DE2135929B1 - Vorrichtung zur erzeugung einer drehbewegung mittels mindestens einer pulsierenden antriebskraft - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Drehbewegung mittels mindestens einer wechselnden, insbesondere magnetischen Antriebskraft durch die Benutzung von längs geschlossener Abwälzbahnen unterschiedlicher Länge aufeinander abrollenden Teilen, von welchen das eine mit seiner Bahn durch die Antriebskraft gegen die Bahn des anderen anlegbar ist.

Die Umwandlung einer pulsierenden, insbesondere oszillierenden Antriebskraft in eine Drehbewegung ist in sehr vielen Fällen erforderlich. Bei großen Leistungen erfolgt die Umwandlung üblicherweise über Kurbelwellen, wobei im allgemeinen kein Selbstanlauf gewährleistet ist. Bei kleinen Leistungen, z. B. in Uhren, erfolgt die Umwandlung mittels Klinken, Antriebshemmungen u. dgl. Diese letztgenannte Ausführung eignet sich jedoch für mittlere Leistungen im Apparatebau, z. B. für Synchronmotoren, schlecht, denn sie ist teuer, erfordert aufwendige Montagearbeiten und ist sehr empfindlich gegen äußere Einflüsse im Betrieb.

Andererseits beruhen bekannte, selbstanlaufende Synchronmotoren allgemein auf der Erzeugung eines Drehfeldes, das die Anlaufrichtung bestimmt. Die Erzeugung eines Hilfsfeldes mittels Kurzschluß-Scheiben

ίο oder Hilfswicklungen ist jedoch mit einem gewissen konstruktiven Aufwand und zugleich Leistungsverlust verbunden. Es sind bereits Schrittschaltaggregate bekannt, bei welchen eine Taumelscheibe durch ein drehendes Feld in eine Taumelbewegung versetzt wird und sich dabei auf einer festen Bahn abwälzt, wobei entsprechend einer Längendifferenz der sich aufeinander abwälzenden Bahnen die Taumelscheibe in ihrer Taumelbewegung überlagerte Drehbewegungen ausführt, deren Drehzahl wesentlich geringer ist als die

ao Frequenz der Taumelbewegung.

Ferner sind Schrittschaltaggregate bekannt (»Der Responsyn-Schrittmotor«, s. Zeitschrift Antriebstechnik, Bd. 8 [1969], Nr. 12, S. 465, oder deutsche Patentschrift 1 228 486), bei denen ein schrittweise rotierendes magnetisches Feld eine entsprechende Rotation auf ein flexibles Übertragungselement überträgt, das formschlüssig über eine Umfangsverzahnung oder kraftschlüssig mit einem weiteren Übertragungselement in Verbindung steht. Dadurch wird die Rotation des magnetischen Feldes direkt in eine Antriebs-Drehbewegung, jedoch mit stark herabgesetzter Geschwindigkeit, aber dafür stark erhöhtem Drehmoment, umgewandelt. Aber auch bei diesen Maschinen beruht die Funktion auf der Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes.

Es sind auch Untersetzungsgetriebe bekanntgeworden (USA.-Patentschrift 3 532 005), die über flexible Übertragungselemente mit Umfangsverzahnung durch eine erzwungene, periodische Verformung eines rotierenden Druckorgans die meistens sehr hohe Drehzahl eines Antriebsmotors auf eine bedeutend geringere Drehzahl reduziert und dafür aber das Drehmoment wesentlich erhöht. Auch bei Vorrichtungen dieser Art wird die Funktion nur durch ein rotierendes Antriebsorgan gewährleistet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine pulsierende oder oszillierende Antriebskraft ohne Zuhilfenahme eines Drehfeldes in eine Drehbewegung umwandelt,

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung davon aus, daß die Antriebskraft stets an derselben Stelle eines von zwei aufeinander abrollenden Teilen angreift und daß zusätzlich eine Hilfskraft asymmetrisch zur Wirkungslinie der Antriebskraft vorgesehen ist, um ein Abrollen der in der Ruhelage voneinander getrennten Teile auf den Bahnen zu bewirken.

