DE2103802B2 - Elektrodynamischer motor mit einer spule und einem magnetsystem, die gegeneinander beweglich angeordnet sind - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft elektrodynamische Motoren für die Anwendung auf dem Gebiet der Zeitmeßtechnik, bei denen eine Spule und ein Magnetsystem, das mindestens einen Permanentmagneten aufweist, gegeneinander beweglich angeordnet sind und die Kraftlinien des Permanentmagneten im freien Feld W· .düngen der Spule etwa senkrecht zur Richtung der Beweglichkeit schneiden. Solche Motoren sind beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 882, der deutschen Offenlegungsschrift 907 und der schweizerischen Patentschrift 448904 beschrieben.

Es ist bekannt, daß die in derartigen Motoren auftretenden Kräfte und Drehmomente nicht allein von der elektrischen Durchflutung der Spulen, sondern auch von der magnetischen Feldstärke der Permanentmagneten bzw. von der magnetischen Induktion in den elektromotorisch wirksamen Bereichen der Spulen abhängen. In der Zeitmeßtechnik sollen solche ü:3ktromotoren üblicherweise bei geringem Energieumsatz, bzw. bei geringer Leistung, verhältnismäßig große Kräfte erzeugen.

Will man dies erreichen, muli man sowohl der Konstruktion der Spule als auch dem Magnetsystem eines solchen elektrodynamischen Motors fur die Anwendung auf dem Gebiet der Zeitmeßtechnik sein he·- >nderes Autienmerk zuwenden. Das Magnet-Wein s_O!l die Windungen der Spule möglichst vollständig und möuliehsi eng umschließen, damit der elektromotorisch wirksame Hereich der Spule und die magnetic h..· Induktion in diesem Bereich möglichst groß sind. Diese Bedingung erfordert eine möglichst genaue Anpassung licsWignetischen Materials an die Hum .'er Spule, !.eitler widersetzen sieh gerade magnetische Materialien hoher Koerzitivkraft einer besondere.'] Formgebung, so daß das Anpassen des Magnetsystem*. an die Form der Spule jedenfalls bisher sehr aufwendig und teuer war. Zwar haben sich für extreme Bedingungen, die in der Zeitmeßtechnik praktisch immer vorliegen, bestimmte Platin-Kobalt-Legierungen als besonders vorteilhaft erwiesen. Magnetische Materialien dieser Art sind an sich schon sehr teuer und eine spanabhebende Formgebung in großem Umfang kommt aus wirtM-'iaftlichen Gründen kaum in Frage. Das Neueste auf dem Gebiet der Magnetenmaterialien ist aber eine Zusammensetzung aus Elementen der Gruppe der seltenen Erden und aus Kobalt: so ist z. B. aus der »Elektrotechnische Zeitschrift«. Ausgabe A, 90. Jhrg. (1969), H. 18, Seiten 431 his 435, bekannt, daß die Legierung aus einem Mol-Teil Samarium und fünf Mol-Teilen Kobalt zu Permanentmagneten besonders hoher Energie und Koerzitivkraft führt. Außerdem ist diese Legierung wegen ihres günstigen Preises (siehe »Elektrotechnische Zeitschrift« Ausgabe B, Bd. 21 (1969), H. 9, S. 224) für industrielle Anwendungen besonders geeignet.

Gegen die Anwendung dieser Materialien aber bestanden bedeutende Bedenken, da sie praktisch überhaupt nicht bearbeitbar sind, weil sie so hart und so spröde sind, daß jede spanabhebende Bearbeitung praktisch ausgeschlossen ist. Die Sprödigkeit ist so ausgeprägt, daß man geformte Magnete zwischen den Fingern zerreiben kann.

Bisher war die Spule des elektrodynamischen Motors für die Zeitmeßtechnik Gegenstand höchster Verfeinerung, die allerdings in der Produktion sehr teuer ist. Die Materialkosten für gute elektrische Leiier und gute elektrische Isolation fallen zwar im gegebenen Anwendungsbereich wirtschaftlich nicht ins Gewicht. Mit der Feinheit der Spulendrähte steigen aber die Produktionsschwierigkeiten und die Kosten ganz erheblich. Auch mit Bezug darauf sind dem Konstrukteur insbesondere für Kleinuhren technische und ökonomische Grenzen gesetzt.

