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Antriebssystem für schrittweise bewegte, von Impulsen gesteuerte Wähler,
insbesondere für Fernmeldeanlagen Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem
für schrittweise bewegte, von Impulsen gesteuerte Wähler, insbesondere für Fernmeldeanlagen,
bei welchem ein mit einem axial polarisierten Dauermagnet versehener Rotor durch
feststehende, über Rotorkontakte angeschaltete Feldmagnete nach jedem Impuls in
eine definierte Teilumdrehung versetzt wird und bei dem zum beschleunigten Anlauf
des Rotors einige Feldspulen. im den Rotor anziehenden und einige Feldspulen im
den Rotor abstoßenden Sinn erregbar sind und ferner zum Stillsetzen des Rotors andere
Feldspulen als zu seinem Lauf vorgesehen sind.
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Bekannt sind elektromagnetische Antriebe für Wähler mit besonders
geformtem Weicheisenanker als Rotor, der von zwei um 9o° versetzten, abwechselnd
eingeschalteten Elektromagneten in Drehung versetzt wird. Bei jedem Steuerimpuls
wird der Rotor um 9o° gedreht und bewegt die zugeordneten Wählerarme einen Schritt
weiter. Zur Stillsetzung der Motorbewegung werden beide Ständerspulen gleichzeitig
erregt. Die Pole des Ankers sind durch zusätzliche Nasen so verformt, daß das Anzugsmoment
der beim Lauf jeweils eingeschalteten Ständerspule etwa gleichmäßig wirkt und der
Drehsinn eindeutig .festgelegt ist. Um für die Ruhestellung eine stabile Lage zu
sichern, sind zusätzliche Maßnahmen bekannt, die gleichzeitig die beim Anhalten
des Motors auftretenden Pendelschwingungen vermindern. Ferner macht bei dieser Anordnung
die Abführung der im Dauerbetrieb in den beiden Spulen erzeugten Verlustwärme einige
Mühe und bedingt weitere Hilfsmaßnahmen.
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Nach einer anderen bekannten Anordnung werden drei gleichmäßig auf
den Umfang des Stators verteilte Elektromagnete verwendet, die zur Stillsetzurig
des.
Motors zusätzlich Hilfswicklungen tragen. Es wurden auch Antriebsvorrichtungen bekannt,
bei denen als Läufer ein. sternförmig gestalteter Dauermagnet und als Ständermagnete
periodisch umgepolte Spulen dienen. Jeder Stromstoß dreht den Motor um einen Pol
weiter. Die Ständerspulen sind hierbei hintereinandergeschaltet und so gepolt, daß
wie beim Rotor gegengleiche Magnetpole der Reihe nach abwechseln. Alle Pole des
Ständers sind stets gleichzeitig wirksam, und zwar im periodischen Wechsel der Polarität.
Die Polzahl des Ankers und des Rotors sind gleich.
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Ferner ist ein Elektromotor bekannt, bei dem der Antrieb des Ankers
durch sechs um ihn herumliegende Elektromagnete erfolgt, die in Gruppen von je drei
der Reihe nach erregt werden, so daß der Anker jeweils über Teilumdrehungen seines
Umlaufs beschleunigt wird. Es handelt sich jedoch um einen dauernd laufenden Motor,
der nicht in der Lage ist, als Antriebssystem für schrittweise bewegte, von Impulsen
gesteuerte Wähler nur eine definierte Teilumdrehung auszuführen.
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Schließlich ist durch ein Antriebssystem für eine elektrische Nebenuhr
ein Elektromotor mit auf dem Anker angeordneten, axial polarisierten Dauermagneten
bekanntgeworden, der von Impulsen wechselnder Polarität schrittweise weiterbewegt
wird. Der Motor macht jeweils nur einen Schritt, wobei sämtliche Statormagnete gleichzeitig
wirksam sind.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem ist dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand zwischen den Rotorpolen und den Polen der Stillsetzmagnete kleiner ist
als der zwischen den übrigen Feldmagneten und daß die zum Lauf des Rotors vorgesehenen
Feldspulen derart in einer Richtung und Stärke erregt werden, daß das an sich bekannte
permanente Feld des Stators aufgehoben oder umgekehrt wird, und daß ferner innerhalb
einer definierten Teilumdrehung alle am Umfang des Ständers verteilten Spulen nacheinander
wirksam werden.