Als Hilfskraft kann vorzugsweise eine Massenkraft, Reibkraft, Federkraft od. dgl. durch die Bewegung entstehende Kraft dienen. Es genügt also z. B. eine Taumelscheibe mit bezüglich des Angriffspunktes der Antriebskraft oder -kräfte asymmetrischer oder unausgewuchteter Massenverteilung vorzusehen, um einen Anlauf in bestimmter Richtung zu bewirken.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Wandlers kann in vielen Fällen darin liegen, daß im Ruhestand das Antriebsorgan entkuppelt ist. Bei den dargestellten Synchronmotoren ist der Rotor bei ausgeschaltetem Motor frei drehbar.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 bis 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Arbeitsbetriebes,

F i g. 4 und 5 schematisch den Aufbau eines Synchronmotors gemäß der Erfindung,

F i g, 6 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Synchronmotors und

F i g. 7 bis 9 schematisch weitere Ausführungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die der Erläuterung des zugrunde liegenden Arbeitsprinzips dienenden F i g. 1 bis 3 zeigen eine untere, feststehende Scheibe 1 und eine obere, im Mittelpunkt M kugelgelenkig gelagerte Scheibe 2. Die Scheibe 2 trägt zwei zentralsymmetrisch gegenüberliegende Zusatzmassen 3, so daß die Scheibe 2 im kräftefreien Zustand im Gleichgewicht ist und parallel zur Scheibe 1 liegt. Diese Ruhestellung kann in der Praxis durch eine Direktionskraft bestimmt sein.

Greift nun an der Scheibe 2 ein Kräftepaar P, P' an, wobei die Kraftangriffsstellen auf einer Achse 4 liegen, die seitlich der Massen 3 verläuft, so wird die Scheibe 2 verschwenkt. Wäre die Massenverteilung der Scheibe 2 homogen, d. h., würden die Zusatzmassen 3 fehlen, so würde die Scheibe 2 eine Kippbewegung nach vorn unten in einer die Achse 4 enthaltenden Vertikalebene ausführen, bis ihr Rand am vorderen Endpunkt der Achse 4 auf die untere Scheibe 1 auftreffen würde. Dann wäre das System im Gleichgewicht, und es würde keine weitere Bewegung eintreten. Bei synchron oszillierenden Kräften P und P' würde die Scheibe 2 um eine zur Achse 4 senkrechte Achse durch den Aufhängepunkt A eine Schwingung ausführen.

Wirken jedoch die Massenkräfte der Zusatzmassen 3, so trachten diese Massenkräfte die oben beschriebene Bewegung zu hindern. Die Scheibe 2 wird also vorne rechts langsamer aus der Ruhelage nach F i g. 1 absinken und hinten links langsamer ansteigen. Es ergibt sich eine Kippbewegung um eine Achse, die nicht senkrecht zur Achse 4 steht. Die Scheibe 2 wird somit schief kippen und gemäß F i g. 2 z. B. mit dem Punkt B die Scheibe 1 berühren. Dieser Punkt B liegt eindeutig seitlich der Achse 4. Wirken nun die Kräfte P und P' weiter, so wirkt auf die Scheibe 2 ein Kippmoment in Richtung des Pfeils Km. F i g. 2, das zur Folge hat, daß sich die Scheibe2 nach rechts in Fig. 2 auf der Scheibe 1 abzuwälzen beginnt, d. h., der Berührungspunkt B zwischen den beiden Scheiben 1 und 2 wandert längs des Umfanges nach rechts. F i g. 3 zeigt, daß nach einer gewissen Zeit der Berührungspunkt B in die Nähe der Achse 4 gewandert ist. Sofern die Kräfte P und P' immer noch wirken, wirkt auch weiterhin ein Moment K auf die Scheibe 2, daß die Abrollbewegung rechts herum weiterhin unterstützt. Wenn nun die Kräfte aufhören, geht die Abrollbewegung infolge der Trägheit der Scheibe 2 weiter. Es ist nun eine Frage der Bemessung der Scheibe 2 mit ihren Zusatzmassen 3 und der Größe und Frequenz der Antriebskräfte P und P', ob die Abwälzbewegung der Scheibe 2 mit den pulsierenden oder oszillierenden Antriebskräften in Tritt fällt oder nicht. Praktische Versuche haben ergeben, daß nicht nur ein Anlauf, sondern ein Anlauf in bestimmter Richtung und ein sehr rasches Intrittfallen der Scheibe 2 mit oszillierenden Antriebskräften erreicht werden kann. Sind die Längen der Bahnen, längs welcher sich die beiden Scheiben 1 und 2 aufeinander abwälzen, etwas verschieden, so überlagert sich der Taumelbewegung der Scheibe 2 eine langsame Drehung. Die Vorrichtung kann somit zugleich als Bewegungswandler und Frequenzwandler wirken.

Die F i g. 4 und 5 zeigen mehr oder weniger schematisch eine mögliche Ausführung eines Synchronmotors. Die in nicht dargestellter Weise gelagerte Welle 5 trägt mittels zweier Naben 6 und Federscheiben 7 Scheiben 8. An den Scheiben sind Permanentmagnete 9 und Zusatzmassen 10 angebracht, wobei die Magnete paarweise entgegengesetzt gepolt sind, sodaß ein Kräftepaar gemäß F i g. 1 bis 3 entsteht. Die Magnete liegen im Feld einer Spule 11. An den Außenrändern der Scheibe 8 sind Zahnkränze 12 angebracht, welchen leicht konische Zahnkränze 13 an einem ringförmigen Stator gegenüberliegen. Die Zahnkränze 12 weisen eine Zahl von Zähnen auf, die möglichst wenig von der Zähnezahl der Zahnkränze 13 abweicht.

