DE2305109A1

DE2305109A1 - Synchronmotor, insbesondere als zeitgeber fuer autouhren

Info

Publication number: DE2305109A1
Application number: DE2305109A
Authority: DE
Inventors: Michael Joseph Ingentio
Original assignee: GEN TIME CORP
Current assignee: GEN TIME CORP
Priority date: 1972-02-17
Filing date: 1973-02-02
Publication date: 1973-08-23
Also published as: GB1427162A; JPS4893908A; CA970020A; US3803433A; FR2172344B1; IT984352B; FR2172344A1

Description

Anmelder: Stuttgart, den 30. Januar 1973

General Time Corp. P 2648 L/kg

3500 North Greenfield Road
Mesa, Ariz·, V«St_eA.

Synchronmotor, insbesondere als Zeitgeber für Autouhren

Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchronmotor, insbesondere als batteriegespeister, selbstanlaufender Zeitgeber für Autouhren, mit einem scheibenförmigen Rotor, der längs seines Umfangs einen Kreisring sich durch die Dicke des Rotors erstreckender permanentmagnetischer Pole aufweist, und mit einem einen Kern und eine Erregerwicklung umfassenden Stator, dessen Kern mindestens ein Polpaar aufweist, das einen axialen Luftspalt begrenzt, durch den der Kreisring der permanentmagnetischen Pole des Rotors hindurchläuft und in dem mittels der Erregerwicklung ein magnetisches Feld erzeugt wird, das zwischen den Polen des Stators durch den Rotor im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Rotors hindurchtritt»

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Synchronmotoren sind wegen ihrer Einfachheit und der Genauigkeit der von ihnen gelieferten Drehzahl häufig in elektrischen Uhren verwendet worden. Hinzu kommt die Tatsache, daß das üblicherweise niedrige Ausgangsdrehmoment kleiner Synchronmotoren gut für Uhren geeignet ist, zu deren Betrieb keine hohen Drehmomentwerte erforderlich sind. Bekannte Motoren für Zeitmeßgeräte oder Uhren sind in ihrem Aufbau oft äußerst einfach« Üblicherweise weist der Stator eine Erregerwicklung auf, die nach Art einer einfachen konzentrisch gewickelten Spule ausgebildet ist, die ein als Kern bezeichnetes Teil eines magnetischen Kreises umgibt, der den erzeugten magnetischen Fluß relativ zu einem Rotor verteilt. Der Rotor ist in viel fältigen Formen ausgebildet worden und kann eine einfache Permanentmagnetscheibe sein, die so polarisiert ist, daß sie längs ihres Umfangs abwechselnd Nord- und Südpole aufweist. Der Rotor ist bezüglich des Statorkerns drehbar so gelagert, daß der Statorkern und der Rotor einen axialen Luftspalt begrenzen, durch den der in dem Kern induzierte Fluß hindurchtritt. Wegen ihres einfachen Aufbaus können solche Synchronmotoren für Zeitmeßgeräte leicht hergestellt und in großen Stückzahlen produziert werden, was zu sehr niedrigen Herstellungskosten pro Stück führt. Der Wirkungsgrad solcher Motoren ist jedoch bekanntlich sehr niedrige Beispielsweise beträgt der Wirkungsgrad bekannter Zeitgebermotore üblicherweise weniger als obwohl bei einigen komplizierter aufgebauten Motoren

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besserer Qualität, wie beispielsweise dem Motor nach der US-PS 5 469 131, der Wirkungsgrad 2 % und mehr beträgt. Der Motor nach der US-PS 3 469 131 ist jedoch verhältnismäßig teuer und hat ein im Verhältnis zur Größe nicht sehr hohes Drehmoment·

Es sind im Laufe der Jahre batteriegetriebene Uhren entwickelt worden, die heute allgemein üblich sind. Bei diesen Uhren wird allgemein die Hin- und Herbewegung oder Schwingungsbewegung eines mechanischen Schwingers in Form einer Unruh, einer Stimmgabel oder eines Pendels aufrechterhalten, der die Zeiger der. Uhr mechanisch antreibt« Zur Aufrechterhaltung der Hin- und Her- oder Schwingungsbewegung wird üblicherweise eine transistorisierte Oszillatorschaltung mit niedriger Leistung benutzt, wobei es wegen der geringen Energieentnahme aus der Uhrenbatterie möglich geworden ist, daß batteriegetriebene Uhren monatelang in Betrieb sein können, ohne daß ein Austausch der Batterie notwendig wird·

Auch Synchronmotoren, wie sie in der erwähnten US-PS 3 469 131 beschrieben sind, sind erfolgreich in batteriegetriebenen Uhren verwendet worden» Diese Motoren sind jedoch, wie oben ausgeführt, verhältnismäßig teuer und weisen nicht die für starke Beanspruchung bei niedriger Leistung notwendigen Eigenschaften auf· Es besteht daher ein Bedarf nach einer wirkungsvollen primären Quelle für Rotationsenergie, welche die Umwandlung einer Hin- und Herbewegung in eine Rotationsbewegung unnötig macht·

