DE1523956A1

DE1523956A1 - Drehzahlkonstanter Motor,insbesondere fuer ein zeithaltendes Geraet

Info

Publication number: DE1523956A1
Application number: DE19651523956
Authority: DE
Inventors: Wirthle Dipl-Phys Erich; Jens Haberer; Heinz Odenbach
Original assignee: Kienzle Uhrenfabriken GmbH
Current assignee: Kienzle Uhrenfabriken GmbH
Priority date: 1965-03-26
Filing date: 1965-03-26
Publication date: 1969-07-17
Also published as: CH266366A4; CH462727A; GB1145253A

Description

KIMZLB UHRENFABRIKEN GMBH
Schwenningen am Neckar

8, Oktober 1968

P 15 23 956.2 (K 55 655)

ZEITHALTEtTDES GERÄT

Die Erfindung bezieht sich auf ein zeithaltendes Gerät, bestehend aus einem Rotor mit mindestens einem Polrad und einem auf dem Polrad angeordneten mechanischen Schwingsystem, und einem mit dem Polrad zusammenarbeitenden Stator, wobei dem Rotor ein Antriebsmoment erteilt wird.

Es ist ein Elektromotor mit einem mechanischen Schwingungssystem zur Drehzahlregelung bekannt, dessen dauerndumlaufender Rotor aus einem ersten Polrad besteht, das über einen Torsionsstab mit einem

co zweiten Polrad verbunden ist, wobei das eine PoI-

to rad mit einer Erregerwicklung auf einem Stator und

^ das andere Polrad mit einer Steuerwicklung auf ei- <*> nem anderen Stator zusammenarbeitet (DAS 1 149 447). ο Das mechanische Schwingsystem,das als Drehschwingungs-_ω system ausgebildet ist, koppelt die zwei Rotorteile, die je einer Wicklung zugeordnet sind. Dessen Resonanzfrequenz bestimmt im wesentlichen die Drehgeschwindigkeit des Läufers.

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Ea wurde auch schon ein Elektromotor vorgeschlagen, dessen einziges dauernd umlaufendes Polrad mit einem Stator mit einer Erreger- und einer Steuerwicklung zusammenarbeitet) wobei ein mechanisches Schwingsystem am Stator die getrennten Steuer- und die Erregerspulen mechanisch verbindet.

Untersuchungen dieser Motoren haben ergeben, daß die damit zu erreichende Zeithaltung ungenügend ist. Der Motor kann in Resonanz mit verschiedenen Drehzahlen laufen und geht bei äußeren Störungen leicht durch. Die beiden Statorteile müssen in bezug auf den Rotor sehr genau und in engen Grenzen justiert werden. Anregung, Amplitude und Stabilität der Torsionsschwingungen hängen empfindlich von der relativen Winkelstellung der beiden Statoren ab, so daß nur in einem engen Winke !bereich der Motor in Resonanz läuft. Die Größe der magnetischen Einstreuung der Arbeitsspule in die Steuerspule hängt ebenfalls von der Winkelstellung der Statoren ab. Sie kann zu unerwünschten Rückkopplungen in der elektronischen Schaltung führen und damit den Motor zum Durchgehen bringen. Einer Serienfertigung steht also insbesondere die erforderliche vorerwähnte außerordentlich genaue Justierung der beiden Statorteile im Wege. Dem bekannten System haftet der Nachteil an, daß trotz genauer Justierung bei äußeren mechanischen Störungen der Motor außer Resonanz gerät· Der Grund für Q diese Schwierigkeiten ist in erster linie in der mag-^ω netischen Kopplung der Steuerung und Erregung durch das n> mechanische Schwingsystem und besonders durch den Streu-■^. fluß zu sehen,
ο

^ω Bei einem Motor der eingangs genannten Art wird zur

Vermeidung der vorgenannten Nachteile erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß auf das Polrad ein die Eigenschwingungen des mechanischen Schwingsystems anregendes periodisches Moment durch die Wechselwirkung zwischen Stator

und Polrad wirkt, welches sich im Resonanzfall periodisch mit dem Rotordrehwinkel ändert, daß weiterhin zwischen Stator und Polrad ein periodisch mit dem Rotordrehwinkel sich änderndes Kopplungsmoment erzeugt wird, das die Drehbewegung des Polrades mit den Schwingungen des mechanischen Schwingsystemskoppelt und weiterhin dem gleichen Polrad in bekannter Weise ein vom Stator erzeugtes periodisches Antriebsmoment erteilt wird, wobei auf dem Stator Erreger- und Steuerwicklungen einer ύ elektronischen Schaltung angeordnet sind.

