Kommutationsschwierigkeiten statt, da auch während des Kommutationsvorganges
in beiden Spulen dieselbe Gegen-EMK induziert wird, indem sie beide vollständig
im homogenen Feldbereich liegen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Mikromotors
dargestellt.
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F i g. 1 zeigt den Motor im Axialschnitt; F i g. 2 zeigt
den Motor teilweise in Stirnansicht, teilweise im Schnitt nach Linie II-II der F
i g. 1, und F i g. 3 zeigt schematisch die Anordnung der Bürsten am
Kollektor des Motors; F i g. 4 und 5 zeigen eine Ausführungsvariante
des Motors.
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Die Lagerflansche 1 und 2 (vgl. F i g. 1) sind mit Rubinlagem
3 bzw. 4 versehen, wobei das Lager 4 mittels einer Regulierschraube
5 in axialer Richtung eingestellt werden kann. Der Lagerflansch 2 ist direkt
und der Lagerflansch 1 über einen Ring 6 mit zwei Polschuhen
7 des Motors verbunden. Wie F i g. 2 zeigt, sind die Polschuhe
7 mit Jochen 8 (vgl. F i g. 2) versehen, zwischen welchen ein
Permanentmagnet 9
angeordnet ist.
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Der Lagerflansch 2 weist einen rohrartigen Fortsatz 10 auf,
mit welchem ein Weicheisenkein 11 aus Material möglichst geringer elektrischer
Leitfähigkeit verbunden ist. Die Achse 12 des Motors ist mittels geschliffener Spitzen
in den Lagern 3 und 4 drehbar angeordnet und durchragt Bohrungen des Fortsatzes
10 und des Kerns 11. Ein im wesentlichen zylindrischer Spulenkörper
oder Rotor 13 ist unverdrehbar auf die Welle 12 aufgesetzt, und ein Fortsatz
14 des Rotors 13 trägt den Kollektor 15. Der Spulenkörper oder Rotor
13 ist mit vier Nuten 16 versehen, deren Weite in Umfangsrichtung
des Rotors weniger als ein Viertel des Rotorumfangs beträgt. Der Rotor
13 besteht aus Kunststoff oder einem sonstigen geeigneten, nicht magnetisierbaren
Material. Die Nuten 16 bilden den Wickelraum für zwei kreuzweise angeordnete
Durchmesserspulen 17, die als Sattelspulen ausgebildet sind, d. h.,
ihre stimseitigen Wickelköpfe verlaufen gebogen im wesentlichen koaxial zur Motorachse.
Damit wird vermieden, daß auf diese Spulenköpfe durch unerwünschte Streufelder in
Umfangsrichtung bremsende Kräfte einwirken. Die beiden kreuzweise angeordneten Durchmesserspulen
sind vollständig voneinander getrennt und mit je zwei gegenüberliegenden
Lamellen des Kollektors 15 verbunden.
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Mit dem Lagerflansch 1 sind zwei Bürstenhalter 18 (vgl.
auch F i g. 3) aus Isoliermaterial verbunden, in welchen je zwei Kontaktfedern
19 aus einer elastischen, nicht oxydierbaren Goldlegierung befestigt sind.
Diese Kontaktfedern 19 schließen unter sich einen kleinen Winkel ein, welcher
etwa dem Winkel der Lücke, d. h. dem Winkelabstand zwischen zwei benachbarten
Kollektorlamellen, entspricht, wodurch erreicht wird, daß auf alle Fälle immer mindestens
eine der Spulen 17 Strom erhält. Je zwei ein zusammengehörendes Bürstenpaar
bildende Bürsten 19 sind mit der einen Klemme der Stromquelle verbunden.
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In einer Ausnehmung des Lagerflansches 2 ist die Welle 12 mit einem
Ititzel. versehen, welches mit einem Zahnrad eines nicht dargestellten Untersetzungsgetriebes
kämmt. über das Untersetzungsgetriebe, das mit einer geeigneten Rücklaufsperre versehen
ist, kann beispielsweise die Feder eines Uhrwerks aufgezogen werden.