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-Λ -

Die Umwandlung einer Hin- und Herbewegung in eine Rotationsbewegung bedingt zusätzliche Teile und Schritte bei der Montage, durch die erhöhte Kosten bei der Herstellung von Uhrwerken entstehen· Hoch teurer und komplizierter ist die mechanische Einrichtung zur Umwandlung einer schrittweisen Hin- und Herbewegung in eine verhältnismäßig sanfte und gleichförmige Rotationsbewegung bei Automobiluhren· Die Benutzung dieser mechanischen Einrichtung in Automobiluhren hat oft dazu geführt, daß Automobiluhren ungenau liefen, da die Belastungen durch Erschütterungen, Temperaturschwankungen und Schwingungen, denen die Spiralfeder und damit verbundene Teile dieser Uhren üblicherweise ausgesetzt sind, zum Auftreten nichtlinearer Drehmomente führten. Bei Verwendung eines geeigneten Motors und zugehörigen elektronischen Einrichtungen könnten die komplizierten uhrentechnischen Einrichtungen gegenwärtiger Autouhren, wie beispielsweise eine Spiralfeder, eine Unruhe, eine Aufzugseinrichtung für eine Hauptfeder' tu dgl· vermieden werden. Darübex' hinaus könnte ein solcher Motor ein Drehmoment erzeugen, das auch zum Antrieb anderer Darstellungseinrichtungen als üblicher Zeiger, beispielsweise der Anzeigetrommeln von Digitaluhren, ausreichend ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen einfachen land wirkungsvollen Synchronmotor zu schaffen, der zum Antrieb batteriebetriebener Uhren, und zwar auch von Aiitomobiluhren geeignet ist.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedem permanentmagnetischen Pol*>ein Pol entgegengesetzter Polarität unmittelbar benachbart ist und daß die durch die Pole des Rotors erzeugten magnetischen Felder den Stator im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Polpaares des Stators durchsetzen*

Der erfindungsgemäße Motor enthält also einen Stator mit einem Kern, der mindestens ein Polpaar und eine mit dem Kern gekoppelte Erregerwicklung aufweist, die zum Antrieb des Hotors in dem Kern ein alternierendes oder pulsierendes Erregerfeld erzeugt· Der Eotor ist als Scheibe mit einem längs ihres Umfangs verlaufenden Kreisring permanentmagnetischer Pole ausgebildet« 33i© Pole weisen abwechselnd die entgegengesetzte Polarität auf und es sind die von ihnen erzeugten magjietisohüii. Felder im wesentlichen senkrecht zur Scheibenet-ene und parallel zu den Induktionslinien gerichtet», die durch die Y/icklung des Stators in dessen Kern induziert werden· Der ringförmige magnetisierte Teil des Rotors läuft durch einen axialen Luftspalt, der durch das Polpaar des Stators begrenzt ist· Der Rotor besitzt ein niedriges Trägheitsmoment und ein geringes Gewicht und es bilden seine magnetisieren Teile eine große wirksame magnetische Fläche, die eine hohe Remanenz aufweist· Der Motor ist daher in der Lage, bei niedriger Eingangsleistung ein hohes Drehmoment zu erzeugen»

* des Rotors zu beiden Seiten

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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfin*- diing, die "bei anderen Auaführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden können, ergeben sich aus der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen

Fig· 1 eine Draufsicht auf einen Synchronmotor nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Synchronmotors nach

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Rotors des Synchronmotors nach Fig· 1,

Fig· 4- eine Teilansicht des Motors ähnlich Fig. 2 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Synchronmotors nach der Erfindung, dessen Stator mehrere Polpaare aufweist,

Fig· 6 eine perspektivische Darstellung eines die Polpaare des Stators des Synchronmotors nach Fig. 5 bildenden Teiles und

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Antrieb des erfindungsgemäßen Synchron- . motors.

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Die Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen selbsttätig anlaufenden Synchronmotors· Der Stator 11 weist einen Kern 15 und eine Erregerwicklung 21 auf. Der Kern 13 umfaßt zwei.komplementär ausgebildete, geglühte Eisenplatten 15 und 17t die bevorzugt durch Stanzen hergestellt werden. Um Platz zu sparen und um eine wirksamere Kopplung mit der Erregerwicklung 21 zu gewährleisten, sind die die Wicklung tragenden Schenkel 16 der Eisenplatten 15 lind 17 gegeneinander versetzt, wie es aus Fig. 2 deutlicher hervorgeht· Die Schenkel sind mit ihren Seitenflächen aneinander anliegend angeordnet und zur Bildung eines einheitlichen Statorkerns durch Punktschweißen verbunden· Da die Schenkel des Kerns aneinander anliegen, weist dieser in seinem durch die· Erregerwicklung 21 hindurchtretenden Seil einen rechteckigen Querschnitt auf, wodurch bekanntlich eine äußerst wirksame elektromagnetische Kopplung mit der Erregerwicklung 21 erreicht wird. Die anderen, außerhalb der Erregerwicklung 21 gelegenen Teile des Statorkerns brauchen' nicht so dick zu sein wie die miteinander verbundenen Schenkel und es kann die optimale Materialstärke aller anderen Teile des Stators nach bekannten Verfahren aus der Kenntnis des Streuflusses an den Polschuhflachen des Statorkerns, der Oberfläche der Pole des Rotors, des Luftspaltes zwischen den Polpaaren und des unmagnetisierten Übergangsbereiches •zwischen den aneinandergrenzenden ITord- und Südpolen des Rotors bestimmt