Eine weitere Lösung besteht bei einem Motor der eingangs genannten Art darin, daß auf das Polrad ein die Eigenschwingungen des mechanischen Schwingsystems anregendes periodisches Moment durch die Wechselwirkung zwischen Stator und Polrad wirkt, das im Resonanzfall sich periodisch mit dem Rotordrehwinkel ändert, daß weiterhin zwischen Stator und Polrad ein periodisch mit dem Rotordrehwinkel sich änderndes Kopplungsmoment erzeugt wird, das die Drehbewegung des Polrades mit den Schwingungen des mechanischen Schwingsystems koppelt und weiterhin dem Ro- I tor ein konstantes Antriebsmoment erteilt wird, das am Knoten der Schwingungen des mechanischen Schwingsystems wirkt.

^ Diesen Anordnungen ist gemeinsam, daß ein Anregungs- <ß moment für das mechanische Schwingsystem und ein

ro Kopplungsmoment auftritt.

° Das Antriebsmoment ist im einen Fall ungleichförmig, ω ändert sich also periodisch, z.B. in Sinusform und

erzeugt dadurch periodisch sich ändernde Drehbeschleunigungen am Rotor, die geeignet sind» die Schwingungen des mechanischen Schwingsystems anzuregen und aufrechtzuerhalten. Zusätzlich kann ein mit dem Rotor

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mechanisch verbundenes Zahnrad aus magnetisch weichem Werkstoff vorgesehen werden, dessen Zähne mit einem feststehenden Permanentmagneten zusammenwirken, wodurch eine stärkere Anregung der mechanischen Schwingungen und eine bevorzugte Drehrichtung des Rotors erreicht wird.

Die mechanischen Schwingungen werden immer dann angeregt, wenn die Grund- oder eine Oberwelle des periodischen Anregungsmoments in die Nähe der mechanischen Eigenschwingung kommt. Da zudem zwischen dem Stator und dem Rotor Kopplungsmomente bestehen, die periodisch mit dem Rotordrehwinkel verlaufen, läßt sich die Drehbewegung des Rotors an die mechanische Schwingung koppeln, also synchronisieren.

Ist jedoch das Antriebsmoment wie im zweiten Fall konstant und wirkt am Knoten der Schwingung, wird das periodische Anregungsmoment durch magnetische Kräfte zwischen,Stator und Rotor erzeugt. Die mit dem Rotordrehwinkel periodischen magnetischen Kräfte können permanentmagnetisch, elektrodynamisch oder durch Wirbelströme erzeugt werden. Ein ortsfester Magnet wirkt auf ein mit dem Rotor verbundenes Zahnrad aus Weicheisen oder Permanentmagnetmaterial. Anstelle dieser Anordnung kann auch eine gezahnte Scheibe aus Al oder Ou gewählt werden, die durch das Feld eines feststehenden Permanentmagneten läuft.

° Allen Anordnungen ist gemeinsam ein Antriebsmoment, o° ein Anregungsmoment und ein Kopplungsmoment. Das Ancd regungsmoment verläuft periodisch mit der Zeit und im Q Resonanzfall auch mit dem Rotordrehwinkel. Das Kopp lungs-™ moment (permanentmagnetisch, elektrodynamisch, WIr-σ> belstrom) verläuft periodisch mit dem Rotordrehwinke1. Das Antriebsmoment kann konstant sein oder ungleichförmig periodisch, wobei es im letzteren Fall gleichzeitig Anregungsmoment sein kann.

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Die Erfindung wird anhand der Bilder 1 bis 16 näher erläutert.

Bild 1 zeigt einen Motor mit Torsionsschwinger in der Seitenansicht.

Bild 2 zeigt die Draufsicht auf diesen Motor.

Bild 3 ist ein Motor mit Stimmgabelsohwinger. "

Bild 4 ist ein Motor mit Biegeschwinger in Seitenansicht und in

Bild 5 in der Draufsicht.

Bild 6 ist ein Motor mit Spiralfederschwinger.

Bild 7 1st ein Motor mit Blattfedersohwinger.

