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Gleichstrom-Kleinstmotor In Regelanlagen werden häufig Elektromotoren
kleinsten Ausmaßes und Gewichts benötigt, die z. B. den Anodenstrom von Elektronenröhren
kleinster Anodenverlustleistung in eine proportionale mechanische Drehbewegung zum
Verstellen von Regelgliedern (Widerständen, Zeigern usw.) umwandeln. Die Zeitkonstante
(Anlaufzeit) ,dieser Motoren muß sehr klein sein, um unerwünschte Verzögerungen
innerhalb der Regelvorgänge zu vermeiden; während ihre Regel'barkeit, d. h. .das
Verhältnis von Anlaufspannung Ua zu der zulässigen Maximalspannung U.", groß sein
muß (> i : 2o).
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Im folgenden ist ein Gleichstrommotor beschrieben, der bei kleinstem
Gewicht, Raumbedarf und: Herstellungskosten eine sehr kleine Anlaufzeit (etwa 15
m/sec) und eine weitgehende Proportionalität zwischen angelegter Spannung U und
seiner Drehzahl n besitzt.
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Die Erfindung geht aus von den bekannten Gleichstrom-Kleinstmotoren
mit einem Permanentmagneten, der zwischen drei über einen Kollektor abwechselnd
gespeisten Elektromagneten umläuft. Erfindungsgemäß ist der Permanentmagnet als
Zylinderscheibe eines Materials von hoher Koerzitivkraft mit magnetischer Vorzugsrichung
ausgebildet.
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Fig. i zeigt zunächst schematisch den prinzipiellen mechanischen und
elektrischen Aufbau. EinDauermagnet i ist drehbar mittels der Welle 3 zwischen drei
um je i2o° versetzten Magneten 14 angeordnet. Die Magnete 1q. sind auf der Eisenscheibe
13 befestigt. Auf der Welle 3 ist isoliert ein
Kollektor --z befestigt.
Ein Schleifkontakt i r ist über die Klemme 2o mit dem +-Pöl einer Stromquelle, z.
B: der Batterie 22, verbunden. Die drei Schleifkontakte 8, 9, io führen so den Strom.den
auf -den Magneten 14 angeordneten' Wicklungen 23, 24, 25 zu. Die Enden der Wicklungen
23, 24 und 25 sind mit :der Klemme 2,1 der Stromquelle 22 verbunden: Die Wicklungen
23., 24, 25 sind im gleichen, Wickelsinn gewickelt. Die gezeichnete räumliche Anordnung
der feststehenden Schleifkontakte 8, 9, zo und des Kollektors 2 bewirkt, daß in
,der gezeichneten Stellung des Permanentmagneten i und des Kollektors 2 die Wicklung
25 unter Spannung steht,. während, .die Wicklung 2@3 stromlos ist. Die räumlicheLage
des Schleifkontaktes 8 ist s gewählt, daß dieser auf der Übergangsstelle von der
Kol'lektorlamelle zu dem isolierten, punktiert gezeichneten Segment des Kollektors
aufliegt. Entsprechend dem gezeichneten Wickelsinn der Spule 2"5 wird am zugehörigen
Magneten ein Südpol entstehen, während sich am Magneten, der von der Spule 23 umschlossen
wird., ein Nordpol ausbildet. Je nach der Einstellgenauigkeit des Schleifkontaktes
8 wird die Spule 24 in der gezeichneten Lage des Ankers i vom Strom durchflossen
oder nicht, so daß sich an dem zugehörigen Magneten ein Süd- bzw. Nordpol ausbildet.
Der Dauermagnet wind also--entgegen dem Uhrzeigerdrehsinngedreht und läuft kontinuierlich
um, da die Spulen23, 24, 2i5 über die Schleifkontakte 8, 9, io und den, Kollektor
2 abwechselnd an Spannung -gelegt werden. Die Drehgeschwindigkeit des Ankers i ist
proportional der Spannung der Stromquelle 2,2, da.der Permanentmagnet i eine Spannung
EMK = U-I - Rd in den Spulen 23, z4, 25 induziert, wobei U,die Klemmspannung
der Stromquelle 22, Ra der Ohmsche Widerstand -der einzelnen Wicklungen 23, 24,
25 und I der in den einzelnen Wicklungen 23, 24, 2-5 fließende Strom ist.
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Der Elektromotor entsprechend Fg. i besitzt also die Oharakteristik
eines Gleichstromnebenschlußmotors. Es vst ersichtlich, &s dieser Motor seine
Drehrichturng ünvkehrt, wenn die Polarität der Stromquelle 22 umgekehrt wird. Zwischen
dem alfs Stromzuführung dienendem Schleifkontakt i i und -dien Schleifkontakten
8, 9, io für die Spulen liegt je ein Kondensator 26 mit vorgeschaltetem Schutzwiderstand
27, um die Absc'hältspannüngen der Spulen 23, 24, 2.5 auf ein gewünsehtes
Maß herabzudrücken.
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Die Größe der benötigten Klemmspännung U" de Stromquelle 212, bei
der der Motor gerade anläuft, ist abhängig von der Reibung der Schleifkontakte i-1,
8, 9; liio auf dem Kollektor 2, der Lagerreibung der Welle 3 und dem magnetischen
Rastmoment zwischen ,dem Permanentmagneten i und den Magneten 14.