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Die die Wicklung tragenden"Schenkel 16 tragen einen Spulenkörper 19» der aus jedem geeigneten Material, beispielsweise einem gehärteten Kunststoff, bestehen kann. Die Erregerwicklung 21 ist konzentrisch auf den Spulenkörper gewickelt und weist bei der bevorzugten Ausführungsform 6000 Windungen eines Kupferdrahtes von ca. 0,06 mm Durchmesser (Nr. 4-3) mit einem Gesamtwiderstand von etwa 860 Ohm auf. Es versteht sich jedoch, daß die Windungszahlen und der Drahtdurchmesser je nach Anzahl der Polpaare des Stators, der Größe des erforderlichen Drehmoments und dem Bereich der Arbeitsspannung in jeder geeigneten Art und Weise gewählt werden können· Die Stromzufuhr zu der Erregerwicklung erfolgt über Zuleitungen 23·

Die aus der Erregerwicklung 21 hervorstehenden Endabschnitte des Statorkerns sind zur Bildung eines axialen Luftspaltes 27 für den Rotor 25 im Abstand voneinander angeordnet. Die Größe des LuftSpaltes hängt von der Dicke des Rotors und der gewünschten Stärke des Gleichstrommagnetfeldes ab. Gewöhnlich ist es der leichten Herstellung wegen erwünscht, den Lufoapait groß zu machen, jedoch sollte, wie aus dem folgenden hervorgehen wird, die Magnetfeldstärke nicht zu niedrig sein, um nicht einen wirkungsvollen Betrieb des Motors zu verhindern. Der axiale Luftspalt ermöglicht es, das von dem Stator .erzeugte Magnetfeld auf den.Rotor senkrecht zu dessen Ebene und zugleich das von dem Rotor erzeugte Magnetfeld senkrecht auf die Polflächen des Stators zu richten. Dadurch wird eine wesentliche Verminderung des Streuflusses und ein geringerer magnetischer Widerstand für das von dem Stator erzeugte

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Magnetfeld erreicht, was eine bedeutende Verbesserung des Wirkungsgrades des Motors zur Folge hat.

Der Eotor ist eine Scheibe mit einer Dicke von etwa 0,6 mm und besteht aus einem Material geringer Dichte, wie Bariumferrit in einem Kautschukbinder, da3 üblicherweise unter dem Handelsnamen "Piastiform" verkauft wird und in den für den Rotor erforderlichen Kengen verhältnismäßig billig ist. Der Wert der Restinduktion, d.h· die Remanenz von Piastiform, beträgt 0,22 W/m , was, wie aus dem folgenden noch zu ersehen sein wird, für die Betriebsdaten des erfindungsgemäßen Motors von Bedeutung ist» Fig. 2 zeigt, daß längs des äußeren Umfangs des Rotors ein Kreisringbereich durch die Dicke des Rotors hindurch permanent magnetisiert ist und zu beiden Seiten des Rotors eine ringförmige magnetische Wirkfläche bildet· Die magnetisierte.Fläche enthält Abschnitte, die die Form eines abgeschnittenen Dreiecks aufweisen und die Pole des Rotors genannt werden. V/ie am einfachsten aus Figo 3 zu ersehen ist, weisen diese Pole abwechselnd eine entgegengesetzte Polarität auf. Die Pole sind so angeordnet, daß sie längs des Umfangs des Rotors einander unmittelbar benachbart sind, so daß der gesamte Kreisring zur Erzeugung abwechselnd einander entgegengerichteter Magnetfelder ausgenutzt wird. Der Rotor kann auf jede geeignete Weise auf einer V/elle 29 befestigt sein, damit er gegenüber dem Stator drehbar ist. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind 16 Rotorpole vorgesehen und es wird die Erregerwicklung 21 durch einen Strom mit einer Frequenz von 64 Hz erregt. Demzufolge wird der Rotor mit acht Umdrehungen/sec angetrieben.

