DE1613176A1

DE1613176A1 - Drehschwingmotor

Info

Publication number: DE1613176A1
Application number: DE19671613176
Authority: DE
Inventors: Roland Siefert
Original assignee: Kienzle Uhrenfabriken GmbH
Current assignee: Kienzle Uhrenfabriken GmbH
Priority date: 1967-02-03
Filing date: 1967-02-03
Publication date: 1970-10-22
Also published as: CH59368A4; CH502639A; GB1165091A; US3501655A; DE1613176B2; FR1552628A

Description

Schwenningen a.W.

20.5.1969

EIEWZLE UHREIO¹ABRIKEn GMBH
Schwenningen a.N.

Drehschwingmotor

Die vorliegende Erfindung "bezieht sich auf einen drehzahlstabilen Motor als Frequenznormal, welcher zwei gegeneinander verdrehbare Rotorhälften mit Magnetpolen aufweist, die über ein elastisches G-lied miteinander verbunden sind, wobei der Antrieb über Stromimpulse in Stromspulen erfolgt und mindestens eine Rotorhälfte mit Steuerspulen einer elektronischen Schaltung zusammenarbeiten.

Es wurden bereits drehzahlstabile Motoren als Frequenznormal vorgeschlagen, die aus zwei gegeneinander verdrehbaren Rotorhälften bestehen, die über einen Torsionsstab elastisch miteinander verbunden sind. Jede der Rotorhälften weist eine Anzahl Permanentmagnetpole auf. Jede der Rotorhälften arbeitet mit einem Weicheisenstator zusammen, wobei der eine Stator dag Erregerapulensystem, und der andere Stator das Arbeitaapulensystem trägt. Beide Spulensysteme sind über eine elektronische Schaltung miteinander verbunden. Bei der Drehung des Rotors werden dxioh die eine Rotorhälfte in der Steuerspule Steuer'spannungen induziert, die verstärkt über die

009*43/0583

Sehwenningen a.M". . - §* -

·³ 16Τ317 β

elektronische Schaltung.in der Arbeitsspule Stromimpulse erzeugen, die antreibend auf die andere Rotorhälfte wirken. Die eine Rotorhälfte wird also angetrieben, während an der anderen Rotorhälfte elektromagnetische Hemmkräfte zwischen Rotorhälfte und Stator wirken. Die Antriebsmomente auf der einen Rotorhälfte und die Hemm- bzw. Störmomente auf der anderen Rotorhälfte bewirken Torsionsschwingungen zwischen diesen beiden Rotorhälften (DBP 1 149 437).

Dieser bekannte Drehschwingmotor ist mit erheblichen Nachteilen behaftet. Von der technischen Seite aus ist es außerordentlich schwierig, den Torsionsstab in beiden Rotorhälften einwandfrei zu befestigen. Eine einwandfreie Befestigung ist wegen der geforderten Zeithaltung unbedingt erforderlich. Die Zeithaltung ist auch in starkem Maße von der Temperatur abhängig, infolge der Veränderung der magnetischen Eigenschaften der Rotoren mit der Temperatur. Weiterhin ist eine starke Empfindlichkeit gegen Lageänderungen festzustellen, was bedingt ist durch die Durchbiegung der außerordentlich dünnen Torsionswelle. Infolge der dünnen Torsionswelle und der relativ großen Massen der beiden Rotorhälften ist das System außerordentlich empfindlich gegen Rütteleinflüsse und Stöße. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die beiden Statoren sehr genau zu den Rotorhälften justiert werden müssen. Die Motoren haben außerdem die Eigenschaft, bei gleichbleibender Resonanzfrequenz in verschiedenen harmonischen Drehzahlen laufen zu können. Zudem ist ein Selbst anlauf des Systems infolge der magnetischen Haltekräfte nicht zu erreichen,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung djfeser Nachteile,

009843/0503

KIENZiLE UHRENFABRIKEN GMBH

Schwenningen a,N. - «£. -

P 16 13 176.3 20.5.1969 ' 16 1 317Q

Bei einem drehzahlstabilen Motor als Frequenznormal der eingangs genannten Art wird erfindungsgemäß vorgeschlagen» daß die Spulen I/uftspulen sind und auf beide Rotorhälften gleichzeitig periodische dur'ch die Induktionsspannung in den Steuerspulen gesteuerteund über eine elektronische Schaltung verstärkte Stromimpulse der Stromspulen wirken, wobei beim Auftreten der Impulse, wenn in den Steuerspulen eine Spannung induziert wird, die Magnetpole einer Rotorhälfte über den mit ihnen zusammenwirkenden Stroraspulen, die Magnetpole de?.anderen Rotorhälfte dagegen unter dem 'Winkelt zu den mit ihnen zusammenwirkenden Stromspulen stehen.