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Die Arbeitsweise des dargestellten Motors ist wie
folgt:
F i g. 2 zeigt die Lage des Rotors 13, bei welcher sich der Kollektor
in der in F i g. 3 dargestellten Lage befindet, d. h. wo die eine
Spule 17
eingeschaltet und die andere ausgeschaltet wird. In diesem Augenblick
können beide Spulen für kurze Zeit eingeschaltet sein. Wie F i g. 2 zeigt,
sind die Nuten 16 bzw. die Wicklungsräume der Spulen 17
sowie die Bogenlänge
der Polschuhe 7 so bemessen, daß bei dieser Stellung praktisch alle Leiter
beider Spulen 17 in einem praktisch homogenen, zwischen den Polschuhen
7 und dem Kein 11 verlaufenden Magnetfeld liegen, so daß die Durchfiutung
aller Spulenseiten praktisch voll zur Erzeugung eines Drehmoments beiträgt. Kurz
darauf wird die eine Spule ausgeschaltet, so daß nun der gesamte Stromfluß durch
die Spule stattfindet, die sich weiterhin vollständig im erwähnten homogenen Feld
befindet, bis sie nach einer Drehung von 90' wieder ausgeschaltet wird. Da
sich, wie erwähnt, in den Umschaltmomenten alle Spulenseiten noch praktisch voll
im homogenen Feld befinden, ergibt sich ohne weiteres die Tatsache, daß jede Spulenseite
während ihrer ganzen Einschaltdauer in diesem homogenen Feld liegt und damit ein
maximales konstantes Drehmoment ergibt. Damit wird wiederum eine konstante Winkelgeschwindigkeit
des Rotors erzielt, was für optimale Ausnutzung der verfügbaren Energie wesentlich
ist, weil unter diesen Umständen auch die Gegen-EMK des Motors stets praktisch konstant
ist. Es ist damit eine ständige optimale Anpassung des scheinbaren Motorwiderstandes
an die Stromquelle möglich, was insbesondere bei Verwendung einer Photozellenbatterie
als Stromquelle sehr wesentlich ist, indem ein optimaler Arbeitspunkt für Motor
und Photozellenbatterie eingestellt werden kann, der praktisch konstant bleibt.
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Um das erwähnte praktisch homogene, radial gerichtete Feld im Luftspalt
zu erzielen, ist es vorteilhaft, die Luftspaltlänge, d. h. die Distanz zwischen
den Polschuhen 7 und dem Kern 11, bedeutend geringer zu wählen als
die Distanz zwischen den sich am nächsten liegenden Stellen der Polschuhe. Das Streufeld
kann unter diesen Umständen verhältnismäßig niedrig gehalten und damit der verfügbare
magnetische Fluß gut ausgenutzt werden.
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Es hat sich herausgestellt, daß es von besonderer Bedeutung ist, den
magnetischen Streufluß im Bereich der außerhalb der Polschuhe 7 bzw. des
Kerns 11
liegenden Spulenköpfe gering zu halten. Das wird unter anderem dadurch
erreicht, daß die Polschuhe 7,
die Joche 8 und der Magnet
9 in bekannter Weise in einer Ebene senkrecht zur Motorachse liegen. Das
größte Teil des Streuflusses liegt bei dieser Anordnung aus naheliegenden Gründen
ebenfalls in dieser Ebene und hat somit keinen Einfluß auf die aus dem Luftspalt
axial vorragenden Spulenteile.
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Die folgende Tabelle gibt einen überblick über die Abmessungen und
Charakteristiken eines Motors der oben beschriebenen Art, welcher zum Antrieb durch
eine Photozellenbatterie bei einer Spannung
0, 12 Volt und einem Strom von
50 Mikroampere geeignet ist. Diese Leistung wird beispielsweise von einer
Batterie von sechs parallelgeschalteten Selen-Photozellen mit einer Gesamtoberfläche
von
75 cm2 bei einer Beleuchtungsstärke von
10 Lux geliefert.
| Spannung .................. 0,12 V |
| Strom ..................... 0,00005 A |
| Luftspaltindex ............. 750 Gauß |
| Ankerleiter pro Spule ....... 950 |
| Leiterlänge ................ 1,6 cm |
| Ankergeschwindigkeit ....... 5,3 cm/sec |
| Drehzahl .................. 60 min-' |
| Ankerdurchrnesser .......... 2 cm |
| Kerndurchmesser ........... 1,35 cm |
| Kernlänge ................. 1,6 cm |
| Polhöhe ................... 1,6 cm |
| Poldurchmesser ............ 2,25 cm |
| Polabstand ................ 1,3 cm |
| Luftspalt .................. 0,45 cm |
| Kraft auf beiden Ankerseiten 0,0114 g |
| Drehmornent ............... 0,0114 g/cm |
| Elektromotorische Kraft ..... 0,114 V |
| Ankerwiderstand ........... 120 Ohm |
| Drahtdurchmesser .......... 0,12 mm |
Die Abmessungen des Motors können unter Umständen wesentlich reduziert werden, wenn
an Stelle des Weicheisenkerns
11 ein Dauerinagnet entsprechender Form verwendet
wird, der so magnetisiert ist und welchem an Stelle der Polschuhe
7 ein Weicheisenmantel
solcher Form zugeordnet ist, daß im Luftspalt entsprechende homogene Felder entstehen.