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Der im vorigen beschriebene Synchronmotor ist äußerst einfach und zugleich robust aufgebaut und daher für schnelle Massenfertigung und für den Gebrauch in Schwingungen ausgesetzten Umgebungen, wie Automobilen, geeignet. Wie im folgenden noch erläutert werden wird,. ist wegen der geringen Dichte des Rotors, der gleichzeitig eine große magnetische V/irkfläche aufweist, das Verhältnis des Rotorträgheitsmoments zu dem von dem Motor entwickelten Drehmoment niedrig, so daß der Motor selbsttätig anlaufen kann. Durch die bekannte Verwendung einer einfachen Rücklaufsperre, die.mit dem (nicht dargestellten) Getriebe zusammenarbeitet, kann sichergestellt werden, daß der Motor in der erwünschten Richtung umläuft.

Die Arbeitsweise des Motors entspricht den bei Synchronmotoren bekannten Prinzipien· Sie ist kurz zusammengefaßt die folgende: Wenn sich der Rotor in der in Pig. 2 dargestellten Stellung befindet und- angenommen wird, daß er im Gegenuhrzeigersinn umläuft, so erzeugt der Stator ein solches den -Rotor durchsetzendes magnetisches Feld, daß der magnetische Nordpol 31 von dem Polpaar des Stators angezogen wird. Gleichzeitig wird der magnetische Südpol 33 im Gegenuhrzeigersinn vom Polpaar des Stators abgestoßen. Einen Bruchteil einer Sekunde später und nach einem Sechzehntel einer vollständigen Umdrehung des Rotors kehrt sich das Feld in dem Stator um und es wird der magnetische Südpol 35 des Rotors von dem Polpaar des Stators angezogen- und der magnetische Nordpol 31 im Gegenuhrzeigersinn vom

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Stator abgestoßene Auf diese V/eise wird der Rotor durch die Wechselwirlcung der eine wechselnde Polarität aufweisenden magnetischen Felder des Rotors und des magnetischen Y/echselfeldes des Stators kontinuierlich angetrieben* Es versteht sich, daß in dem Stator auch ein pulsierender unipolarer magnetischer Fluß erzeugt werden könnte. In diesem Fall würde bei Anlegen eines unipolaren Impulses an die Erregerwicklung 21 der Nordpol 31 des Rotors angezogen und der Südpol 33 des Rotors abgestoßen. Einen Bruchteil einer Sekunde später und nach einem Achtel einer vollständigen Umdrehung des Rotors würde dann das magnetische Feld mit derselben Polarität in dem Stator wieder aufgebaut, so daß der Nordpol 36 des Rotors in Richtung auf den Stator angezogen und der Südpol 35 äes Rotors im Gegenuhrzeigersinn vom Stator abgestoßen würde. Da der Rotor jeweils einmal nach einem Achtel einer Umdrehung anstatt nach einem Sechzehntel einer Umdrehung angetrieben wird, ist die Bewegung des Rotors bei Erregung durch ein pulsierendes unipolares magnetisches Feld im Vergleich zur Erregung mit einem typischen Wechselfeld weniger sanft·

Das für das selbsttätige Anlaufen eines Synchronmotors mit Permanentmagnet erforderliche Drehmoment muß größer sein als das durch die Haftreibung, die Feldstärke des Permanentmagneten und dag !Trägheitsmoment des Rotors bedingte Gesamtdrehmomeni;«. Die niedrige Dichte des Rotormaterials vermindert offensichtlich das durch

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die Reibung und das Trägheitsmoment bedingte Drehmoment, während das durch die Feldstärke des Permanentmagneten bedingte Drehmoment auf einen geeigneten Wert eingestellt werden kann, der von den spezifischen Benutzungsbedingungen des Motors abhängt. Das mittlere Drehmoment, das von einem solchen Motor entwickelt werden kann, ist dem Produkt des von dem der Wicklung aufgeprägten Strom erzeugten magnetischen Feldes und des von den Permanentmagneten des Rotors erzeugten magnetischen Feldes proportional. Diese beiden Drehmomente sind von den Kenngrößen und der Geometrie des magnetischen Pfades durch den Rotor, den Stator und die den Rotor und den Stator trennenden Luftspalte abhängig. Da der erfindungsgemäße Rotor dünn ist, ein niedriges Trägheitsmoment aufweist und zudem eine große magnetische Wirkfläche besitzt, ist der Motor in der Lage, bei niedriger Eingangsleistung ein großes Drehmoment zu erzeugen, und benötigt gleichzeitig im Vergleich mit bekannten Motoren ein verhältnismäßig niedriges Anlaufdrehmoment. Das zum selbsttätigen Anlaufen des erfindungsgemäßen Synchronmotors* maximal erforderliche Drehmoment kann wie folgt dargestellt werden:

. ■ (D

Darin bedeutet T das maximal erforderliche Drehmoment, J das Trägheitsmoment des Rotors, f die Frequenz des der Erregerwicklung aufgeprägten Stromes und P die Gesamtzahl der Pole des Rotors, Hieraus ist zu ersehen, daß zur Verminderung des zum selbsttätigen Anlaufen notwendigen Drehmoments das Trägheitsmoment J des Rotors möglichst klein gehalten werden muß.