In einer Ausftthrungsform ist die Anordnung so getroffen, daß beim Auftreten der Impulse die Magnetpole der einen Rotorhälfte über den Steuerspulen und relativ unter dem Winkel oC zu den Stromspulen und die Magnetpole der anderen Rotorhälfte gleichzeitig über den Stromspulen stehen.

In einer anderen Aus :ftihrungs form stehen die Magnetpole der einen Rotorhälfte beim Auftreten der Impulse über den Steuer- und den Stromspulen, während die Magnetpole der anderen Rotorhälfte relativ zu den Stromspulen unter dem Winkel<flC stehen.

Durch die Stromimpulse, die durch die Steuerspule Über die elektronische Schaltung bewirkt werden, wird die eine Rotorhälfte angetrieben, während die gleichen Stromimpulse in der anderen Rotorhälfte Störmomente bewirken, die die !Drehe chwingung zwischen den beiden Rotorhälften erregen. Biese Störmomente werden also elektromagnetisch erzeugt, wirken nur kurzzeitig und zum richtigen Augenblick, Dadurch wird der Wirkungsgrad des Systems wesentlich erhöht. Außerdem erreicht das System beim Anlauf außerordentlich rasch seine

009843/0563

Schwenningen ä»N. """■"."-' -Sr <--

Resonanzfrequenz, in der es auch, "bei RUtteleinflüssen und Stößen verbleibt. Als wesentlicher Vorteil ist noch zu erwähnen, daß dieses System von selbst anläuft, wenn in der elektronischen Schaltung ein RC-Glied vorgesehen ist.

Die beiden Rotorhälften können entweder über eine Spiralfeder oder über eine Wendelfeder miteinander verbunden sein. Hierdurch sind die Schwierigkeiten bei der Befestigung der Feder und ihre ungünstigen Einflüsse auf die Zeithaltung des Systems umgangen. Bei dem so gestalteten System ist es somit möglich, Rotorwellen zu verwenden, die sich nicht durchbiegen können, so daß der Motor in allen Lagen betrieben werden kann.

Durch die Versetzung um den WinkeloC wird auch erreicht, daß der Motor stets nur in einer Drehrichtung läuft. Die weiteren Vorteile des Systems werden anhand der Zeichnungen erläutert.

Figur -1 zeigt ein System mit zwei übereinander angeordneten Rotorhälften in der Seitenansicht.

Figur 2 zeigt die gleiche Anordnung in Draufsicht.

Figur 3 und Figur 4 zeigen ein weiteres System mit in der gleichen Ebene rotierenden Magnetpolen.

Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf das System nach Figur und Figur 4.

Figur 6 stellt das System nach Figur 3 bis 5 in perspektivischer Ansicht dar.

Figur 7 zeigt eine weitere Variante in der Anordnung der Magnetpole und der Spulen.

009843/0563

Schwenningen ,a.if.
P 16 13 176.3
20.5.1969

Figur 8 stellt eLn System mit nur einer Stromspule dar, während ,

Figur 9 dieses System in der Draufsicht zeigt,

!fach Figur 1 besteht der Motor aus zwei Rotorhälften 4 und 9« Die Welle 10 der Rotorhälfte 9 ist gelagert im gestellfesten lager 13 und im lager 15 der Welle 11 der Rotorhälfte 4, die ihrerseits noch gelagert ist!im ge-* stellfesten lager 14. Beide Rotorhälften sind elastisch miteinander verbunden über die Spiralfeder 6, die mit ihrem inneren Ende bei 8 mit der Welle 10 und an ihrem äußeren Ende bei 7 mit der Rotorhälfte 4 verbunden ist.