Bild 8 zeigt eine Vorrichtung zur Drehriohtungsfest-

legung in Draufsicht, |

Bild 9 ist ein Motor mit konstantem Antriebsmoment

und einer Vorrichtung zur Erzeugung eines periodischen Störmomente.

co Bild 10 zeigt eine Wlrbelstromrorrlohtung·

JJ° Bild 11 und 12 sind Draufsiohten auf die Vorrichtungen

t° naoh Bild 9 und 10.

Bild 13 und 14 ist ein Drehzahlregler alt zwei Htaa-

^m oder Polrädtrn.

Bild 15 und 16 «eigen eine Möglichkeit dtr Drehzahländerung.

In Bild 1 und 2 ist !Teil 1 das mit dem Stator 2 zusammenarbeitende, am umfang periodisch magnetisiert θ Folrad. Dieses Palrad trägt eine tordierbare Welle 3 mit einer Schwungmasse 4. Das Antriebsritzel ist mit 5 bezeichnet. Auf dem Stator 2 ist eine Erregerwicklung 6 und eine Steuerwicklung 7 aufgebracht, die über eine elektronische Schaltung 8 miteinander verbunden sind.

Wird der Rotor 1 in Drehung versetzt, so werden in der Spule 7 Steuerimpulse erzeugt, die ein Ansteuern der elektronischen Schaltung 8 bewirken. Dadurch fließt duroh die Spule 6 ein Arbeltsstrom, der ein periodisch sich änderndes Drehmoment am Rotor erzeugt. Diese zeitlich periodische Xnderung regt die Schwingungen des Torsionssohwlngers an, sobald die Grund- oder eine Oberwelle in die Nähe der Eigenresonanz des Sohwingsystems kommt. Infolge der zwischen Stator 2 und Rotor 1 vorhandenen Xopplungsmomente, die periodisch mit dem Rotordrehwinkel verlaufen, wild die Drehbewegung des Rotors duroh die mechanische Schwingung synchronisiert.

Anstelle des !Torsionsschwingers kann auch ein Stimmgabeleohwinger 9» Bild 3» verwendet werden. Das Polrad 1 arbeitet hier ebenfalls mit dem nicht darge-(o stellten Stator 2 zusammen* In Bild 3 1st Teil 10 ° der feststehende lagerteil des Rotors. Der meohani- °° sehe Abtrieb ist hler nicht dargestellt, jedoch wird to das Abtriebsritzel an den Polrad 1 angebracht·

JJJ In Bild 4 und 5 ist der mechanische Schwinger aus cd drei Blattfedern 11*, 11"» 11*" und der Schwungmasse 12 gebildet· DItet 8ohwungm··· 12 1st nicht über die Well· 13» sondern nur über dl· Blattfedern 11 »it dt» Polrmd 1 verbunden. Diese· Sol*·* 1 arbeitet in bekannter Wtis« mit de» Stator autunen· Mit dt»

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Po!rad verbunden ist das Abtriebsrad 14, das in ein Getrieberad 21 eingreift.

In Bild 6 ist die Schwungscheibe 15 über eine Spiralfeder 16 mit dem Polrad 1 verbunden. Der An- und Abtrieb ist der gleiche wie vorbeschrieben.

In Bild 7 besteht das Schwingsystem aus zwei auf der starren Welle 13 angeordneten Blattfedern 17 und 18 mit je einer Schwungmasse 19 und 20.

Die seither beschriebenen Motoren besitzen keine bevorzugte Drehrichtung· Wird nun auf einen der vorbeschriebenen Rotoren eine gezahnte Scheibe 22 aus Weicheisen angebracht, die mit einem Permanentmagneten 23 zusammenarbeitet, so ergibt sich, wenn die Pole 23 gegenüber den Polen der Polsoheibe 1 um einen kleinen Winkel cC versetzt sind, eine Vorzugsdrehrichtung des Rotors. Da. gleichzeitig zwischen Scheibe 22 und Hagnet 23 periodisch wechselnde Momente entstehen, deren Frequenz gleich oder ein vielfaches der Frequenz des periodisch sich ändernden Antriebsmoments des Rotors ist, werden die Schwingungen des mechanischen Schwingsystems zusätzlich stark erregt, natürlich kann anstelle der Weicheisenscheibe 22 eine Permanentmagnetscheibe verwendet werden, die mit einem Weicheisenoder Permanentmagnetstator zusammenarbeitet. Vorzugsc£> weise ist die Scheibe 22 gleichzeitig Schwungmasse 12

cd bzw. 15, oder die Massen 19» 20 arbeiten mit einem festig stehenden Permanentmagneten 23 gemäß Bild 8 zusammen, co

ο Bei den seither beschriebenen Motoren ist das Antriebsoi moment periodisch veränderlich und wirkt an einer Schwung ^m masse. Bei einem Motor mit konstantem Antriebsmoment werden die periodischen Anregungsmomente mittels Permanentmagnete erzeugt.

