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Elektromotor Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, der in Abhängigkeit
von zugeführten elektrischen Signalen steuerbar ist, insbesondere einen Elektromotor,
der als Wandler in einer elektrischen Armbahnduhr verwendbar ist, um elektrische
Signale in eine mechanische Drehung umzuwandeln, oder der als Schrittantrieb zur
Steuerung der Lage verschiedener Teile mit einer hohen Genauigkeit verwendbar ist.
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Bekannte Elektromotoren konnten bisher nicht als Wandler in elektrischen
Armbanduhren oder als Schrittmotoren Verwendung finden, die eine hohe Genauigkeit
erfordern, weil sie zu groß sind und für die Frequenz der Eingangssignale unvermeidliche
Instabilitäten zeigen. Die Ausbildung eines Rotors, der zur Anpassung an einen derartigen
Verwendungszweck hinreichend klein ist, führt zu dem Nachteil, daß es schwierig
ist, den Magnetfluß des Rotors zu verstärken, wenn er ein Permanentmagnet ist. Dagegen
war es bisher nicht möglich, einen aus einem Elektromagneten bestehenden Rotor zu
verwenden, weil dieser zu groß ausgebildet sein müßte. Andererseits ist es bekannt,
daß bei einem dreiphasigen Schrittmotor mit einem Rotor und einer Anzahl von Polen
drei
magnetische Statoren vorgesehen werden können, die ebenfalls
eine Anzahl von Polen in einer derartigen Anordnung haben, die um 120° versetzten
Pole des Stators unterschiedlich zu denjenigen des Rotors auszurichten, um den Rotor
in Abhängigkeit von dem einem entsprechenden Stator zugeführten dreiphasigen Signal
zu drehen. Ein derartiger Schrittmotor könnte stufenweise gedreht werden, was aber
nicht genau erfolgen kann, weil der Rotor auf Grund der dreiphasigen Polbeziehung
gesteuert wird. Ferner würde der bekannte Schrittmotor nicht betätigt werden, wenn
das zugeführte Signal sinusförmig ist, so daß es sich nicht kontinuierlich drehen
könnte. In einem derartigen Schrittmotor würden ferner ungleichmäßige alternierende
Magnetflüsse entlang der Oberfläche des Rotors erzeugt, was zu einer ungeeigneten
Ausnutzung des Magnetflusses und deshalb zu einem ungleichen Drehmoment des Rotors
führen würde.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Elektromtor der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß er kontinuierlich und genau in Abhängigkeit von
Frequenzänderungen der elektrischen Signale gesteuert werden kann, die dessen elektromagnetischen
Einrichtungen zugeführt werden, indem die Änderungen der Magnetflüsse in geeigneter
Weise ausgenutzt werden, die durch Zufuhr der elektrischen Signale erzeugt werden.
Ferner soll der Elektromotor stufenweise in Abhängigkeit von und entsprechend impulsförmigen
Signalen gesteuert werden, die von den Eingangssignalen abgeleitet werden, und zwar
mit einer deren Unterteilung proportionalen Genauigkeit. Der Motor soll ferner gleichmäßig
rotieren können, indem Pole des Stators oder Rotors entlang dessen Umfangsfläche
verteilt werden, so daß ein gleichmäßiges Drehmoment erzeugt wird. Ein derartiger
Elektromotor sollschließlich klein und billig sein, daß er als Wandler in einer
elektrischen Armbanduhr verwendbar ist.
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Ein Elektromotor gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß sein Rotor mit einer vorherbestimmten Anzahl von Zähnen oder Polen mit gleichen
Abständen entlang einem Umfangsbereich versehen ist, während der Stator eine oder
mehrere Einheiten elektromagnetischer Einrichtungen enthält. Jede elektromagnetische
Einrichtung enthält eine Einrichtung zur Erzeugung einer
Vormagnetisierung,
zwei Feldkerne und eine Spule, welcher die elektrischen Signale zugeführt werden.
Zwei der Feldkerne sind um den Rotor mit vorherbestimmten Abständen angeordnet und
mit Zähnen oder Polen an ihren Innenflächen derart versehen, daß jeder Feldkern
eine Einheit von elektromagnetischen Einrichtungen eine vorherbestimmte Zahnlage
relativ zu den Zähnen des Rotors hat. Die durch die Einrichtung erzeugte Vormagnetisierung
bewirkt einen Magnetfluß, der von einem der Feldkerne durch den Rotor zu einem anderen
verläuft und durch magnetische Wechselfelder moduliert wird, die bei Zufuhr der
alternierenden Eingangssignale erzeugt werden. Der maximale modulierte Magnetfluß
tritt aufeinanderfolgend an dem Spalt zwischen den Zähnen des Kerns und des Rotors
auf, die um 90° phasenverschoben sind. Deshalb rotiert der Rotor kontinuierlich
oder stufenweise, bis die Zähne des Rotors mit denjenigen des Kerns ausgerichtet
sind, wodurch eine neue Phasenbeziehung der Zähne aufeinanderfolgend bei Zuführung
der Signale erzeugt wird, und ein Zyklus in Abhängigkeit von demjenigen der zugeführten
Signale wiederholt wird.