Wenn die Spule 11 mit Wechselstrom erregt wird, wirken auf die Magnete 9 jeder Scheibe Kräftepaare gemäß F i g. 1 bis 3, und die Massen 10 bewirken eine Kippbewegung wie sie oben an Hand der F i g. 1 bis 3 beschrieben worden ist. Die Federscheiben 7 bewirken hierbei praktisch eine Kugellagerung der Scheibe 8, d. h., diese Scheibe können die oben beschriebene Taumelbewegung ausführen. Wie erwähnt, fallen die Scheiben nach sehr kurzer Startphase in Tritt und führen je eine Taumelbewegung aus, wobei die Zahnungen 12 und 13 ständig im Eingriff bleiben und sich aufeinander abwälzen. Da die Zähnezahlen etwas verschieden sind, drehen sich die Scheiben 8 langsam in einer Richtung. Es erfolgt also zugleich eine sehr erwünschte Untersetzung und Erhöhung des Drehmomentes, das von den Scheiben 8 über die Federscheiben 7 und die Naben 6 auf die Welle 5 übertragen wird.

F i g. 6 zeigt einen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Synchronmotors. Die Spule 14 dieses Motors ist von einem Stator aus magnetisierbarem Material umgeben, der auf einer Seite der Spule 14 einen Luftspalt 15 bildet. Der Stator besteht aus einer Nabe 16 und zwei damit vernieteten Blechteilen 17 und 18. Auf der Außenseite des Statorbleches 17 sitzt ein Zahnkranz 19. Die Welle 20 ist in der Nabe 16 gelagert, und ihr eines Ende ist mittels eines Kardangelenkes 21 mit der Taumelscheibe 22 verbunden, welche entgegengesetzt polarisierte Magnete 23 und Zusatzgewichte 24 trägt. Die Taumelscheibe 22 ist mit einem Zahnkranz 25 versehen. Im vorliegenden Falle beträgt die Zähnezahl am Stator 119 und an der Taumelscheibe 120. Bei einer Taumelfrequenz der Scheibe von 50 see-¹ ergibt sich eine Drehzahl von

50 (120 - 119)

η = — sec"

120

oder

η =

120

60 = 25 min-¹.

Gemäß F i g. 7 ist eine Scheibe 26 mit nicht näher dargestellter inhomogener Massenverteilung bezüglich zweier Magnetpole JV und S mit Spiel in einem Ring 27 angeordnet. Wirken auf die Pole JV und S radiale Kräfte, so legt sich infolge der Massenkräfte die Scheibe 26 etwas seitlich der Wirkungsrichtung der Kräfte gegen den Ring 27 an und wird in eine Abwälzbewegung längs des Ringes 27 versetzt, ähnlich wie dies an Hand der F i g. 1 bis 3 erläutert wurde.

5 6

Gemäß Fig. 8 wird die Abwälzbewegung nicht durch Wirbelströme, durch passend bemessene Zumehr eigentlich durch an einer starren Scheibe an- satzmagnete od. dgl. erzeugt werden,
greifende Kräfte erzielt, sondern durch entsprechende Die Antriebskräfte können auf anderem als magneelastische Verformung einer Scheibe 28. Vier Magnete tischem Wege erzeugt werden, z. B. pneumatisch oder oder Pole der Scheibe 28 stehen unter der Wirkung 5 hydraulisch. An Stelle oszillierender Antriebskräfte eines axialen Wechselfeldes, das im dargestellten können auch pulsierende verwendet werden, d. h., die Augenblick die Nordpole N gegen eine untere Scheibe in den Ausführungsformen dargestellten Permanent-29 anlegt. Bei der nächsten Halbwelle des Wechsel- magnete könnten auch durch Weicheisenteile ersetzt feldes werden die mit Südpolen besetzten Stellen der sein, auf welche Magnetfelder wirken.
Scheibe 28 gegen die Scheibe 29 angelegt. Um noch zu io Die Anwendung der beschriebenen Vorrichtung ist einer gerichteten Abwälzbewegung des Randes der sich überall möglich, wo pulsierende Antriebskräfte verelastisch verformenden Scheibe 28 zu gelangen, ist fügbar sind und wo eine Rotationsbewegung ereine bestimmte asymmetrische Massenverteilung auf wünscht ist. Ähnliche Probleme wie beim Synchronder Scheibe 28 vorzusehen. motor treten auch bei der Umwandlung der Schwin-