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Der für das Trägheitsmoment des in Pig. 3 dargestellten Rotors gültige Ausdruck lautet:

Hierin "bedeutet D die Dichte des Rotormaterials, L die Dicke des Rotormagneten und A die Gesamtfläche einer Seite der Rotorscheibe. Gl. (2) in Gl. (Ό eingesetzt ergibt

SDLA²T²

r ^r

Das für das selbsttätige Anlaufen maximal erforderliche Drehmoment ist daher der Dichte des Rotors, der Dicke der Magnetpole, dem'Quadrat der Oberfläche der Scheibe und dem Quadrat der Frequenz der erregenden Spannung direkt proportinal.

Der Ausdruck für das maximale Drehmoment, das von dem erfindungsgemäßen Synchronmotor entwickelt werden kann, ergibt sich zu:

Hierin bedeutet ¹E-, das maximale Drehmoment, das von dem Motor entwickelt werden kann, P die Zahl der Polpaare des Stators, L die Breite des Luftspaltes, 0 den Spitzenwert des in dem Luftspalt von dem aufgeprägten Strom erzeugten magnetischen Flusses, 0 das Maximum des insgesamt durch die Permanentmagnete des

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.Rotors in den Luftspalt erzeugten magnetischen Flusses, μ die Vakuumpermeabilität und A die Querschnittsfläche eines einzelnen Stator- oder Rotorpols· Es sollte beachtet werden, daß die vorstehende Formel unter der Voraussetzung gilt, daß das Eisen des Stators nicht gesättigt wird, der Fluß in dem Luftspalt sich sinusodial ändert und die Rückwirkung des Getriebes der zugehörigen Uhr so eingerichtet ist, daß der Motor die Synchrongeschwindigkeit erreicht, bevor ein Belastungsdrehmomeiit auf den Rotor zurückwirkt. Zusätzlich ist angenommen, daß die Polflächen des Stators dieselbe Geometrie wie die Pole des Rotors aufweisen und daß Reibungseffekte vernachlässigbar sind. Diese Bedingungen sind für heutige Uhrengetriebe und Synchronmotoren typisch.

Damit Gl. (4) eine Aussage über die Eingangsleistung und den Wirkungsgrad ermöglicht, sollten die Flußausdrücke in Gl. (4) in vom Strom abhängige Ausdrücke umgewandelt werden· Gl. (4) kann auf diese Weise umgeschrieben werden in

a?_d » 0,16 P NIA R ( ) · (5)

r g

Hierin bedeutet N die Windungszahl der Erregerwicklung 21, I den Maximalwert des ihr zugeführten Stromes, A_ die

gesamte Ringfläche der Permanentmagnetpole, d.h. die magnetische Wirkfläche, und R die Remanenz des Materials des Rotors, die bei der Verwendung von "Piastiform" 0,22 Weber/m beträgt· Da das entwickelte Drehmoment der magnetischen Wirkflache A_n proportional ist, ist es

wichtig", daß diese so groß wie möglich gemacht wird,

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was dadurch geschehen kann, daß die Rotormagnetpole , mit ihren Seiten unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet werden.

Da das entwickelte mittlere Hochstdrehmoment größer oder mindestens gleich als das zum Selbstanlauf maximal erforderliche mittlere Drehmoment sein muß, können die Gl. (5) und (5) zur Bestimmung des erforderlichen Stromes gleichgesetzt werden. Dann erhält man für den Strom

τ - ^{50 p f2}>² ft, * V

r s a

Gl. (6) kann nun für den in den Pig. 1 bis 3 dargestellten Synchronmotor ausgewertet werden, wobei für die Parameter der Gleichung die folgenden Werte angenommen werden:

^Ps ■-	1	m²
^Pr = ^Lr "	16 10~⁵ m	m²
	1,26 . 10"*⁴
A_a -	0,79 . 10"^"
R =	0,22 Y//m²
D	3,7 g/cm⁵
f	64 Hz
	6000,

Der für das selbsttätige Anlaufen des Synchronmotors erforderliche Wert des Stromes I ergibt sich zu 10,48 mA

mUL

und das abgegebene Drehmoment zu 1,21 α 10 ITm, Da die

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Ausgangsleistung gleich dem Produkt aus dem abgegebenen Drehmoment und der Winkelgeschwindigkeit des Hotors ist, ergibt sich die abgegebene Leistung zu 6,07 mV/.

Die Eingangsleistung kann nun aus der folgenden Formel berechnet werden:

P₁ -I² H .+ P₀ + P₀ . (7)

Dabei bedeutet E den Gesamtwiderstand der Wicklung, der etwa 860 Ohm beträgt, Ρ_Λ den Leistungsverbrauch

in dem Kern infolge von Hysterese und Wirbelströmen, der auf etwa $0 v.\i geschätzt wird, und P die abgegebene Leistung· Danach kann die Eingangsleistung berechnet werden und beträgt

P₁ » (6,07 + 47,6 + 0,05) mW » 53,72 mW.

