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Magnetischer Motor mit schrittweiser
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Drehung in nur einem Drehsinn Die vorliegende Erfindung betrifft
e nen elektromagnetischen Motor der Bauart mit schrittweisem Antrieb und Drehung
in nur einem Drehsinn.
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Die Erfindung betrifft insbesondere Kleinstmotoren für Uhrwerke mit
Batterieantrieb und einem Gehäuse von geringer Dicke (weniger als 20 mmX in denen
die elektrischen Impulse durch einen Oszillator bestimmt werden.
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Bekannte Motoren von dieser Art, die dafür konstruiert sind, für jeden
elektrischen Impuls eine Drehung aus zur führen, ordnen im allgemeinen mehrere magnetische
Polpaare einer oder mehreren Spulen zu, wobei im Falle nur einer Spule relativ große
ferromagnetische Bauteile hinzukommen.
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Hauptaufgabe der Erfindung ist es, eine neue Art eines Kleinstmotors,
der relativ preisgünstig und in der Lage ist, auf Nadeln bzw. Zeiger, Scheiben oder
Trommeln eine Winkelbewegung entsprechend der Anzahl elektrischer Impulse zu übertragen,
die von einem Quarz-gesteuerten Frequenzteiler geliefert werden, zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen elektromagnetischen
Motor für schrittweise Bewegung in nur einem Drehsinn gelöst, der sich dadurch kennzeichnet,
daß er eine feste Spule aufweist sowie einen im wesentlichen aus einem der Wirkung
der von der Spule erzeugten Felder ausgesetzten und um eine unter einem Winkel zu
deren Achse verlaufende Achse drehbaren Magneten bestehenden Rotor, weiter eine
Einrichtung zum Speisen der Spule mit elektrischen Impulsen wechselnder Polarität
und einen ferromagnetischen Index, der seitlich in Bezug auf die Gleichgewichtsstellung
verlagert ist, welche der Magnet unter der Wirkung der von der Spule erzeugten Felder
einnimmt.
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Die Winkelabweichung der Achsen von Spule und Rotor gestattet die
Auslenkung des Magneten unter der Wirkung eines von der Spule geschaffenen magnetischen
Feldes, und diese Winkelabweichung beträgt vorzugsweise 900 als Winkel, für den
das elektromagnetische Drehmoment maximal ist, wenn der Magnet auf der Rotorachse
so montiert ist, daß die Verbindungslinie seiner Pole rechtwinklig zur Achse des
Rotors liegt.
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Die Erfindung ist nachstehend in mehreren Ausführungsbeispielen anhand
der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigen: Fig. 1 schematisch einen Axialschnitt
durch einen Motor nach der Erfindung; Fig. 2 Varianten des Motors der Fig. 1; und
3 Fig. 4 Varianten des Rotors; und und 5 Fig. 6 Die Arbeitsweise des Motors verdeutlichende
bis 9 Darste1lungen.-Der Motor gemäß der Erfindung, wie er schematisch in Fig. 1-3
dargestellt ist, weist einen im wesentlichen von einer flachen zylindrischen Spule
3 mit der Achse A»B gebildeten Stator von beliebiger umhüllender Form (kreisförmig,
oval, quadratisch
usw.) auf sowie einen Rotor mit der Achse C-D,
der sich im wesentlichen aus einer Spindel 1 mit einem Element zur Antriebsübertragung,
beispielsweise einem Ritzel 4, am einen Ende der Spindel und einem Magneten 2 zusammensetzt,
dessen Polachse N-S im wesentlichen lotrecht zur Achse C-D des Rotors liegt.
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Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Lager für den Rotor in
Fig. 1, 2 und 3 nicht gezeichnet.
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Der Rotor ist so gelagert, daß der Magnet 2 sich in der Bohrung der
Spule 3 befindet und daß die Achse der Pole N-S des Magneten eine zur Ebene der
Spule geneigte Ebene bestreicht, wobei die Leistung des Motors umso besser ist,
je mehr die Drehachse CD des Rotors sich der Mittelebene der Spule 3 nähert, welche
senkrecht zu deren Achse A-B liegt, und mit optimaler Leistung, wenn die Achse C-D
des Rotors senkrecht zur Achse A-B der Spule liegt, wie in den Varianten der Fig.