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Die Abbildungen zeigen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung. Abb. I gibt einen Querschnitt durch die Antriebsvorrichtung wieder, während
Abb. 2 eine Aufsicht darstellt.
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Auf der Achse I, die die Drehbewegung auf die nicht dargestellten
Wähler überträgt, ist ein Dauermagnete angeordnet, der axial magnetisiert ist, beispielsweise
gemäß der Abbildung, oben N, unten S. An beiden Seiten des Magnets sind ringförmige
Polschuhe 3 und 4 vorgesehen, die sternförmig angeordnete Pole 5, 5' bis 8, 8' tragen.
Im Beispiel sind die Polschuhe mit vier Polen dargestellt. Ihre Zahl hängt vom Drehwinkel
ab, den der Motor in Abhängigkeit von einem Steuerimpuls ausführen und dabei den
Wähler um einen Schritt vorwärts bewegen soll. Bei vier Polen beträgt die Ankerumdrehung
eine Viertel Umdrehung für einen Schaltschritt. Auf dem Umfang des Ständers sind
eine -Reihe von Elektromagneten A bis E in bestimmten Abständen verteilt,
etwa so, daß der gegenseitige Winkelabstand einer Rotordrehung von 22,5° entspricht.
Wegen der vierzähligen Symmetrie des Rotors ist es hierbei gleichgültig, in welchem
Sektor die Spulen angeordnet werden. Es kann beispielsweise im Sektor 3 die vorgesehene
Spule D', die hier aus konstruktiven Gründen stört, mit gleicher Wirkung an entsprechender
Stelle im vierten Sektor D angeordnet sein. Die Spulen werden durch eine nicht dargestellte,
vom Rotor selbst betätigte Schaltanordnung in einer Reihenfolge unter Strom gesetzt,
die einen beschleunigten Start, einen raschen Umlauf und eine plötzliche Abbremsung
des Rotors in definierter Ruhestellung bewirken.
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Die Elektromagnete selbst sind konstruktiv unter sich gleich und bestehen
aus der Stromspule 9 und dem U-förmigen Jochen, deren Schenkel Io und Io' gegen
den Mittelpunkt des Antriebssystems stehen. Die Ruhelage des Motors ist durch die
beiden Elektromagnete A und E festgehalten. Ihre Joche stehen allein entsprechenden
Polen des Ankermagnets gegenüber, so daß eine definierte Ruhelage durch den Dauermagnet
bereits sichergestellt ist. Darüber hinaus können natürlich die Magnete A und E,
falls erforderlich beide oder einzeln, durch einen eventuell verminderten Ruhestrom
zur Erhöhung der Stabilität der Ruhelage erregt werden. Der Haltestrom ist dabei
so gerichtet, daß die oberen Pole Io südpolare und die unteren Pole Io' nordpolare
Eigenschaften haben und damit den entgegengesetzt gepolten Dauermagnet festhalten.
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Um den Motorwähler in Bewegung zu setzen, werden die beiden Haltespulen
A und E so erregt, daß sie abstoßend wirken und zusätzlich die den Rotorpolen zunächst
liegende Spule B anziehend magnetisiert. Dadurch wird ein rascher Start möglich,
der gegebenenfalls noch durch entsprechende Erregung weiterer Spulen beschleunigt
werden kann. Sobald der Rotorpol - in der Zeichnung 2 das Polpaar 5 und 5' - den
Ständermagnet B pes-' siert, wird dessen Erregung ausgeschaltet und ein anderer
Magnet C, der gegenüber dem nächsten Ankerpol nun den kleinsten Winkelabstand aufweist,
anziehend erregt. Nach einer weiteren Teildrehung wird C ausgeschaltet und D erregt.