Damit erhält man für den Wirkungsgrad

E - «2- .100% - «lOOgS - 11,5% . (8) •in >PW<*

Hieraus ist zu ersehen, daß der Synchronmotor nicht* nur das für das selbsttätige Anlaufen ausreichende Drehmoment entwickeln kann, sondern daß auch sein Wirkungsgrad eine bedeutende Verbesserung gegenüber dem Wert von 1% früherer einfacher Zeitgeber-Synchronmotoren darstellt. Wenn an den Motor nicht die Anforderung gestellt wird, daß er selbsttätig anlaufen soll, beispielsweise wenn er von Hand angeworfen wird, so wird das hohe AnIaufdrehmoment nicht benötigt und es ist ein Betrieb mit sehr niedriger Leistungsaufnahme möglich·

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Aus Gl. (6) ist zu ersehen, daß oino Vor^rofi^ru.-.^ ior Zahl der Statorpole zu einer Verminderung cos maximal erfoiv.orliehen Eingangsstromes führte Es sei beispielsweise angenommen, daß die Zahl der Pole des Stators auf acht vergrößert ist« Die Auswertung der obigen Formel ergibt für den maximalen Eingangsstrom 1,31 mA und für das entwickelte Drehmoment 1,21 . 10"" ITm. Da die Ausgangsleistung gleich dem Produkt aus dem entwickelten Drehmoment und der Winkelgeschwindigkeit des Rotors ist, ergibt sich die Ausgangsleistung zu 6,07 mV/, also dem gleichen Wert, wie er für den Fall erhalten wurde, daß der Stator nur ein Polpaar aufweist. Es sei angenommen, daß der Widerstand der Spule 860 Ohm betrage, die Eingangsleistung zur Überwindung der Kupferverluste 0,744- mV/ und die Verluste im Kern etwa zehnmal höher seien als für den PaIl₁ daß der Stator nur ein Polpaar aufweist· Die gesamte Eingangsleistung Pj kann dann nach Gl, (7) berechnet werden und beträgt 7»31 mV/. Gemäß Gl. (8) beträgt der Wirkungsgrad dann:

P₀ a 07 ·
E β ^.1Q0?o = S»%&« 100i& =. 83,1 %.

Durch Vergrößern der Zahl der Polpaare des Stators wird also der Wirkungsgrad des Synchronmotors beträchtlich erhöht·

Die teilweise Seitenansicht des Stators nach Pig. 4 zeigt die Ausbildung der Polfläche des Stators bezüglich des magnetisieren Teiles des Rotors. Der Abschnitt 18 des

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Stators v/eist die Form eines abgeschnittenen Dreiecks auf. Diese Form stimmt fast völlig mit der Form der permanentmagnetischen Polfläche des Rotors 25 überein. Der obere Schenkel 18 des Stators erstreckt sich nach unten zum unteren Schenkel 16, auf dem sich die in Fig.. 4-nicht dargestellte Wicklung befindet. Der dargestellte Schenkel 16 der Eisenplatte 17 cles Stators ist, wie bereits erwähnt, zur Bildung eines einheitlichen Stators mit der Eisenplatte 15 durch Punktschweißen verbunden. Es versteht sich, daß die Statorpole, wie in Fig· 2 deutlich dargestellt, auch rechteckig ausgebildet sein können, obwohl die vorerwähnten Gleichungen in bezug auf Statorpole abgeleitet wurden, die in der in Fig. dargestellten Weise ausgebildet sind» Die rechteckige Ausbildung der Polflächen erfordert weniger Schritte bei der Herstellung des Stators, so daß sich der Preis des Motors erniedrigt, während die Kenngrößen des Motors, einschließlich des Wirkungsgrades, durch eine solche Abänderung der Form der Statorpole nicht v/esentlich verschlechtert werden·

Die Fig„ 7 zeigt das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Wechselstromerregung für die Erregerwicklung 21 des Synchronmotors. Die Schaltungsanordnung besteht aus drei Grundeinheiten, nämlich einem kristallgesteuerten Oszillator 47, einem Frequenzteiler 49 und einer Treiberstufe 51· -Die Versorgungsgleichspannung wird der Schaltungsanordnung über den Widerstand 43 zugeführt, der die drei Grundeinheiten

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gegen EinschaltStromstöße sichert. Zwischen den Niederspannuiigsanschluß des V/iderstandes 4-3 und ein Bezugspotential, "beispielsweise Erde, ist eine Zenerdiode 4-5 geschaltet. Zur Bereitstellung einer geeigneten Vorspannung ist mit dem Frequenzteiler und der Treibstufe eine zweite Gleichspannungsquelle 53 verbunden·