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Zusammenfassend sind deshalb die wesentlichen Merkmale der Erfindung
in einem Elektromotor zusehen, der kontinuierlich oder stufenweise in Abhängigkeit
von zugeführten Signalen gesteuert werden kann, und dessen Rotor mit einer vorherbestimmten
Anzahl von Polen in gleichen Abständen entlang dem Umfang versehen ist, während
der Stator zumindest eine Einheit von elektromagnetischen Einrichtungen enthält,
Die eleKtromagnetische Einrichtung enthält eine Einrichtung zur Erzeugung eines
vormagnetisierenden Magnetflusses, zwei Feldkerne, die mit Polen versehen sind,
die eine vorherbestimmte Phasenbeziehung zu den Polen des Rotors aufweisen, sowie
eine Spule, der alternierende elektrische Signale zugeführt werden, um die Drehung
des Rotors durch dadurch erzeugte alternierende Magnetflüsse entsprechend der Phasenbeziehung
zu steuern, die zwischen den Zähnen'des Rotors und des Feldkerns besteht.
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es
zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht durch einen Elektromotor gemäß der Erfindung,
wobei auch das durch die elektromagnetischen Einrichtungen
erzeugte
Magnetfeld dargestellt ist; Fig. 2 eine graphische Darstellung der den elektromagnetischen
Einrichtungen zugeführten Eingangssignale; Fig. 3 einen vormagnetisierenden Magnetfluß,
der durch einen alternierenden Magnetfluß amplitudenmoduliert ist, welcher bei Zufuhr
von Eingangssignalen erzeugt wurde; Fig. 4 eine Fig. 1 entsprechende Ansicht einer
Lage, in welcher den elektromagnetischen Einrichtungen ein positiver maximaler bzw.
kein Strom zugeführt wird; Fig. 5 eine Lage nach einem Viertel Zyklus nach der Lage
in Fig. 4, wonach kein Strom oder ein positiver maximaler Strom denselben elektromagnetischen
Einrichtungen zugeführt wird; Fig. 6 eine Lage nach einem halben Zyklus entsprechend
der Lage in Fig. 4, wobei ein negativer maximaler bzw. kein Strom den betreffenden
elektromagnetischen Einrichtungen zugeführt wird; Fig. 7 eine Lage nach drei Viertel
eines Zyklus, wobei kein bzw. ein negativer maximaler Strom den betreffenden elektromagnetischen
Einrichtungen zugeführt wird; Fig. 8 eine Schnittansicht durch ein anderes Ausführungsbeispiel
eines Elektromotors gemäß der Erfindung, wobei der Rotor radial magnetisiert ist,
um ein vormagnetisierendes Magnetfeld zu erzeugen; Fig. 9 eine Einrichtung zur Einstellung
der Phasenbeziehung der Zähne und des Spalts zwischen den Zähnen von Rotor und Stator;
Fig. 10 eine Teilansicht einer Einrichtung zur magnetischen Kopplung der Rotor-
und Statorzähne; Fig. 11 einen Querschnitt durch die Einrichtung in Fig. 10; Fig.
12 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Elektromotors gemäß
der Erfindung, wobei eine Anzahl von Einheiten elektromagnetischer Einrichtungen
entlang der Innenfläche des Rotors in gleichen Abständen angeordnet sind; Fig. 13
eine schematische Schnittansicht durch eine der Einheiten von elektromagnetischen
Einrichtungen eines Elektromotors
in Fig. 12; Fig. 14 schematische
Ansichten entsprechend der Drehlage des Rotors in Abhängigkeit von Vorzeichenänderungen
der Eingangssignale; Fig. 15 zeine graphische Darstellung von Impulssignalen, die
durch ein sinusförmiges Signal amplitudenmoduliert sind, welche Signale jeder der
elektromagnetischen Einrichtungen zugeführt werden; Fig. 16 eine graphische Darstellung
von Impulssignalen zu einer gegebenen Zeit, wenn diese den elektromagnetischen Einrichtungen
zugeführt werden; und Fig. 17 eine schematische Schnittansicht eines Elektromotors
gemäß der Erfindung, worin der Magnetfluß bei Zufuhr von Eingangssignalen in Fig.
16 dargestellt ist.