Die Ausführung nach F i g. 9 sieht einen elastisch 15 gungsbewegung eines Resonators, z. B. einer Stimmverformbaren Innenring 30 vor, der in einem starren gabel oder eines Schwingungsmotors in elektronischen Außenring 31 liegt. Pole N und S bezeichnen die An- Uhren auf. Auch dort wird ein streng synchroner Lauf griffspunkte von radial wirkenden Kräften, die den bei möglichst starker Untersetzung zwischen Antriebselastisch verformten Ring abwechslungsweise stellen- frequenz und Abtriebsdrehzahl gewünscht. In diesem weise gegen den Außenring 31 anlegen. Durch zusatz- 20 und vielen anderen Fällen kann es problematisch erliche Kräfte, zum Beispiel Massenkräfte, wird in der scheinen, die verfügbare Schwingungsbewegung auf beschriebenen Weise eine Abwälzung in bestimmten die sich langsam drehende Taumelscheibe zu über-Drehsinne erreicht. tragen. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, ist es ohne

Die Antriebs- und Hilfskräfte können auf anderem weiteres auch möglich, die Taumelscheibe drehfest zu

als dem bisher für die Ausführungsbeispiele ange- 25 lagern, so daß sie nur die Taumelbewegung, nicht aber

gebenen Wege erzeugt werden. Anstatt Zusatzmassen eine derselben überlagerte Drehung ausführt, und da-

zur Erzielung der gewünschten dynamischen Asym- für den Träger der Bahn, auf welcher die Taumel-

metrie der Scheibe bezüglich der Antriebskräfte anzu- scheibe abrollt, drehbar zu lagern. Der Träger wird

bringen, können Teile der Scheibe durch Ausstanzen dann entsprechend dem Längenverhältnis der gegen-

von Material leichter gemacht werden. Die Hilfskräfte 30 seitig abrollenden Bahnen bzw. dem Verhältnis der

können aber auch auf einem anderen, die Bewegung Zähnezahlen von ineinandergreifenden Zahnkränzen

der Scheibe in bestimmtem Sinne hemmenden oder in Drehung versetzt. Es wäre somit in einer solchen

begünstigenden Wege erzeugt werden, beispielsweise Anordnung durchaus möglich, ein mechanisches

durch Reibung. So könnte z. B. bei der Ausführung Kopplungsglied zwischen einem Schwinger, z. B. einer

nach F i g. 6 das Kardangelenk so ausgeführt werden, 35 Stimmgabel, und einem Taumelorgan vorzusehen und

daß in der passenden Schwenkrichtung eine erhöhte die Taumelbewegung durch die Stimmgabelschwin-

Reibung auftritt. Die Zusatzkräfte könnten aber auch gung anzuregen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer Drehbewegung mittels mindestens einer wechselnden, insbesondere magnetischen Antriebskraft durch die Benutzung von längs geschlossener Abwälzbahnen unterschiedlicher Länge aufeinander abrollenden Teilen, von welchen das eine mit einer Bahn durch die Antriebskraft gegen die Bahn des anderen anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebskraft stets an derselben Stelle des einen Teils angreift und daß zusätzlich eine Hilfskraft (3, 10) asymmetrisch zur Wirkungslinie der Antriebskraft vorgesehen ist, um ein Abrollen der in der Ruhelage voneinander getrennten Teile (1,2; 8,13; 19,22; 26,27; 28,29; 30,31) auf den Bahnen zu bewirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskraft als Zusatzmasse (3; 10; 24) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Teil (2, 8, 22) als Taumelscheibe ausgebildet ist, die in einem Punkt mittels Blattfedern (7) oder eines Kardangelenkes (21) an einer Achse (5, 20) beweglich aufgehängt ist, wobei die Hilfskraft seitlich zu einer durch den Aufhängepunkt und die Angriffsstelle der Antriebskraft bestimmten Achse liegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am gehäusefesten Teil eine insbesondere durch Wechselstrom betriebene Spule (11, 14) und am taumelnden Teil (2,8,22) zwei einander diametral gegenüberliegende Magnete (9, 23) angebracht sind, die entgegengesetzt gerichtete Antriebskräfte erzeugen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (23) in einem ringförmigen Luftspalt (15) liegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine, der Antriebskraft ausgesetzte Teil (38, 30), elastisch verformbar ist und sich unter elastischer Verformung durch die Antriebskraft und Hilfskraft auf dem gehäusefesten Teil (29, 31) abwälzt, wobei die Eigenfrequenz des elastisch verformbaren Teiles auf die Anregungsfrequenz abgestimmt ist.