Der Oszillator enthält einen Quarzkristall 55» so ausgelegt ist, daß er bei 262 144- Hz schwingt. Quarzkristall sind wohl bekannt und kommerziell leicht erhältlich» Der Quarzkristall 55 ist an seiner einen Seite mit dem Eingang eines Verstärkers 57 und an seiner anderen Seite über einen variablen Kondensator 59 mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden» Außerdem ist der Eingang des Verstärkers 57 über einen Festkondensator 61 und der Ausgang des Verstärkers über einen Festkondensator 63 mit dem Bezugspotential verbundene Zwischen die Eingangs- und Ausgangsklemmen des Verstärkers 57 ist ein Vorwiderstand 65 geschaltet, der zur Anregung der Schwingung des Oszillators 4-7 den Verstärker 57 in dessen Arbeitsbereich vorspannt. Mit dem variablen Kondensator 59 läßt sich die· Resonanzfrequenz des Kristalloszillators und damit die Frequenz am Ausgang des Verstärkers 57 ändern. Das 262 144- Hz-Ausgangssignal des Verstärkers 57 wird einem Trennverstärker 67 zugeführt, der vorzugsweise einen hohen Eingangswiderstand besitzt, so daß die Frequenz des Ausgangssignales des Oszillators 4-7 durch

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die Funktion der Frequenzteilerstufe 49 nicht beeinflußt wird. Der Ausgang des Trennverstärkers ist mit dem Frequenzteiler 49 verbunden, der eine Anzahl binärer Teilerstufen enthält. Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält der Frequenzteiler zwölf in Serie geschaltete Flipflops, die die Ausgangsfrequenz des Kristalloszillators auf 64- Hz erniedrigen. Das Ausgangssignal des Frequenzteilers wird einer Treiberstufe 51 zugeführt, die zum Speisen der Erregerwicklung 21 einen Ausgangsstrom in der Größenordnung von einigen Milliampere erzeugt. Der Frequenzteiler 4-9, die Treiberstufe 51» der Trennverstärker 67 und der Verstärker 57 sind nach bekannten Verfahren zur Herstellung integrierter * Metall-Oxid-Halbleiter (G-MOS) bekannten Chip für integrierte Schaltkreise angeordnet« Die in Fig_e dargestellte Schaltungsanordnung erzeugt nicht nur ein sehr stabiles 64 Hz-Ausgangssignal zum Speisen der Erregerwicklung 21, sondern benötigt auch nur eine sehr geringe Leistung aus der Gleichstromenergiequelle·

In Fig. 5 ist im Querschnitt ein selbstanlaufender Synchronmotor mit mehreren Polpaaren dargestellt· Der Stator enthält einen zwei Schenkel 71 und 75 aufweisenden Kern mit einem zylindrischen Verbindungsstück 75» das die beiden Schenkel im Abstand hält· Das Verbindungsstück 75 besteht aus Weicheisen und weist eine durchgehende Bohrung auf, durch die ein Schraubbolzen zur Befestigung des Verbindungsstückes an den Schenkeln 71 und 75 hindurchragte

* Schaltkreise auf einem allgemein als komplementärer

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Die Schenkel 71 und 73 sind im Bereich des Rotors 77 nach innen aufeinander zu gebogen und es weisen die "Seiden Schenkel miteinander fluchtende öffnungen auf, durch die die Rotorwelle 89 hindurchtreton kann. In jeder Öffnung ist eine Buchse 79 angeordnet· Auf den beiden Buchsen sind zwei komplementäre Statorpolstücke, von denen Jedes acht Polflächen aufweist, derart befestigt, daß ihre Polflächen, wie in Fig. 5 dargestellt, gegeneinander gerichtet sind. In Fig. 6 ist ein Polstück perspektivisch dargestellt. Durch seine Mitte erstreckt sich eine öffnung 81, in die eine Buchse 79 eingreift. Am äußeren Rand des Polstücks ist eine Anzahl gegen die Grundplatte des Polstücks abgesetzter Polflächen 84· angeordnet. Diese Polflächen sind jeweils durch eine Einkerbung 83 voneinander getrennt. Die dargestellten Polflächen haben die Form eines abgeschnittenen Dreiecks, das dieselbe allgemeine Gestalt aufweist v/ie der magnetisierte Seil des in Fig. 4- dargestellten Hotors.

Der Stator v/ird von zwei Haltex'n 85 getragen, die aus unmagnetischem Material bestehen. Die Polpaare 78 sind durch zwei Abstandsstücke 87> die zwischen den Schenkeln 71 und" 73 des Stators angeordnet und durch zwei die Halter 85» die Schenkel 71 und 73 und die Abstandsstücke 87 durchdringende Schraubbolzen in ihrer Stellung gehalten sind, voneinander getrennt bzw. im Abstand gehalten» Zwischen den Polpaaren 78 ist ein Rotor 77 angeordnet, der von den Polpaaren durch einen

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axialen Luftspalt getrennt ist. Der Rotor ist auf einer Welle 89 "befestigt, die im Rahmen 91 des Motors drehbar gelagert ist« Die Achslager 93 ermöglichen eine verhältnismäßig reibungsfreie Drehbewegung bezüglich der Halter 85 und die Achslager eine verhältnismäßig reibungsfreie Bewegung der Spindel bezüglich der Buchsen 79·

Im Betrieb v/erden die Pole des Rotors von dem in Fig· dargestellten mehrpoligen Stator in der gleichen V/eise angezogen und abgestoßen wie von dem einpoligen Stator, mit der Ausnahme, daß jetzt mehr Statorpole die entsprechenden Pole des Rotors anziehen und abstoßen, .so daß ein größeres Ausgangsdrehmoment erzeugt wird.