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Der in Fig. 1 dargestellte Elektromotor hat einen Rotor 10 und einen
Stator 20. Entlang dem Außenumfang des Rotors 10 sind eine Anzahl von Polen 11 ausgebildet,
die in gleichen Abständen zueinander versetzt angeordnet sind. Der Stator 20 besteht
aus einem Rahmen 21, der rechteckförmig ausgebildet ist und gewöhnlich aus einem
magnetisierbaren Material wie weichem Eisen oder Permalloy besteht, sowie aus zwei
elektromagnetischen Einrichtungen 22 und 23. Die elektromagnetische Einrichtung
22 enthält zwei Feldkerne 24 und 25 und ein Joch 28, um welches eine Spule 29 gewickelt
ist. Die elektromagnetische Einrichtung 23 ist wie die elektromagnetische Einrichtung
22 ausgebildet, und enthält zwei Feldkerne 26, 27 und ein Joch 30, um welches eine
Spule 31 gewickelt ist. Das Joch 28 und das Joch 30 können einstückig mit den Feldkernen
24, 25 bzw. 26, 27 ausgebildet sein, obwohl gewöhnlich aus Herstellungsgründen eine
getrennte Ausbildung vorgesehen wird. Die Spulen 29 und 31 haben an ihren beiden
Enden Anschlüsse 36, 37 bzw. 38, 39, an die z.B. sinusförmige Eingangssignale oder
sinusförmig amplitudenmodulierte Impulssignale in Abhängigkeit von Arbeitsinstruktionen
zugeführt werden.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder der Feldkerne
24 bis 27 mit einer konkaven Innenfläche mit daran ausgebildeten
Zähnen
und Aussparungen versehen, die abwechselnd mit demselben Abstand wie die Zähne 11
auf der Oberfläche des Rotors 10 angeordnet sind. Die elektromagnetische Einrichtung
22 ist an der Unterseite des Rahmens 21 derart befestigt, daß der untere Teil des
Rotors 10 durch die Feldkerne 24 und 25 in einem Abstand d umgeben ist. Wenn die
Zähne 12 des Rotors 10 entlang dem Feldkern 24 mit den Zähnen 32 davon ausgerichtet
sind (in Phase), sind die Zähne 13 entlang dem Feldkern 25 so angeordnet, daß sie
mit den Aussparungen zwischen den Zähnen 33 ausgerichtet sind (1800 phasenverschoben).
Andererseits ist die elektromagnetische Einrichtung 23 an der Oberseite des Rahmens
21 wie die elektromagnetische Einrichtung 22 befestigt, mit der Ausnahme, daß die
zentralen radialen Linien der Zähne 14 und 15 mit den rechten und linken Kanten
der Zähne 34 bzw. 35 ausgerichtet sind, wenn die Zähne 12 in Phase mit den Zähnen
32 sind. Diese Zustände entsprechen also einer Phasenverschiebung von 90 bzw. 2700.
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Es ist zu beachten, daß jeder der Zähne 12 bis 15 des Rotors entlang
den Feldkernen 24 bis 27 in derselben Beziehung mit den entsprechenden Zähnen 32
bis 35 gehalten wird, weil die Außenfläche des Rotors 10 entlang denselben Abständen
wie die Innenflächen der Feldkerne 24 bis 27 mit Aussparungen versehen ist.
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Der Rahmen 21 des Stators 20, welcher aus einem magnetisierbaren
Material besteht, wird durch das starke Magnetfeld derart magnetisiert, daß beispielsweise
ein Nordpol N im Oberteil des Rahmens in Fig. 1 vorhanden ist, während der Südpol
S in dem unteren Teil liegt, so daß der davon abgeleitete Magnetfluß von den Feldkernen
26 und 27 durch den Rotor 10 zu den Feldkernen 24 und 25 verläuft, wie durch die
Zeile H in Fig. 1 angedeutet ist. In diesem Fall wird die Größe des magnetischen
Flusses durch den Rotor 10 so eingestellt, daß er größer als derjenige wird, der
von jeder der elektromagnetischen Einrichtungen 22 und 23 abgeleitet wird, wenn
die elektrischen Signale über die Spulen 29 und 31 zugeführt werden, wie später
noch näher erläutert werden soll. Ferner kann der Rahmen magnetisiert sein, um gegenüberliegende
Magnetpole aufzuweisen, indem ein Elektromagnet anstelle eines Permanentmagnets
Verwendung findet. Zur Vereinfachung
der Erläuterung wird von den
Spulen 29 und 31 angenommen, daß sie in der in Fig. 1 dargestellten Richtung gewickelt
sind.
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Bei einer derartigen Anordnung des Elektromotors bleibt der Rotor
10 in dem Stator 20 bei dem Zustand stationär, wenn die elektromagnetischen Einrichtungen
22 und 23 nicht durch die Zufuhr elektrischer Signale an den Spulen 29 und 31 über
die Eingangsanschlüsse 36 bis 39 erregt werden, weil keine Differenz bei den Magnetflüssen
H vorhanden ist, der von dem Rahmen 21 durch die Feldkerne 24 bis 27 senkrecht zu
dem Umfang des Rotors 10 verläuft, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Dann wird ein
sinusförmiger Strom A (Fig. 2) der Spule 29 zugeführt, während ein um 900 zu dem
Strom A phasenverschobener Strom B der Spule 31 zugeführt wird. Der Strom A bewirkt
den Magnetfluß H' (in den Fig. 4 bis 7 in gestrichelten Linien dargestellt), der
von dem Feldkern 24 durch den Rotor 10 zu dem Feldkern 25 oder umgekehrt verläuft,
je nach dem Vorzeichen des zugeführten Stroms. Der Strom B erzeugt einen Magnetfluß,
der um 900 gegenüber demjenigen phasenverschoben ist, der durch den Strom A erzeugt
wird.