In Bild 9 ist ein Rotor mit einer Torsionswelle 24 und einer Schwungscheibe 25 gezeigt, der über das Ritzel 26 mit einem konstanten Drehmoment angetrieben wird. Das Ritzel sollte jedoch vorzugsweise am Knoten der Schwingung sitzen. Auf der Welle 24 ist eine gezahnte Weicheisenscheibe 27 angebracht, auf die ein Permanentmagnet 28 wirkt. In Bild 11 ist eine Draufsicht auf die Scheibe 27 und den Magneten gezeigt.

Das periodische Moment kann jedoch auch gemäß Bild 10 und 12 durch Wirbelströme erzeugt werden. Der Permanentmagnet 29 arbeitet hier mit einer geschlitzten Cu- oder Al-Scheibe 30 zusammen. Die Momentenerzeugung mit Wirbelstrom ist besonders vorteilhaft, da sie in starkem Maße ein Durchgehen des Rotors verhindert.

In Bild 13 und 14 ist eine Anordnung gezeigt, bei der auch die Schwungmasse als Polrad 31 ausgebildet ist. Das Ritzel 32 zum Antrieb ist im Knoten der Schwingung angeordnet. Beide Polräder 27 und 31 arbeiten mit feststehenden Permanentmagneten 33 und 28 zusammen, deren · Pole gegeneinander versetzt sind, wodurch eine stärkere Erregung der mechanischen Schwingung erreicht wird.

J₀ Die Drehzahl steigt auf das Doppelte an, wenn die ° Weicheisenscheibe 27, Bild 11, durch eine am Umfang co periodisch magnetisierte Permanentmagnetscheibe ersetzt co wird. Verwendet man mehrere übereinanderliegende Hemm-Q oder Polräder mit unterschiedlicher Teilung, die mit einem längs der Rotorachse verschiebbaren Stator zucn sammenwirken, so kann man verschiedene mit der mechanischen Schwingung synchrone Drehzahlen einstellen. Das gleiche kann mit nur einem Hemm- oder Polrad und mehreren Statoren unterschiedlicher Teilung erreicht werden.

Ni CO ¹— O OO OJ

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Bild 15 zeigt eine derartige Anordnung, bei der drei Polräder 34, 35, 36 mit unterschiedlichen Teilungen verwendet werden, die mit einem Stator 37, Bild 16, der längs der Welle 13 verschiebbar ist, zusammenarbeite*.

Die Möglichkeit der verschiedenen Drehsahlen ist natürIioh auch bei einem Motor mit periodisch wechselndem Drehmoment möglich.

Als Sohwingsysfeme bei den Motoren nach Bild bis 16 sind alle bei Bild 1 bis 8 beschriebenen Systeme möglioh.

Claims

KIENZLE UHRENFABRIKEN OMBH Sohwennlngen am Neckar

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Patentansprüche

1. Zeithaltendea Gerät, bestehend aua einem Rotor mit mindestens einem Polrad und einem auf dem Polrad angeordneten meohaniaohen Schwingsystem, und einem mit dem Polrad zusammenarbeitenden Stator, wobei dem Rotor ein Antriebemoment erteilt wird, dadurch gekennselohnet, daß auf daa Polrad ein die Eigenschwingungen des mechanischen Sohwlngayatema anregendes periodiaohea Moment duroh die Wechselwirkung zwlaehen Stator und Polrad wirkt, welches sioh im Resonansfall periodisch mit dem Rotordrehwinkel ändert,diB weiterhin zwischen Stator und Polrad ein periodisch mit dem Rotordreh-C₀ winkel sich änderndes Kopplungemoment er- ° Beugt wird, daa die Drehbewegung des Polra-Go des mit den Schwingungen des mechanischen J2 Sohwingaysteaa koppelt und weiterhin dem ^ gleiohen Polrad In bekannter Veiaa ein vom co Stator eraaugtea periodisohea Antriebsmoment cn erteilt wird, wobei auf dem Stator Erregerund Steuerwioklungtn einer elektronischen Schaltung angeordnet sind.