2 und 3 dargestellt ist.
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Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 ist die Spule 3' in zwei übereinstimmende
Teile unterteilt, die symmetrisch beiderseits des Rotors angeordnet sind, dessen
Magneten 2 sie umgeben, wobei dessen Polachse eine Ebene bestreicht, welche die
gemeinsame Achse der beiden Teile der Spule 3' enthält.
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In Fig. 3 ist die Rotorachse senkrecht zur Achse der Spule 3", welche
den zugehörigen Magneten 2 teilweise umgibt.
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Ber Magnet 2 hat nur ein Paar von Polen N-S; es ist von Interesse,
daß er ein maximales Volumen im Inneren der Spule einnimmt, also ein Rotationslltpsaidim
Falle der Fig.1 und eine Kugel im Falle der Fig. 2 und 3, aber aus Gründen der Konstruktion
von Magneten hoher Koerzitivkraft, dr9 nicht allzu kostspielig sind, liefert ein
Magnet das beste Drehmoment, der entweder die Form eines Paralleiepipeds hat, dessen
Dimensionen den Proportionen 8x8x6 entsprechen mit magnetischen Ladungen an den
quadratischen Flächen, oder ein Magnet in Scheibenform, dessen Dimensionen im wesentlichen
proportional sind zu einem Durchmesser 8 mit Scheibenhöhe 6
und
magnetischen Ladungen an den kreisförmigen Flächen.
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Es ist nicht Sache der vorliegenden Erfindung, die Konstruktion des
Rotors zu bestimmen, aber zum Verbessern des elektromagnetischen Drehmoments können
zwei ferromagnetische Polschuhe 5 dem Magneten 2 zugefügt werden, die gemäß Fig.4
Schalen von kalottenförmiger Gestalt oder gemäß Figur 5 Kugelabschnitte sein können,
welche die Pole N und S bedecken, wobei das Ganze zum Beispiel in Kunststoff gemäß
einer bekannten Uberzugstechnik eingehüllt sein kann.
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In Fig. 6 bis 9 ist das System schematisch dargestellt, derart, daß
die Rotorachse in der Mittelebene der Spule liegen soll, senkrecht zu deren Achse
und zur Zeichenebene, wobei der Punkt 0 die Projektion dieser Achse darstellt. Der
erfindungsgemäße Motor weist einen ferromagnetischen Index 6 von irgendeiner Form
aus Eisen oder aus Stahl (Fig. 6 bis 9) auf, der in der Axialebene der Spule senkrecht
zur Drehachse des Magneten (Zeichenebene) angeordnet und im gewünschten Drehsinn
des Rotors in Bezug auf die durch die in 0 zusammenlaufenden Achsen des Rotors.und
der Spule bestimmte Ebene verlagert ist, wobei der Index 6 in einer Richtung O-I
liegt, die im Uhrzeigersinn um einen Winkel o; von weniger als 900 von der Lage
der Achse A-B abweicht.
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Weiter sind (nicht gezeigte) übliche Mittel zum Erzeugen von Impulsen
vorgesehen, die dazu dienen, die Spule 3 mit elektrischen Impulsen wechselnder Polarität
zu erregen, derart, daß die Richtung des elektromagnetischen von der Spule erzeugten
Feldes sich bei jeder Bewegung der Spule umkehrt. Die Arbeitsweise des Motors nach
der Erfindung ist folgende (Fig.6bis 9).
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Ohne Erregung der Spule und damit ohne elektromagnetisches Feld stellt
sich die Verbindungslinie der Pole N-S des Magneten 2 in Richtung auf den ferromagnetischen
Index 6 ein, welcher vollkommen indifferent einen dieser beiden Pole anzieht. Angenommen
der Magnet nimmt ursprünglich die in Fig.6 gezeigte Ruhestellung mit dem Nordpol
gegen den Index 6 ausgerichtet ein und ein in die Spule geschickter elektrischer
Impuls
sei von einer Polarität, daß innerhalb ihrer Bohrung die Kraftlinien des elektromagnetischen
Feldes von A nach B gerichtet sind; dann wird der Magnet 2 im Uhrzeigersinn um einen
Winkel # - α derart ausgelenkt, daß die seine Pole verbindende Linie sich
auf die Feldrichtung einstellt, wobei der Nordpol gegen B (Fig.7) gerichtet ist.