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Der Verlauf der Magnetflüsse ist sinusförmig, da deren Größe proportional
dem zugeführten Strom ist, weshalb in Fig. 3 neben der Stromstärke I der Magnetfluß
H in Klammern angegeben ist.
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Andererseits tritt der Magnetfluß H des Rahmens 21 in die Feldkerne
24-27 ein oder daraus aus, so daß der resultierende Fluß über den Magnetspalten
zwischen dem Rotor und den Feldkernen durch den sinusförmigen Magnetfluß wiedergegeben
ist, der entsprechend Fig. 3 durch den Magnetfluß H überlagert ist, so daß sich
ein Maximalwert H + H' und ein Minimalwert H - H' ergibt.
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Es ist zu beachten, daß die Größe des Magnetflusses H gleich oder
größer als diejenige ist, die von der Zufuhr der elektrischen Signale abgeleitet
wurde.
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Zum Zeitpunkt tl, wenn der der elektromagnetischen Einrichtung 22
zugeleitete Strom A seinen positiven Maximalwert erreicht, während der Strom B gleich
Null wird, wird nur der magnetische Fluß H' durch die elektromagnetische Einrichtung
22 erzeugt, welcher von dem Feldkern 25 durch den Rotor 10 zu dem Feldkern 24 verläuft,
wie in Fig. 4 in gestrichelten Linien dargestellt ist. Als Folge davon wird der
resultierende Magnetfluß,
der durch die elektromagnetischen Einrichtungen
und den magnetisierten Rahmen um jeden der Feldkerne 24 bis 27 erzeugt wird, H +
H', H - H', H und H, wobei der maximale Magnetfluß H + H', der um den Feldkern 24
erzeugt wird, wo die Zähne 12 des Rotors mit den Zähnen 32 des Kerns ausgerichtet
sind, weshalb sich der Rotor 10 in einem Gleichgewichtszustand befindet, so daß
keine Drehung des Rotors 10 in diesem Zustand auftritt.
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Zum Zeitpunkt t2, wenn der Strom A gleich Null und der Strom B seinen
positiven Maximalwert hat, wird ein Magnetfluß H' induziert, der von dem Feldkern
26 durch den Rotor 10 zu dem Feldkern 27 verläuft. Deshalb wird der maximale resultierende
Magnetfluß H + H' um den Spalt zwischen den Zähnen 14 und den Zähnen 26 erzeugt,
die um 900 phasenverschoben zueinander sind, wodurch die Zähne 34 die Zähne 14 anziehen,
um den Rotor 10 im Uhrzeigersinne zu verdrehen, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Eine
derartige Drehung des Rotors 10 ergibt eine neue Phasenbeziehung: In Phase an dem
Feldkern 26, 180° phasenverschoben an dem Feldkern 27, 900 phasenverschoben an dem
Feldkern 25 und 2700 phasenverschoben an dem Feldkern 24. Zum Zeitpunkt t3, wobei
der Strom A seinen negativen Maximalwert und der Strom B gleich Null ist, wird der
maximale Magnetfluß H + H' um den Feldkern 25 (Fig. 6) erzeugt, wobei die Zähne
um 900 phasenverschoben sind, aufgrund des aus dem Feldkern 24 austretenden und
in dem Feldkern 25 durch die Betätigung der elektromagnetischen Einrichtung 22 eintretenden
Magnetflusses, so daß der Rotor 10 in derselben Weise und in der erwähnten Richtung
weitergedreht wird, bis sich eine neue Phasenbeziehung ergibt, wobei eine Phasenverschiebung
von 90° an dem Feldkern 27 auftritt. In entsprechender Weise wird der maximale Magnetfluß
H + H' um den Feldkern 27 (Fig. 7) zur Zeit t4 erzeugt, wobei der Strom A gleich
Null und der Strom B seinen negativen Maximalwert hat, weshalb der Rotor in derselben
Richtung um einen entsprechenden Winkel weitergedreht wird. Daraus ist ersichtlich,
daß sich der Rotor 10 um einen Zahnabstand bei jedem Zyklus der Eingangssignale
dreht, die den elektromagnetischen Einrichtungen 22 und 23 zugeführt werden, und
daß er sich kontinuierlich in derselben Richtung in der Abhängigkeit von weiteren
Signalzyklen dreht. Ferner ist zu beachten, daß die Drehrichtung des Rotors
umgekehrt
werden kann, indem die Phasenvoreilung oder Phasenverzögerung der Ströme eingestellt
wird welche den elektromagnestischen Einrichtungen 22 und 23 zugeführt werden.
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Der Magnetfluß H, der zur Überlagerung der Magnetflüsse1dient, die
von der Betätigung der elektromagnetischen Einrichtungen abgeleitet werden, kann
durch radiale Magnetisierung des Rotors 10 erzeugt werden, so daß Nordpole N und
Südpol S an dessen zentralem Teil erzeugt werden, wie in Fig. 8 dargestellt ist,
anstatt den Rahmen 20 zu magnetisieren oder als Elektromagnet auszubilden. In diesem
Fall gelangen die vormagnetisierenden Magnetflüsse von den Nordpolen N zurück zu
den Südpolen S, treten aus den Feldkernen 24 bis 27 im wesentlichen ser*recht zu
der Zeichenebene aus, wobei ihre Größe in einem Abstand von dem Rotor 10 verringert
ist, so daß der Magnetfluß H in Fig. 8 in den Zwischenräumen zwischen den Zähnen
des Rotors und des Stators auftritt.