2. Zelthaltendes Gerät, bestehend aus einem Rotor mit mindestens einem Polrad lind einem auf dem Polrad angeordneten mechanischen Schwingsystem, und einem mit dem Polrad zusammenarbeitenden Stator, wobei dem Rotor ein Antriebsmoment erteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Polrad ein die Eigenschwingungen des mechanischen Schwingsystems anregendes periodisches Moment durch die Wech- ^

selwirkung zwischen Stator und Polrad wirkt, das im Resonanzfall sich periodisch mit dem Rotordrehwinkel ändert, dafi weiterhin zwischen Stator und Polrad ein periodisch mit dem Rotordrehwinkel sich änderndes Kopplungsmoment erzeugt wird, das die Drehbewegung des Polrades mit den Schwingungen des mechanischen Schwingsystems koppelt und weiterhin dem Rotor ein konstantes Antriebemoment erteilt wird, das am Knoten der Schwingungen des mechanischen Schwingsystems wirkt.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, * daß die mit dem Stator zusammenarbeitende Schwungmasse aus einer radial am Umfang periodisch magnetisieren Scheibe besteht.

4. Gerät nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Hemm- oder Polrad (22) mit einem Stator (23) zusammenarbeitet, wobei die Pole gegenüber denjenigen von Rotor (1) und Stator (2) um einen Winkel cC , der kleiner als eine Polteilung ist, versetzt sind.

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5. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische Moment infolge der Wechselwirkung zwischen einem Magneten (28) und einem Weicheisenzahnrad (27) erzeugt wird.

6. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische Moment infolge der Wechselwirkung zwischen einem Magneten (29) und einer durch sein PeId laufenden geschlitzten Scheibe (30) aus elektrisch gut leitendem Material erzeugt wird.

7. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (27) aus einer radial am Umfang periodisch magnetisierten Scheibe besteht.

8. Gerät nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Hemm- oder Polrad (31) mit einem Stator (33) zusammenarbeitet, wobei die Pole gegenüber denjenigen von Hemm- oder Polrad (27, 30) und Stator (28, 29) um einen bestimmten Winkel, der kleiner als eine Polteilung ist, versetzt sind.

9. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als mechanisches Schwingsystem ein Drehschwinger, vorzugsweise ein Torsionsschwinger verwendet wird.

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10. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als meohanlBohee Schwingsystem ein Stimmgabelschwinger verwendet wird.

11. Gerät naoh Anspruch 9_t dadurch gekennzeichnet, daß als Drehsohwlnger ein Biegeschwinger

mit Blattfedern (11) und einer Schwungmasse μ

(12) verwendet wird.

12. Gerät naoh Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß als Drehechwinger ein Spiralfederschwinger (15, 16) verwendet wird.

13· Gerät naoh Anspruch 9, daduroh gekennzeichnet, daß als Drehschwinger ein Biegsohwinger (17, 19 bzw. 18, 20) verwendet wird.

14· Gerät naoh Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß der Antrieb des Rotors am Hemm- bzw. Polrad und der mechanische Abtrieb am Knoten der | Schwingung erfolgt.

15· Gerät naoh Anspruoh 2, daduroh gekennzeichnet, daß der mechanische Antrieb dta Rotors am Knoten der Sohwingung erfolgt.

16. Gerät naoh Anspruoh 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet, daß mehrere Hemm- bzw· Polräder mit JfJ unterschiedlicher Teilung mit einem in axialer <° Riohtung verschiebbaren Stator zusammenarbeiten.

2J 17. Gerät naoh Anspruch 1 oder 2, daduroh gekenn- ^ zeichnet, daß tin Htm»· bzw. Polrad mit verw Bohiedenen In axialer Riohtung verschiebbaren Statoren unterschiedlicher Teilung zusammenarbeiten.

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Jk-

18· Gerät nach Anspruch, 4, dadurch gekennzeichnet) daß das zweite Hemm- oder Folrad die Schwungmasse (4» 12, 15, 19» 20) ist.

19· Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Hemm- oder Polrad die Schwungmasse (4» 12, 15, 19, 20) ist·

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