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Wenn der Impuls aufhört, verschwindet das elektromagnetische Feld
und der Index 6 zieht denjenigen Pol des Magneten an, der ihm an nächsten liegt,
im vorliegend gewählten Beispiel, also den Südpol. Der Magnet schwenkt erneut um
einen spitzen Winkel a , stets im Uhrzeigersinn, derart, daß die seine Pole N-S
Verbindende Linie auf den Index 6 ausgerichtet ist, und zwar mit dem Südpol zu diesem
Index hin (Fig. 8).
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Da der folgende elektrische Impuls entgegengesetzte Polarität hat
wie der vorhergehende, kehrtsich die Richtung des von der Spule erzeugten elektromagnetischen
Feldes um,und in der Bohrung bzw. dem Innenraum der Spule verlaufen die Kraftlinien
von B nach A und ziehen den Nordpol N des Magneten gegen A; der Magnet schwenkt
um einen Winkel # - α -wiederum im Uhrzeigersinn derart, daß die Verbindungslinie
seiner Pole längs B-A (Fig. 9) verläuft. Wenn der zweite elektrische Impuls aufhört-,
verschwindet das elektromagnetische Feld,und der Nordpol, der dem Index 6 am nächsten
liegt, wird von diesem angezogen, wodurch der Magnet sich erneut um einen spitzen
Winkel oG im Uhrzeigersinn dreht, derart, daß seine Pollinie N-S in Richtung O-I
auf den Inde;x ausgerichtet ist mit dem Nordpol zu diesem hin gelegen (Fig. 6).
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Der Magnet 2 ebenso wie die Spindel 1 und das Ritzel 4, die ihm zugeordnet
sind, machen so unter der Wirkung der durch zwei aufeinanderfolgende Impulse wechselnder
Polarität von der Spule erzeugten Felder eine vollständige Umdrehung, wobei die
Aufgabe des index 6 vor allem darin
besteht, eine Voreinstellung
des Magneten 2 vor jeder Erregung der Spule zu bewirken. Ohne diesen Index wäre
der Magnet bei jeder Umkehr des elektromagnetischen Feldes in einer unstabilen Gleichgewichtslage
und in Gefahr, indifferent im einen oder anderen Drehsinn zu schwenken, aber dank
des ferromagnetischen Index, der den Magneten stets nach der gleichen Seite auslenkt,
ist gewährleistet, daß der Rotor sich stets im gleichen Sinne dreht. Es ist somit
festzustellen, daß für jede Erregung der Spule, infolge zum Beispiel, eines kurzen
elektrischen Impulses von einem Quarz-gesteuerten Frequenzteiler, der Rotor 3 eine
halbe Umdrehung ausführt, wobei diese Drehung stets im gleichen Drehsinn, teils
durch die elektromagnetische Wirkung der Spule und teils durch die Anziehungskraft
des Index gewährleistet ist, welch letzterer den kleinsten Drehwinkel (kleiner als
900) des Rotors bewirkt.
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Natürlich ist die Erfindung nicht auf die vorstehend beschtebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt auch abweichende Ausführungsformen.
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Bei den beschriebenen Beispielen erfolgt die Antriebsübertragung über
ein Ritzel 5, das jedoch beispielsweise auch durch eine endlose Schraube, einen
Mitnehmerzapfen oder ein anderes äquivalentes Mittel ersetzt sein könnte.
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Die Erfindung kann mit Vorteil in allen denjenigen Fällen angewendet
werden, wo von elektrischen Impulsen ausgehend, der Anzahl dieser Impulse proportionale
Verlagerungen ausgeführt werden sollen. Die Anwendung der Erfindung ist für das
Gebiet der Uhrenfabrikation von besonderem Interesse und hierbei wieder in erster
Linie für Quarzuhren wegen der geringen Trägheit und der. Funktionsfähigkeit in
allen Stellungen, die einem elektromagnetischen Motor nach der Erfindung eigen sind.
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