In Erkenntnis der beschriebenen Sachlage liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektrodynamischen Motor der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der bei verhältnismäßig geringem Energieumsatz mit hohem Wirkungsgrad eine verhältnismäßig große Kraft erzeugt und mit einfachen Mitteln billig herzustellen ist. Erfindungsgemäß liegt die Lösung der genannten Aufgabe in dei Kombination der folgenden Markmale:

a) das Magnetsystem weist mindestens eine geschlossene Gruppe von pastillenförmigen Flachmagneten auf, die längs einer Spulenseite nebeneinander angeordnet sind und mit gleich gerichteter Polarität zueinander parallel im magnetischen Pfad liegen und gemeinsam einen Pol des Permanentmagnetes bilden.

h) tue Flachmagnele sind aus Elementen der Gruppe der seltenen Erden und aus Kobalt zusammengesetzt.

tiine besonders zweckmäßige und vorteilhafte Konstruktion ist dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem aus einem im Querschnitt U-förmigen .Magnetjoch aus ferro-magnetischeni Material besteht, an dessen einer der beiden zueinander etwa parallelen Innenflächen die Flachmagnete sind und daß das Magnetjoch die Spule umgreift. Diese Formgebung des Magnelsystcms ist an sich aus der deutschen Offenlegungssehritl 1 523 9Ü7 bereits bekannt. Vr.izugsweise sind die Flachmagnete aus Samarium und Kobalt zusammengesetzt. Günstig ist dabei die Zusammensetzung aus einem Mol-Teil Samarium und fünf Mol-1 eilen Kobalt.

Diese Materialien sind magnetisch wesentlich stärker als alle diejenigen, die bisher für elektrodynamische Motoren angewendet wurden. Allerdings sind sie auch so hart und spröde, daß man sie einer besonderen Formgebung, beispielsweise der Anpassung an eine Spulenform, praktisch nicht mehr unterziehen kann. Wenn also beispielsweise die genannte Legierung aus Samarium und Kobalt vom Produzenten in Form kreiszylindrischer Stäbe oder Pillen in den Handel gebracht wird, so kann man daraus praktisch nur noch pillenförmige Flachmagnete herstellen, die natürlich nicht an die Form der Spule eines normalen elektrodynamischen Motors angepaßt sind. Dieser Nachteil, der wegen des Mangels an Anpassungsfähigkeit des neuen Materials entsteht, wird aber auf Grund der ganz erheblichen Steigerung der magnetischen Kraft ausgeglichen und darüber hinaus werden die Grenzen der technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten erheblich erweitert werden.

Bei dem Magnetsystem nach der schweizerischen Patentschrift Nr. 448904 sind stabförmige Magnete vorgesehen, die sich längs eines geraden Teils einer Spule erstrecken. Diese Ausführung hat den zweifachen erheblichen Nachteil, daß rechteckige Magnete länglicher Form, also verhältnismäßig teure Magnete erforderlich sind, und daß die Ausnützung der Felder dieser Magnete gerade Spulenseiten erforderlich sind. Die Herstellung derartiger gerader Spulenseiten ist jedoch sehr schwierig und in der Praxis dürfte nahezu unvermeidbar sein, daß diese »gerade« Spulenseite in der Mitte breiter ist als an den Enden, was unweigerlich zu einer schlechteren Ausnützung des Magnetfeldes führen wird. Die deutschen Offenlegungsschrift 1523 882 zeigt zwar eine günstigere Spulenform, aber dafür noch ungünstigere Magnetformen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Draufsicht auf einen elektrodynamischen Motor, dessen Magnetsystem am freien Ende des einen Schwingarms eines zweiarmigen, mechanischen Resonators angeordnet ist,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Motor nach F i g. 1 entlang der · ,trichpunktierten Linie ΙΙ-Π und Fig. 3 die Seitenansicht des Motors nach Fig. Der als Ausführungsbeispiel dargestellte Motor besteht im wesentlichen aus einer Spule 1 und einem Magnetsystem 2. Das Magnetsystem ist am freien Ende eines einseitig eingespannten Schwingarms 3

befestigt.

heicsiigi.

Die Spule 1 ist im wesentlichen aus Windungen e ner Drahtwieklung 4 und einem Spulenkörper £ zi sammengesetzi, der die Wicklung trägt. Im Spulei. körper 5 können sich die Einzelteile einer elektrischen Schaltung hefinden_: die zusammen mit der Spule, dem Magnetsystem und dem Schwingarm einen elektromechanischen Oszillator bilden.

ίο Das Magnetsystem 2 bestellt im wesentlichen aus einem im Querschnitt U-förmigen Magnetjoch 7 und aus drei kreiszylindrischen, pillenförmigen Flachma- «nelen 8, 9 und 10, die an einer Innenfläche 11 von zwei zueinander etwa parallelen Innenflächen des Magnet jochs angeordnet sind. Das Magnet joch umgreift einseitig die Windungen der Wicklung 4, die im Bereich der Flachmagneten ciwa senkrecht von den Feldlinien der Flachmagnete geschnitten wird.