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In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß die antreibenden Magnetflüsse,
die an den Feldkernen 26 und 27 auftreten, entgegensetzt im Vergleich zu dem Elektromotor
sind, bei dem der magnetisierende Rahmen 2Q mit einem Nordpol und einem Südpol Verwendung
findet, wie in Fig. 1 dargestellt ist Daraus ist ersichtlich, daß der Rotor 10 sich
in der einen Richtung in Abhängigkeit von der Zufuhr von elektrischen Signalen zu
den elektromagnetischen Binrichtungen 22 und 23 drehen kann, die um 900 außer Phase
sind, vorausgesetzt, daß1 wenn die Zähne 32 sich in Phase mit den Zähnen 12 befinden,
die Zähne 34 um 2700 außer Phase mit den Zähnen 13 sind, während die Zähne 35 um
90° außer Phase mit den Zähnen 15 sind.
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Um die oben erwähnten Eigenschaften eines Elektromotors gemäß der
Erfindung zu gewährleisten, ist es von Bedeutung, daß die vorherbestimmte Phasenbeziehung
für jeden der Zähne der Feldkerne und des Rotors zusammen mit den Spaltabständen
genau eingestellt sind. Wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, wird deshalb jede der Feldkerne
24 bis 27 mit tangential verlängerten Schlitzen 42 und 43 an beiden Enden und einem
radial verlängerten Schlitz 44 an dem zentralen Teil versehen, in die exzentrische
Stifte 45,
46 und 48 eingesetzt sind, um die Phasenbeziehungen
und die Spaltabstände zwischen den Zähnen des Rotors und der Feldkerne einzujustieren.
Die Feldkerne 24 bis 27 werden nach der Einjustierung an einem Stützglied durch
Schrauben 40 und 41 befestigt.
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Wenn bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen die Zähne des Stators,
nach Einstellung der Zähne des Rotors8 in Abständen entsprechend den Fig. 1 und
8 vorgesehen sind, kann sich in gewissen Fällen der Nachteil ergeben, daß der Elektromotor
einen großen Streufluß und deshalb - ausgenommen an den gegenUberliegenden Zähnen
von Stator und Rotor - Streuverluste hat, was insbesondere dann unerwünscht sein
kann, wenn diese Motoren für Armbanduhren Verwendung finden sollen.
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Die Fig. 10 und 11 zeigen deshalb ein anderes Ausführungsbeispiel
mit einer Einrichtung zur flimagnetischen Kopplung des Rotors mit dem Stator für
einen Elektromotor gemäß der Erfindung, in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung
und unter Vermeidung der genannten Nachteile. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
hat jeder Zahn 11 des Rotors an seiner Außenfläche eine U-förmige oder rechteckförmige
Nut 62, eo daß jeder der Zähne 63 des Statora- durch diese hindurchtreten kann.
Wie in Fig. 11 dargestellt ist, umgeben Vorsprünge 60 und 61 die Spitze der Zähne
63 am Stator, weshalb sich geringere magnetische Verluste und Leistungsverluste
aufgrund vergrößerter Bereiche gegenUberliegender Zähne des Stators und des Rotors
ergeben. Ferner ist ersichtlich, daß der entsprechende Effekt durch eine andere
Kopplungseinrichtung erzielt werden kann, wobei die Zähne des Stators an ihren Polen
die U-förmigen oder rechteckförmigen Nuten aufweisen, durch welche die Zähne des
Rotors hindurchtreten können.
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Fig. 12 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Elektromotors
gemäß der Erfindung, welcher einen hohlzylindrischen Stator 70 und einen Rotor 71
enthält, der koaxial mit dem Stator 70 mit einem Magnetspalt d an einer Drehwelle
72 angeordnet ist.
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Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 70 mit einer
vorherbestimmten Anzahl von Zähnen 73 versehen die winkelig versetzt entlang dessen
Außenumfang angeordnet sind. Auf der Innenfläche des Stators 70 sind in gleichen
Abständen eine Anzahl
von elektromagnetischen Einrichtungen 74
angeordnet, von denen jede aus einem Joch 75 aus Weicheisen oder Permalloy besteht,
welches an der Innenfläche des Stators 70 durch eine Schraube 76 befestigt ist.
An dem Joch 75 sind zwei Permanentmagnete 77 und 78 derart befestigt, daß die Magnetpole
der Magnete 77 und 78, die zu dem Joch 75 weisen, jeweils umgekehrt vorgesehen sind.