Auch in diesem Fall soll der Dauermagnet, welcher an Stelle des Weicheisenkerns
11 tritt, geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um Wirbelströme bei
drehendem Rotor zu vermeiden. Bei entsprechender Anordnung ist es unter Umständen
möglich und vorteilhaft, an Stelle eines bewickelten Rotors den soeben erwähnten
Permanentmagneten direkt mit der Motorachse zu verbinden und die in der erwähnten
Weise durch den Kollektor ein- und ausschaltbaren Spulen ortsfest um den rotierenden
Permanentmagneten anzuordnen. Bei diesem Aufbau sind natürlich dem Wicklungsgewicht
keine Grenzen gesetzt, so daß bei gleichen Motorströmen stärkere Durchflutung und
damit höhere Drehmomente erzielt werden könnten.
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Die Abmessungen können innerhalb gewisser Grenzen frei gewählt werden.
Die Windungszahl pro Spule kann z. B. zwischen 500 und 1200 gewählt werden,
wobei sich die Luftspaltinduktion etwa umgekehrt proportional der Windungszahl verhalten
soll, um entsprechende Verhältnisse zu erzielen.
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Eine Ausführungsform der obenerwähnten Art mit permanentmagnetischem
Kern oder Innenmagnet und bewickeltem Rotor ist in den F i g. 4 und
5 dargestellt, in welchem einige Bezugszeichen für analoge Teile aus den
F i g. 1 bis 3 übemommen sind. Der Motor weist einen Permanentmagneten
20 auf, welcher Polschuhe 21 mit zylindrischen Außenflächen trägt. Der Magnet 20
ist mittels Stiften 23 auf einem Unterteil 22 aus Kunststoff oder nicht magnetisierbarem
Material befestigt. Am gegenüberliegenden Ende weist der Magnet 20 eine zylindrische
Ausnehmung 24 auf, in welche ein Lagerkörper 25 mit Lagersteinen
26 und 27 für das eine Ende der Motorwelle angeordnet sind. Die Teile
13, 15, 17, 18 und 19
entsprechen praktisch den gleichbezeichneten
Teilen nach den F i g. 1 bis 3. Die Bürsten jedes Paares schließen
einen Winkel von 201 ein, woraus sich praktisch ein Arbeitswinkel jeder Spule von
1100
ergibt. Die Bürstenhalter18 und ein Lager29, 30
sind in einem Lagerschild
31 befestigt. Das Unterteil 22 und der Lagerschild 31 sind mit einem
Weicheisenmantel
32 vereinigt, dessen axiale Länge gleich
der des Magneten 20 bzw. der Polschuhe 21 ist.
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Im Luftspalt zwischen den Polschuhen und dem Weicheisenmantel
32 entstehen beidseitig homogene Feldteile, deren Ausdehnung in Umfanggsrichtung
im wesentlichen der Länge der zylindrischen Außenflächen der Polschuhe in Umfangsrichtung
entspricht. Die Länge der homogenen Feldteile in Umfangsrichtung ist so bemessen,
daß jeder Leiter einer stromdurchflossenen Spule vollständig im homogenen Feldteil
liegt. Da, wie oben erwähnt, der Arbeitswinkel oder Einschaltwinkel jeder Spule
110' und die Länge der Spulen in Umfangsrichtung 45' betragen, müssen die
homogenen Feldteile eine Länge in Umfangsrichtung von 1551' aufweisen. Bei der in
F i g. 4 und 5 dargestellten Ausführung wird diese Bedingung erreicht,
wenn der Abstand D zwischen den Polschuhen 214 mm und die radiale Weite oder
Länge des Luftspaltes 2 65 mm beträgt. Unter diesen Bedingungen läßt sich
der Streufluß zwischen den PoIschuhen in tragbaren Grenzen halten, d. h.,
die Ausnutzung des verfügbaren Feldes ist günstig, doch liegt es im Interesse einer
noch besseren Ausnutzung, die Distanz zwischen den Polschuhen zu vergrößern und
damit das Streufeld herabzusetzen, wobei jedoch immer die grundlegende Bedingung
zu erfüllen ist, daß sich stets alle stromdurchflossenen Leiter in den hornogenen
Feldteilen befinden sollen.
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Da die Gesamtabmessungen des Mikromotors und somit die Abmessungen
des Permanentmagneten 20 beschränkt sind, muß möglichst darauf geachtet werden,
daß das mögliche Volumen des Magneten 20 nicht vermindert wird. Beim Ausführungsbeispiel
nach F i g. 4 und 5 wird eine das Gesamtvolumen des Permanentmagneten
herabsetzende durchgehende zentrale Bohrung dadurch vermieden, daß die Motorwelle
seitlich des Magneten gelagert ist, derart, daß das Magnetvolumen lediglich durch
die Löcher der Aufnahme der Befestigungsstifte 23 und durch die Ausnehmung
24 herabgesetzt ist. Da die Motorwelle außerhalb des Magneten in einem nur schwachen
Streufeld liegt, können praktisch keine auf eine leicht asymmetrische Motorwelle
einseitig gerichtete magnetische Züge wirken, so daß der ruhige Lauf und die indifferente
Lage der Motorwelle gewährleistet sind.