Die Rotorhälfte 4 trägt Permanentmagnete 5»' die sich über Luftspulen 1 und 2 drehen. Hierbei ist die Spule 1 die Steuerspule und die Spule 2 eine Stromspule. Beide Spulen 1 und 2 sind über eine elektronische Schaltung miteinander verbunden. Bei der Drehung des Rotors werden durch die Magnete 5 in der Spule 1 Spannungen induziert, die einen Stromfluß in den Spulen 2 und 3 bewirken. Die Stromspulen 3 arbeiten hierbei mit den Permanentmagneten 24 der Rotorhälfte 9 zusammen. Da beim Stromfluß durch die Spulen. 2 und 3 die Permanentmagnete 24. um den Winkelweg oC von den Spulen 3 entfernt sind, wird auf die Rotorhälfte 9 ein Störmoment ausgeübt, die das aus den Massen 4 und 9, und der Rückstellkraft 6 bestehende System in Drehschwingungen versetzt. Während also beim Stromfluß die Spulen 3 ein Störmoment bewirken, erzeugt der gleichzeitig auftretende Strom durch . die Spulen 2 ein Antriebsraoment auf die Rotorhälfte 4'.

Die gleiche Wirkung wird auch erzeugt bei der' Anordnung nach Figur 7, bei der die Erregerspule 1 von den Permanentmagneten 5 und die S^tf umspulen 3 von-den Permanentmagneten 24 gleichzeitig Überschwüngen Werdens so daß der Stromimpuls durch die Spulen 3 nunmehr die Rotor

6 -

Schwenningen a.Ή.
P 16 13 176.3
20.5*1969

halfte 9 antreibt, während die Strom spule 2', die gleichzeitig vom Strom durchflossen wird, um die Winkelstellung öC von den Permanentmagneten 5 angeordnet ist. In diesem Fall wirkt also das Störmoment auf die Rotorhälfte 4, die gleichzeitig die Induktionsspannung erzeugt, während an der Rotorhälfte 9 das Antriebsmoment wirkt.

In den Figuren 3 his 6 ist eine besonders raumsparende Anordnung gezeigt. Hierbei sind die beiden Rotorhälften 4' und 9¹ ineinander geschachtelt, d.h. die Spulen 1, 2 und 3, sowie die Permanentmagnete 5 und 24 sind auf der gleichen Ebene angeordnet. Beide Rotorhälften 4* und 9' sind über eine Wendelfeder 6¹ miteinander elastisch verbunden. Die jeweiligen Ansteckpunkte der Wendelfeder 6' befinden sich bei 8· und 7*. Die Welle 10, auf der sich das Abtriebsritzel 11 befindet, ist starr mit der Rotorhälfte 9· verbunden. Wie die Figur 3 zeigt, ist die Welle 10 einmal im gestellfesten lager 13 und zum zweiten im lager 16 der Rotorhälfte 4' gelagert. Die lage des Lagers 16 ist seinerseits bestimmt durch den gestellfesten Zapfen 12. Dieses lager 16 befindet sich vorzugsweise im Massenmittelpunkt der Rotorhälfte 4'. Eine andere lageranordnung ist in Figur 4 gezeigt, wobei die mit der Rotorhälfte 9^r verbundene Welle 10 einmal im gestellfesten lager 13 und im gestellfesten Lager 14 gelagert ist. Die Rotorhälfte 4¹ ist ihrerseits über das Lager 17 auf der Welle 10 gelagert.

Bei der Anordnung nach Figur 3 bis Figur 6 übernimmt ein- > mal die Rotorhälfte 4¹ die Steuerung und den Antrieb, während auf die Rotorhälfte 9' das Störraoment wirkt, während bei einer Drehung um 90 Grad Steuerung und Antrieb durch die Rotorhälfte 9'bewirkt werden, währen«!, das Störmoment auf die Rotorhälfts 4¹ wirkt. Es- ist natürlich auch möglich* daß die Spulenanordnung entsprechend der Figur 7 getroffen ist. Die Anordnung nach Figur 3 bis 6

EIMZIiE tIHRMFABRlKEN GHBH - .'.*>.vSt[^. ,

Schwenningen a«,H₉ ' '

P t6 13 176,3 20.5.1969 IfI 317Q

hat neben der geringen Bauhöhe den großen Vorteil, daß ein relativ großes Antriebsmoment abgegeben wird.