Ferner ist ein Elektromagnet mit zwei Feldkernen 79 und 80 vorgesehen, der eine
Spule 81 aufweist. Wie am besten aus Fig. 13 ersichtlich ist, sind an der Innenfläche
des Feldkerns eihe Anzahl von Zähnen vorgesehen, welche dieselbe Breite und denselben
Abstand wie die Zähne 73 des Rotors in einer solchen Phasenbeziehung haben, daß
in der elektromagnetischen Einrichtung 74a, wenn die linken Zähne 95 des Feldkerns
79a in Phase mit den Zähnen 85 des Rotors sind, die rechten Zähne 96 davon mit 1800
Phasenverschiebung zu den Zähnen 86 liegen, während die linken bzw. rechten Zähne
97, 98 des Feldkerns 80a um 1800 phasenverschoben zu den Zähnen 87 bzw. 88 sind.
In der benachbarten elektromagnetischen Einrichtung 74b sind andererseits die linken
Zähne 99 bzw. 101 der Feldkerne 79b, 80b um 90° phasenverschoben zu den Zähnen 89
und 91, während die rechten Zähne 100 bis 102 der Feldkerne l0Oa und 102a um 270
zu den Zähnen 90° bzw. 92 phasenverschoben sind. Ferner ist die Zahnlage der elektromagnetischen
Einrichtungen, die abwechselnd im Vergleich zu der elektromagnetischen Einrichtung
74a angeordnet sind, so wie bei der elektromagnetischen Einrichtung 74a vorgesehen,
während die abwechselnd im Vergleich zu der Einrichtung 74b angeordneten elektromagnetischen
Einrichtungen wie die Einrichtung 74b angeordnet sind. Daraus ist ersichtlich, daß
eine Anzahl von elektromagnetischen Einrichtungen 74a, 74b, 74c, 74d etc. (Fig.
12) aus einer Anzahl von Einheiten bestehen, von denen jede zwei elektromagnetische
Einrichtungen 74a und 74b aufweist, welche die erwähnte vorherbestimmte Phasenlage
haben.
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Bei einem derartigen Elektromotor wird der angreifende Magnetfluß
H durch zwei Permanentmagnete 77a und 78a für jede der elektromagnetischen Einrichtungen
derart erzeugt, daß diese an dem Nordpol N des Magnets 77a beginnt, durch den Feldkern
79a
und den Rotor 71 verläuft und wieder durch den Feldkern 80a
zu dem Südpol S davon zurückkehrt, wobei eine Verstärkung durch den Magnet 78a erfolgt,
so daß nach unten gerichtete Magnetflüsse über den Magnetspalten zwischen dem Rotor
und dem linken Feldkern 79a von jeder elektromagnetischen Einrichtung auftreten,
während nach oben gerichtete Magnetflüsse über den Magnetspalten zwischen dem Rotor
und dem rechten Feldkern 80 davon auftreten, wie in Fig. 14 dargestellt ist.
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Zur Betätigung des Elektromotors wird ein im zeitlichen Verlauf sinusförmiges
elektrisches Signal A (in Fig. 2) jeder der Spulen der elektromagnetischen Einrichtung
74 zugeführt, sowie den abwechselnd dazu angeordneten elektromagnetischen Einrichtungen,
während ein elektrisches Signal B mit 900 Phasenverschiebung zu dem Signal A der
anderen Hälfte der Einrichtungen zugeführt im wird. Deshalb wird ein entgegengesetzten
Uhrzeigersinne oder im Uhrzeigers inne gerichteter Magnetfluß H um jeden Feldkern
in Abhängigkeit von der Polarität des elektrischen Signals erzeugt.
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Beispielsweise verläuft das Magnetfeld im entgegengesetzten Uhrzeigersinne
für jeden linken Feldkern der elektromagnetischen Einrichtungen 74a, 74c etc. und
im Uhrzeigersinne für jeden rechten Feldkern der elektromagnetischen Einrichtungen
74b, 74d etc. zu einem gegebenen Zeitpunkt, wie in Fig. 14 dargestellt ist.
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Deshalb ist der antreibende Magnetfluß H, der von dem Permanentmagneten
abgeleitet wird, durch den Magnetfluß H' moduliert, der durch die elektromagnetische
Einrichtung um die Feldkerne davon in Abhängigkeit von der Amplitude des zugeführten
Signals erzeugt wird, wie in Fig. 3 dargestellt ist. In diesem Falle wird die Größe
des Magnetflusses H' so erzeugt, daß sie gleich oder kleiner als diejenige des Magnetflusses
H ist, wie bei dem ersten Ausführungsbeis piel.