Die erfindungsgemäßen Synchronmotoren sind insbesondere zum Antrieb von Automobiluhren gut geeignet, da sie einfach und robust aufgebaut und dadurch auch für eine Massenfertigung geeignet sindo Da die Synchronmotoren unmittelbar eine Drehbewegung auf das •'Uhrengetriebe übertragen, ist ferner die mechanische Einrichtung zur Umwandlung einer intermittierenden Hin- und Herbewegung, die üblicherweise bei Automobiluhren benötigt wird und gegen Schwankungen der Umgebungstemperatur und Erschütterungen empfindlich ist, nicht erforderlich, so -daß eine genauer gehende Automobiluhr möglich wird« Schließlich ermöglicht der erhöhte Wirkungsgrad dieser Motoren ihre Anwendung in Automobilen, ohne daß zu befürchten ist, daß die Energie der- Batterie durch den Motor aufgezehrt werden könnte.

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Obwohl verschiedene Ausführungsformon des selbsttätig anlaufenden Synchronnotors beschrieben worden sind, liegt es im betrachteten Hahnen der Erfindung, daß die beschriebenen Ausführungsbeispiele zahlreichen Abwandlungen zugänglich sind, ohne daß der durch die Ansprüche gegebene Rahmen der Erfindung verlassen wird,

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Claims

Patentansprüche

Μ« !Synchronmotor, insbesondere als batteriegespeister, selbstanlaufender Zeitgeber- für Autouhren, mit einem scheibenförmigen Rotor, der längs seines TJmfangs einen Kreisring sich durch die Dicke des Rotors erstreckender permanentmagnetischer Pole aufweist, und mit einem einen Kern und eine Erregerwicklung umfassenden Stator, dessen Kern mindestens ein Polpaar aufweist, das einen axialen Luftspalt begrenzt, durch den der Kreisring der permanentmagnetischen Pole des Rotors hindurchläuft und in dem' mittels der Erregerwicklung ein magnetisches Feld erzeugt wird, das zwischen den Polen des Stators durch den Rotor im wesentlichen senkrecht zur Eoene des Rotors hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, daß jedem permanentmagnetischen Pol (31» 33, 35» 36) des Rotors zu beiden Seiten ein Pol entgegengesetzter Polarität unmittelbar benachbart ist und daß die durch die Pole (3*1, 33, 35» 36) des Rotors (25, 77) erzeugten magnetischen Felder den Stator (18, 71» 73) im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Polpaares des Stators durchsetzeno
2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (25, 77)' aus einem Material niedriger Dichte und hoher Remanenz besteht und die auf einem Kreisring angeordneten Pole (31, 33, 35» 36) des Rotors (25, 77) im Material des Rotors gebildet

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sind, so daß der Rotor (25, 77) ein niedriges Trägheitsmoment und eine große wirksame magnetische "Fläche erhält und dadurch ein in Vorh-'iltrd-fj z~:jz* (Trägheitsmoment großes Drehmoment ab
3. Synchronmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da2 das Llaterial des Rotors (25, 77) aus mit; einer: Bindemittel niedriger Dichte vermenten Bariunferri'G-pulver "besteht.
4·. Synchronmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (15» 16, 17» 18) nur ein Polpaar (18) aufweist.
5. Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dessen Stator ein Paar komplementärer Polschuhe enthält, dadurch gekennzeichnet, daß -die Polschuhe (84·) mehrere Polpaare bilden, von denen jedes Polpaar annähernd die Anordnung der Pole (31» 33» 35» 36) des Rotors (25, 77) aufweist.
6. Synchronmotor nach Anspruch 5r dadurch gekennzeichnet;, daß die Polflächen koaxial zum Rotor (25, 77) angeordnet und starr mit dem Kern (79» 71» 73» 75) äes Stators verbunden sind·

7· Batteriegespeiste Autouhr mit einem Synchronmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung an eine ein Wechselstromsignal erzeugende Schaltungsanordnung angeschlossen ist, die einen Quarzoszillator, einen

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2305 t

die Frequenz des Quarzoszillators untersetzende !Teilerstufe und eine an die Q^eilerstufe angeschlossene > das Erregersignal für die Erregerwicklung liefernde £reibe.rstufe umfaßte

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