Das Magnetjoch 7 besteht aus verhältnismäßig billigem, ferro-magnetischem Material, voi; dem ledig- licl hohe Permeabilität bei hoher magnetischer Induktion verlangt wird. Die drei Flachmagnete 8, 9 und 10 bestehen aus einer Samarium-Kobalt-Legierung, bei der das molare Mengenverhältnis zwischen Samarium und Kobalt 1 : 5 (Mol-Teile) beträgt. Diese Le gierung hat die Eigenschaft sehr hoher Koerzitivkraft und magnetischer Remanenz und bildet sehr beständige Dauermagnete. Dementsprechend hoch ist auch die durch die Hachmagnete im elektromotorisch wirksamen Bereich der Wicklung 4 erzeugte, magnetische Induktion.

Bisher wurde in entsprechenden elektrodymanischen Motoren die Innenfläche 11 des Magnetjochs 7 vollständig mit einem Magnetbarren aus einer Platin-Kobalt-Legierung belegt und so der elektromotorisch wirksame Bereich der Wicklung 4 möglichst groß gehalten. Auf Grund der Pillenform der Flachmagnete 8,9 und 10 ist zwar der elektromotorisch wirksame Bereich der Wicklung 4 ersichtlich kleiner als im Fall einer totalen Belegung der Innenfläche 11. Die besondere Materialauswahl für die Flachmagnete ermöglicht aber eine wesentlich stärkere, magnetische Induktion im verbleibenden, elektromotorisch wirksamen Bereich der Wicklung, so daß der neue Motor bei gleichem Gesamtvolumen wesentlich stärker ist als die bisher bekannten Motoren.

Wenn die Wicklung 4 von elektrischem Strom durchflossen wird, entsteht zwischen ihr und dem Magnetjoch 7 eine zu den Windungen der Wicklung senkrechte Kraft. Die Wicklung 4 stützt sich dabei auf dem Spulenkern 5 ab, der seinerseits über zwei Schrauben 13 und 14 auf einer nicht näher bezeichneten Grundplatte btfestigt ist.

Abschließend sei erwähnt, daß der Schwingarm zu einem Resonator gehört, der einen zweiten, dazu spiegelbildlich angeordneten Schwingarm aufweist. Dieser zweite Schwingarm trägt in bekannter Weise an seinem freien Ende ein dem Magnetsystem 2 vergleichbares Magnetsystem, das den noch freien Teil So der Wicklung 4 umgreifen kann. Wenn elektrischer Strom die Spule 1 durchfließt, greifen an dem Magnetsystem 2 und dem nicht dargestellten Magnetsystem des zweiten Schwingarms des Resonators entgegengesetzt gerichtete Kräfte an.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrodynamischer Motor für die Anwendungauf dem Gebiet der Zeitmeßtechnik, bei dem eine Spule und ein Magnetsystem, das mindestens einen Permanentmagneten aufweist, gegeneinander beweglich angeordnet sind und die Kraftlinien des Permanentmagneten im freien Feld Windungen der Spule etwa senkrecht zur Richtung der ic Beweglichkeit schneiden, gekennzeichnet du rc Ii die Kombination der folgenden Merkmale:

a) das Magnetsystem (7 bis lü) weibt minde stens eii,e geschlossene Gruppe von pastillenförmigen Flachmagneten (8 bis 10) auf, die längs einer Spulenseite nebeneinander angeordnet sind und mit gleich gerichteter Polarität zueinander parallel im magnetischen Pfad liegen und gemeinsam einen Po¹ des Permantentmagneten bilden,

b) die Flachmagnete (8 bis 10) sind aus Elementen der Gruppe der seltenen Erden und aus Kobalt zusammengesetzt.

2. Elektrodynamischer Motor nach Anspruc h 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachmagnete (8 bis 10) au' Sama ium und Kobalt zusammengesetzt sind.

3. Elektrodynamischer h utor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flach- magnete (8 bis 10) aus einem Mol-Teil Samarium und fünf Mol-Teilen Kobalt zusammengesetzt sind.

4. Elektrodynamischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem aus einem im Querschnitt U-förmigen Magnetjoch (7) aus ferro-magnetischem Material besteht, an dessen einer der beiden zueinander etwa parallelen Innenflächen die Flachmagnete (8 bis 10) angeordnet sind, und daß das Magnetjocb die Spule (4) umgreift.