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Zum Zeitpunkt tl, wenn die Signale A und B einen positiven Maximalwert
haben bzw. gleich Null sind, werden die entgegengesetzt und im Uhrzeigersinne gerichteten
Magnetfiüsse um die Feldkerne 79a und 80a erzeugt, während kein Feld um andere Feldkerne
vorhanden ist, so daß der resultierende Magnetfluß um jeden der Feldkerne 79a bis
81b H + H' an den Zähnen 95 und 97 wird, H -an
den Zähnen 96 und
98, und H an anderen Zähnen, wie in Fig. 14a dargestellt ist. Der maximale Magnetfluß
H + H' wird deshalb um die Spalten zwischen den Zähnen 95, 97 und den Rotorzähnen
85, 87 erzeugt, die miteinander in Phase sind, so daß der Rotor 71 nicht gedreht
wird. Nach einem Viertel Zyklus, also zur Zeit t2, wenn das Signal A gleich Null
und das Signal B ein positiver Maximalwert ist, treten entgegengesetzte und im Uhrzeigersinne
gerichtete Magnetflüsse um die Feldkerne 79b und 80b auf, um den maximalen resultierenden
Magnetfluß H + H' um die Spalten zwischen den Zähnen 99 und den Zähnen 89 zu erzeugen,
und zwischen den Zähnen 101 und den Zähnen 91, wo die Zähne um 90° außer Phase bei
der vorhergehenden Stufe waren. Als Folge davon dreht sich der Rotor 71 um einen
Viertel Abstand im Uhrzeigersinne oder nach rechts, bis die Zähne 99 und 101 mit
den Zähnen des Rotors ausgerichtet sind, wodurch sich eine neue Phasenbeziehung
der Zähne (Fig. 14b) ergibt, wobei die Zähne 96 und 98 des Kerns eine Phasenverschiebung
von 90° relativ zu den Zähnen des Rotors haben.
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Bei einem weiteren Viertel Zyklus werden die Feldkerne 79a und 80a
elektromagnetisch magnetisiert, so daß der maximale Magnetfluß H + H' um die rechten
Teile der Feldkerne 79a und BOa erzeugt wird, und der Rotor 71 im Uhrzeigersinne
um ein weiteres Viertel des Abstands gedreht wird, bis die Zähne wieder in Phase
sind (Fig. 14c). Zum Zeitpunkt t4 des dritten Viertels des Zyklus, werden die Feldkerne
79b und 80b magnetisiert, wie in Fig. 14-d dargestellt ist. Dabei wird der maximale
Magnetfluß um die rechten Teile davon erzeugt, um den Rotor 71 in derselben Richtung
weiterzudrehen, woraufhin eine einem Abstand entsprechende Drehung des Rotors 71
für einen Zyklus des elektrischen Signals erfolgt ist. Danach dreht sich der Rotor
71 weiter in Abhängigkeit von der Wiederholung des Signalzyklus.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zu beachten, daß der Rotor 71
sich in der entgegengesetzten Richtung drehen kann, wenn die Voreilung oder die
Verzögerung der Einstellung der elektrischen Signale eingestellt wird, die den elektromagnetischen
Einrichtungen zugeführt werden. Ferner kann der Rotor 71 radial in derselben Weise
wie in dem ersten Ausführungsbeispiel magnetisiert werden, so daß er sich kontinuierlich
in Abhängigkeit von
der Zufuhr der Signale mit abwechselnder Polarität
drehen kann, anstelle der Verwendung von Permanentmagneten zur Erzeugung des antreibenden
Magnetflusses.
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Es ist ferner ersichtlich, daß die Kopplungseinrichtung für die magnetische
Kopplung der Zähne des Rotors mit den Zähnen des Stators entsprechend den Fig. 10
und 11 auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel Verwendung finden kann, ebenso wie
die Justiereinrichtung, um optimale Ergebnisse zu erzielen, indem die Phasenbeziehung
zwischen den Zähnen des Rotors und den Zähnen der Feldkerne und die Magnetspalte
dazwischen einjustiert werden, obwohl diese Einrichtungen bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
in den Fig. 12 bis 14 nicht dargestellt sind.
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Ferner ist ersichtlich, daß der Elektromotor gemäß der Erfindung
kontinuierlich in Abhängigkeit von Polaritätsänderungen der elektrischen Signale
rotiert, welche den elektromagnetischen Einrichtungen zugeführt werden. Deshalb
kann gesagt werden, daß der Elektromotor gemäß der Erfindung ein frequenzgesteuerter
Motor ist.
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Ein Elektromotor gemäß der Erfindung kann schrittweise genauer gedreht
werden, indem die zugeführten Signale beispielsweise in sinusförmig amplitudenmodulierte
Impulsquellen unterteilt werden, wie in Fig. 15 dargestellt ist. Wenn das in Fig.
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16 dargestellte Impulswellensignal und das um 90° dazu phasenverschobene
den elektromagnetischen Einrichtungen 22 und 23 des ersten Ausführungsbeispiels
zugeführt werden, wird ein Magnetfluß H'sinuzt erzeugt, der von dem Feldkern 25
durch den Rotor 10 zu dem Feldkern 24 verläuft, während ein Magnetfluß H'coswt erzeugt
wird, der von dem Feldkern 26 durch den Rotor 10 zu dem Feldkern 27 verläuft. Dabei
ist H' der maximale Magnetfluß, t4 die Frequenz der die Amplituden der Impulswellen
modulierendenSinuswelle und t die Zeit der Erzeugung des Impulses. Der Einfachheit
halber sei angenommen, daß 100 Impulse bei jedem Zyklus des Signals erzeugt werden,
obwohl diese Zahl durch Änderung der Impulsfrequenz geändert werden kann. In diesem
Fall wird ein Impuls nach jeweils 1 1 Sekunden erzeugt.