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Fig. 3 und 4, die im Maßstab angenähert 3 : z gezeichnet sind, zeigen,.
konstruktive Einzelheiten des Motors entsprechend Fig. i. Um eine möglichst geringe-Anlaufspannung
U, zu erreichen, sind . 1. der Durchmesser des Kollektors 2, etwa 2 mm, und
der Durchmesser der Welle 3; -etwa 0,7 mm, sehr klen--geliaalten, -2. die
Schleifkontakte 8, 9, ro, i r, -die aus EdelmetallSdrähten von etwa o,i5 bis o,2
mm Durchmesser hergestellt sind, mit einem geringen:; aber definierten Druck (i
g) auf den Kollektor 2 einjustiert, 3. der Permanentmagnet i als quer magnetisierte
Scheibe eines Materials von 'höchster Koerzitivkraft ausgebildet.
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Die Ausbilid@ung des Permanentmagneten, i als Scheibe und die Wahl
der Polschuhbreite der Magneten 14 der gezeichneten Form ergibt ein magnetisches
Rastmoment, das noch kleiner ist als das kleine Reibungsmoment der Schleifkontakte
8, 9, i o, ii auf dem Kollektor 2.
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Da .dieser Motor mit einer sehr hohen Maximaldrehzahl laufen kann,
bis io ooo Umdrehungen pro Minute, muß ein sehr guter Rundlauf ,des Kolfektors 2
gewährleistet sein, d(a sonst die mit sehr geringem Anpreß,druck (i g) auf dem Kollektor
2 aufliegenden Schleifkontakte 8, 9, io, ii abgeschleudert würden, wodurch die Proportionalität
zwischen der Drehzahl i-t und der anliegenden Klemmspannung U nicht mehr garantiert
wäre.
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Wie Fig.2 und 3 zeigt, besteht der Kollektor aus einem Edeilmetallrohr
2, welches in der Mitte his zur Hälfte seines Durchmessers ausgespart ist. Dieses
Rohr 2 wird zusammen mit der Welle 3 und dem Permanentmagneten i in einer Zentriervorrichtung
mit einem geeigneten Kunstharz, z. B. Polyester 28, verpreßt. So wird eine genaue
Zentrizität des Permanentmagneten i mit der Welle 3 und dem Kollektorrohr 2 sowie
ein fugenloser Übergang: des Kollektorsegments 2 (Fig. 2 und 3) zu der Isoliermasse
28 ohne jede Nacharbeit nach dem obigen Preßvorgang erreicht. Die gezeichneten Aussparungen
in der Welle 3 und dem Permanentmagneten i sorgen dafür, daß das Kollektorrohr 2,
die Welle 3 und der Permanentmagnet z nach dem Preßvorgang ein festes Gebilde sind,.
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Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, besteht der Motor aus drei Hauptgruppen.,
nämlich dem Anker- und Schleifkontaktsystemmit,scinenEinzelteilen i bis io, dem
Polsystem mit seinen Einzelteilen 12 bis 16, dem Getriebe mit seiner Grundplatte
17. Wenn die eingangs geforderten Leistungen von diesem Motor erreicht werden sollen,
dann müssen folgende Bedingungen erfü llt werden: i. Die umlaufenden Massem müssen
sehr klein sein. und gut rund laufen bzw. gut zentriert sein. Deshalb beträgt das
Gewicht der umlaufenden Teile i bis 6 des Motors .entsprechend Fig. 2 und 3 nur
etwa 3 g. Oben ist dargelegt, wie eine exakte Zentrierung von Teil i zu Teile zu
Teil 3 mit einem Minimum an Herstellungskosten erreicht wird.
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2. Der Anker i muß zentrisch zwischen den drei Magneten 14 laufen,
um ein zusätzliches magnetisches Rastmoment, das die Anlaufspannung U, unerwünscht
erhöhen würde, zu vermeiden. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Zentrierscheibe
15 den zentrischen Abstand der drei Magneten 14 zu der Lagerbohrung der Halteschraube
16 stets gewährleistet. So können relativ grobe Herstellungstoleranzen der Einzelteile
des -Polsystems zugelassen werden. Das
ganze Polsystem wird lediglich
durch Anziehen der Mutter der Halteschraube 16 festgehalten und zentriert.
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3. Ein definierter An@preßdruck der Schleifkontakte 8 bis i i auf
!den Kollektor 2, der folgendermaßen erreicht wird: Fig. 2 zeigt, daß der Abstand
der Schleifkontakte i i, die mit dem Polsystem durch den Träger i9 fest verbuniden
sind, von der Stirnfläche der Magneten 1.4 größer ist als die Höhe des Permanentmagneten:
i. Deshalib kann das Ankersystem i bis 6 bei der Montage mit seinem Kollektor 2
zwischen die enitsprech:end vorgebogenen Schleifkontakte i i (Fig. 3) geschoben
werdeni, und die Achse 3 in die Halteschraube 16 des schon fertig montierten Polsystems
12 bis 16 eingeführt werden. Der exakte Anpreßdruck der Schleifkontakte i i an den
Kollektor 2 ist so durch die -entsprechende Vorbiegung der Schleifkontakte i i garantiert.
Nun können die Abstandsrohre 7 auf die Schrauben 18 aufgesetzt werden, und zwar
so, d'aß die an,die Abstandsrohre 7 angelöteten Schleifkontakte 8, 9" io den Kollektor
2 noch nicht berühreni. Als nächstes wird das auf seiner Grundplatte 17 fertig montierte
Getriebe auf den Lagerstein 6 aufgesteckt und mit den drei Schrauben 18 gegen die
Abstandsrohre 7 leicht gegengezogen. Der Druck der Schleifkontakte auf den Kollektor
2 wird .durch Verdrehen der Abstandsrohre 7 eingeregelt, wobei die Durchtbiegung
der Sc'hleifkontakteein genaues Maß für den Auflagedruck ergibt. Mit dem Festziehen
der drei Schraub; n 18 ist die Justierung beendet.