Eine weitere bevorzugte Anordnung ist in Figur 8 und 9 dargestellt. Bei dieser Anordnung wird nur eine einzige Stromspule 21 verwendet, die mit beiden Rotorhälften 4'^r und 9¹¹ zusammenarbeitet. Die Steuerspule 1 arbeitet dagegen nur mit den Permanentmagneten einer Rotorhälfte zusammen. Die Magnetpole 22 bzw. '2,3 der Rotorhälften 4^lf bzw. 9^fl sind um den Winkelbetrag öC gegeneinander versetzt. Die beiden Spulen 1 und 21 stehen einander gegenüber, was der Anordnung nach Figur 2 und 5 entspricht. Die Spule 21 kann.jedoch auch um äen Winkelbetrag dC aus dieser lage gedreht sein, und nimmt dann "die lage 21* 'ein, wobei dann die Wirkungsweise derjenigen nach Figur 7 entspricht. Besonders vorteilhaft ist die getroffene lageranordnung, wobei die Welle 25» die im leger 13 und 14 gelagert ist, mit der Wendelfeder 6* In ihrer Mitte, also an ihrem Schwingungsknoten verbunden ist. Die Verbindung zwischen Welle 25 und Wendelfeder 6« erfolgt Über die Scheibe Die Abstimmung des Drehschwingsystems auf seine Sollfrequenz erfolgt hierbei über denRtiekerzeiger 20, der auf der Buchse 19 drehbar gelagert ist und duroh den die aktive Länge der Spiralfeder 6* verändeit werden kann. Die Anordnung nach Figur 8 hat den großen Vorteil, daß die Abstimmung auf die Sollfrequens5 während des Stillstandes des Drehschwingsys'tems erfolgen kann. Die Welle 25 wird hierbei über das Ritzel 11 festgehalten und die Rotorhälfte 4'^f in Schwingungen versetzt, die sich dann selbst unterhalten. Bei diesen Schwingungen im Stand kann dann der Rückerzeiger 20 verstellt werden, bis die gewünschte SollfrequeE erhalten ist. ' -^; ". --..-■ '-. :■ v . ;.; y _;

Als wesentlich ist noch_i zu erwähnen, daß die Befestigung der Feder 6 bzw. 6* an den Befestigungsstellen 7 bzw* 7^f und 8 bzw. 8* spannungsfrei erfolgt, was beispielsweise durch Kleben vorgenopaien werden kann* Die Feder 6 bzw.

009643/0563

Schwenningen a.N.

behält somit auch nach der Befestigung ihre natürliche Kurve bei, was sehr wesentlich für die Zeithaltung ist.

Die Versuche mit den dargestellten Systemen haben gezeigt, daß diese ausschließlich nur in ihrer Sollfrequenz und Solldrehzahl arbeiten. Ein Betrieb in harmonischen Drehzahlen ' ist ausgeschlossen, was bedingt sein- dürfte durch die relativ geringe Eigenfrequenz des Systems und die großen Pol- bzw. Spulenabstände.

Einen einwandfreien Selbstanlauf in nur einer Drehrichtung· erhält man, wenn man bei der elektronischen Schaltung ein RG-Glied vorsieht, wobei dann die elektronische Schaltung beim Stillstand des Rotorsystems in einer Eigenfrequenz schwingt, die etwas unterhalb der Eigenfrequenz der mechanischen Schwingungen liegt.

009843/0563

Claims

Schwenningen a,N, * '

Patentansprüche

1. Drehzahlstabiler Motor als Frequenznormal eines zeithaltenden elektrischen Geräts, welcher zwei gegeneinander verdrehbare Rotorhälften mit Magnetpolen aufweist, die über ein elastisches Glied miteinander verbunden sind, wobei der Antrieb über Stromimpulse erfolgt und mindestens eine Rotorhälfte mit Steuerspulen einer elektronischen Schaltung zusammenarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (i, 2, 2«, 3, 21, 21») Luftspulen sind und auf beide Rotorhälften (4, 4^!, 4", 9, 9', 9") gleichzeitig periodische, durch die Induktionsspannung in den Steuerspulen (1) gesteuerte und über eine elektronische Schaltung verstärkte Stromimpulse, der Stromspulen (2, 2 ■ ·, 3, 21,21') wirken, wöbei be im Auftreten der Impulse, wenn in den Steuerspulen eine Spannung induziert wird, die Magnetpole einer Rotorhälfte über den mit ihnen zusammenwirkenden Stromspulen, die Magnetpole der anderen Rotorhälfte dagegen unter dem Winkel e£ zu den mit ihnen zusammenarbeitenden Stromspulen stehen. '-'■--..■-■:"

?. Motor nach Anspruch 1_S dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten der Impulse die Magnetpole der feinen Rotorhälfte gleichzeitig über den Steuer- und Stromspulen (1, 2, 21) und die Magnetpole der anderen Rotorhälfte relativ zu den Stromspulen (3, 21) unter dem Winkel cC stehen.