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v 100
Zum Zeitpunkt tl in Fig. 16 erreicht der Magnetfluß
der elektromagnetischen Einrichtung 22 den Maximalwert H', während die elektromagnetische
Einrichtung 23 keinen Magnetfluß erzeugt.
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Als Folge davon wird der Magnetfluß H + H' um den Feldkern 24 erzeugt,
in welchem die Zähne 12 des Rotors in Phase mit den Zähnen 32 des Feldkerns sind,
wie in Fig. 1 dargestellt ist. Deshalb erfolgt keine Rotation des Rotors 10. Zum
Zeitpunkt t2, wenn ein 2# Impuls nach der Zeit 21t . 1 erzeugt wird, tritt folgender
MagrJ zu 10n 100 netfluß in den Spalten zwischen dem Rotor und jedem der Feldkerne
auf, wie in Fig. 17 dargestellt ist: H + H'sinxt2 an dem Feldkern 24; H - H'sinXt2
an dem Feldkern 25; H + H1cost an dem Feldkern 26; und H - H'cosLst an dem Feldkern
27. Im Vergleich zu dem Zustand des Elektromotors zum Zeitpunkt tl hat deshalb der
Feldkern 26, in dem die Phasenlage der Zähne 900 entspricht, einen um H'cosicrt
erhöhten Magnetfluß, während der Feldkern 24 in der Phasenlage einen um H'(l-sinwt)
erniedrigten Magnetfluß hat (dies bedeutet eine Änderung von H + H' zu H + H'sinurt).
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Deshalb wird der Rotor 10 im Uhrzeigersinne schrittweise um 1/100
Abstand gedreht. Der folgende zum Zeitpunkt t3 in Fig. 16 erzeugte Impuls verursacht
einen Anstieg des Magnetflusses in dem Feldkern 26 und eine Verringerung in dem
Feldkern 24, was zu einer weiteren schrittweisen Drehung des Rotors 10 im entgegengesetzten
Uhrzeigersinne um 1/100 des Abstands führt. Nach der Zeit tn wird der elektromagnetischen
Einrichtung 22 kein Signal zugeführt, während das positive maximale Signal der elektromagnetischen
Einrichtung 23 zugeführt wird, so daß eine Drehung um 1/4 Abstand erfolgt und der
Zustand entsprechend demjenigen in Fig. 5 erreicht wird. Danach dreht sich der Rotor
10 weiterhin schrittweise um 1/100 des Abstands im entgegengesetzten Uhrzeigersinne
in Abhängigkeit von jedem erzeugten Impuls, und dreht sich bei einem Zyklus um einen
Abstand.
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Daraus ist ersichtlich, daß der Rotor 71 des Elektromotors entsprechend
dem zweiten Ausführungsbeispiel schrittweise in Abhängigkeit von Impulssignalen
gedreht werden kann, die den elektromagnetischen Einrichtungen zugeführt werden.
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Ferner kann der Elektromotor gemäß der Erfindung durch Antriebsschaltungen
einer Datenverarbeitungsanlage in folgender Weise ne betätigt werden. Die Ausgangasignale
werden durch einen digitalen Differentialanalysator in Impuissignale umgewandelt,
die eine Infotmation wie Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Entfernung tragen,
und dann werden Impulssignale in Frequenzinformationen durch einen Doppelamplituden-Unsetzer
umgewandelt, indem beispielsweise Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Entfernungssignale
zu einer Frequenz, differenzierten Frequenz oder integrierten Frequenz eines analogen
sinusförmigen Signals geändert werden. Die durch den Umsetzer erzeugten analogen
Signale werden Verstärkt, um den Elektromotor antreiben zu können. In diesem Falle
verbessert die Unterteilung eines Zyklus der Sinuswellen die Genauigkeit der Übertragung
und der Drehung des Elektromotors.
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Wie bereits beschrieben wurde, hat der Elektromotor gemäß der Erfindung
einen Stator mit einer Anzahl von Elektromagneten, die gleichförmig über dem Rotor
angeordnet sind und antreibende und alternierende Magnetflüsse erzeugen können,
um die Rotation des Rotors zu steuern, so daß er stoßfrei und stabil in Abhingigkeit
von den zugeführten elektrischen Signalen gedreht werden kann. Ferner wird der Elektromotor
gemäß der Erfindung mit sehr großer Genauigkeit proportional der Frequenz der Eingangssignale
oder schrittweise in Abhängigkeit von den impulsförmig unterteilten Signalen gesteuert,
wodurch eine genaue Steuerung der Rotation und Lage des Elektromotors in Verbindung
mit der Datenverarbeitungsanlage erfolgen kann. Ferner besteht der Elektromotor
gemäß der Erfindung aus einer oder einer Anzahl von Einheiten elektromagnetischer
Einrichtungen, so daß er verhältnismäßig billigund klein im Vergleich zu bekannten
Elektromotoren dieser Art ist.
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Patentansprüdle