Schwenningen a,N. . , . ; ■" , ··· · ■

3. Motor nach Anspruch 1", dadurch gekennzeichnet, da beim Auftreten der Impulse die Magnetpole der einen Rotorhälfte über den Steuerapulen (1) und relativ unter dem Winkel oQ zu den Stromspulen (2¹, 21·*·) und die Magnetpole der anderen Rotorhälfte gleichzeitig über den Stromspulen (3, 21') stehen.

4. Motor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (5, 24) gleichmäßig am Umfang verteilt und die Spulen (3) unter dem Winkel dC versetzt zu den Polen (24) der Rotorhälfte (9, 9') angeordnet sind, wenn bei entspanntem elastischem Glied (6, 6') die Pole der Rotorhälfte (4, 4') über den Spulen (1, 2) stehen.

5. Motor nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (5, 24) gleichmäßig am Umfang verteilt sind und die Spule (2^f) um den Winkelt versetzt zu den Polen (5) der Rotorhälfte (4, 4¹) angeordnet ist, wenn bei entspanntem elastischem Glied (6, 6¹) die Pole (5) über den Steuerspulen (1) und die Pole (24) der anderen Rotorhälfte (9, 9¹) gleichzeitig über den Spulen (3) stehen.

6. Motor nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeiiinet, daß die gleichmäßig am Umfang verteilten Pole (23) des Rotors (9^MI) gegenüber den gleichmäßig am Umfang verteilten Polen (22) des Rotors (4^fl) um den Winkelcf versetzt sind.

7_T Motor nach Anspruch 1,2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (1) und die für beide Rotoren (4¹¹, 9^ft) gemeinsame Stromspule (21) einander gegenüber angeordnet sind.

Sehwenningen a.N. ' .

.JA

8. Motor nach Anspruch 1, 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die für beide Rotoren (4¹S 9'*) gemeinsame Stromspule (21') gegenüber der Erregerspule. (1) um den Winkel cC versetzt ist.

9. Motor nach Ansprüöh 1_? 2 und A₉ dadurch gekennzeichnet, daß beide Rotorhäliteii (4, 9) Übereinander angeordnet und über eine Spiralfeder (6) miteinander elastisch verbunden sind, wobei dae eine linde der Rotorwelle (10) der Rotorhälfte (9*) in der Welle < 11) der Rotorhälfte (4) gelagert ist und die Spulen (1, 2) mit dem Rotor (4) und die Spulen (3) mit dem Rotor (9) zusammenarbeiten.

10. Motor nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (5, 24) 4er Rotorhälften (4·, 9¹) in einer Ebene angeordnet und mit den in gleicher Höhe angeordneten Spulen (1, 2, 3) eusammenwirkeii.

11. Motor nach Anspruch 6, 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rotorhälften (4* 4¹, 4", 9, 9% 9'^f) Über eine Wendelfeder (6^f) miteinander elastisch verbunden sind.

12. Motor nach Anspruch6> 7, 9 bis 11, dadurch gekenneeichnet, daß die Welle (10) der Rotorhälfte (9_? 9', ^"^f) in einem geötellfeeten leger(13) und einem lager (16) der anderen Rotorhälfte (4, 4*, 4*¹) gelagert ist, dessen lage seinerseits durch einen gestellfesten Zapfen (12) bestimmt ist,

13. Motor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das leger (16) im Massenmittelpunkt der Rotorhälfte (4, 4', 4',¹X angeordnet 1st.

0 09843/0563

Sehwenningen a*N*

- , . IdIo I / q

14. Motor nach Anspruch 6, 7, 9 "bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (10) der Rotorhälfte (9, 9', 9¹V) in gestellfesten Lagern (13, 14) gelagert und die Rotorhälfte (4-, 4^f, 4") auf dieser Welle (10) gelagert ist.

15. Motor nach Anspruch 6, 7, 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendelfeder (6·) in ihrer Mitte über eine Scheibe (18) mit der Welle (25) verbunden ist, auf der die Rotorhälften (4, 4¹, 4", 9, 9% 9^lf) gelagert sind.

16. Motor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Buchse (19) der Scheibe (18) ein die aktive Länge der Feder (6¹) veränderbarer Regulierzeiger (20) angeordnet ist.

ORIGINAL INSPECTED

009843/Q563

Lee rs er te