Nach Beendigung der für einen Schaltschritt vorgesehenen Teildrehung von 90'°, wie
sie für das beschriebene Ausführungsbeispiel zutrifft, werden die beiden Haltespulen
A und E zur Stillsetzung des Motors eingeschaltet. Zur Erhöhung der Bremswirkung
kann zusätzlich Spule B noch abstoend erregt werden.
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Die An- und Umschaltung der Ständermagnete wird vom Rotor selbst vorgenommen,
sobald die Drehbewegung eingeleitet ist und läuft in dem beschriebenen Rhythmus
selbsttätig ab, bis ein Schaltschritt = s/4-Umdrehung durchgeführt ist. Die Umschaltung-
der einzelnen Elektromagnete auf anziehende oder abstoßende Wirkung erfolgt entweder
durch Stromumkehr oder durch Abschaltung einer anziehend wirkenden Wicklung und
Anschaltung einer gegensinnig arbeitenden Wicklung. Nach einem anderen Ausführungsbeispiel
können auch die Spulen B bis D doppelt, und zwar diametral zueinander,
angeordnet
werden, wobei der eine Satz die anziehenden Kräfte und der jeweils gegenüberliegende
Satz die abstoßenden Kräfte erzeugt.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, die
gleichzeitig eine fortschrittliche Weiterbildung des Erfindungsgedankens darstellt,
ist in Abb. 3 und 4 wiedergegeben. Abb.3 zeigt die Anordnung wieder im Schnitt,
Abb. 4 in Aufsicht. Die Bedeutung der Teile I bis 4 ist dieselbe wie in Abb. I.
Die Polschuhe 3 und 4 weisen jedoch in dieser Ausführung je zehn Pole a bis k bzw.
a' bis k' auf. Der Stator besteht nun ebenfalls aus einem permanenten Magnet 13
mit acht Polpaaren II bis II', die die Spulen 12 und 12' tragen. Die Spulen 12 und
I2' können auch jeweils zu einer vereinigt sein. Die Polarität des Statormagnets
ist so gerichtet, daß, wie in Abb. 3 dargestellt, z. B. beim Stator und Rotor der
N-Pol oben ist. Je zwei Spulen oder Spulenpaare, die sich diametral gegenüberstehen
und entsprechend mit A und A' bzw. D und D' bezeichnet sind, arbeiten zusammen.
Die Ruhestellung des Rotors ist dadurch bestimmt, daß z. B. die Spulen A erregt
werden in einer Richtung und einer Stärke, daß das permanente Feld des Stators in
diesen Polen nicht nur aufgehoben, sondern umgekehrt wird. Dadurch ziehen die Spulen
bei A entsprechende Pole des Rotors an, während die übrigen Pole auf Grund der gleichgerichteten
Magnetisierung des Rotors und Stators abgestoßen werden. Zur Erhöhung der Bremswirkung
schlägt die Erfindung weiterhin vor, den Polabstand zwischen den Rotor- und Statorspulen
bei den Spulen, die lediglich zur Bremsung dienen, geringer zu halten als bei den
übrigen Feldspulen, die die Bewegungskräfte erzeugen. Dieser Abstand kann nämlich
nicht beliebig gewählt werden, da ein zu großer Abstand einen ungünstigen Wirkungsgrad
bedeutet und geringer Abstand sehr ungleichförmigen Lauf bedingt.
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Eine Bewegung des Rotors wird dadurch erzielt, daß die Spulen bei
B, C, D in gleicher Weise wie die Spulen A nacheinander anziehend erregt
werden. Die Spulen bei A werden dagegen stromlos, so daß ihre Pole auf Grund der
permanenten Magnetkräfte die Rotorpole abstoßen. Bei jedem Steuerimpuls dreht sich
der Anker so weit, daß der in Drehrichtung liegende nächste Ankerpol mit dem nächsten
Statorpol zur Deckung kommt, also etwa so, daß bei der Ruhestellung sich a und A
decken, nach dem ersten Impuls sich dann b und B gegenüberstehen und
bei den folgenden Impulsen c und C, d und D, e und A', f und
B'. . . sich decken.
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Gegenüber den bekannten Anordnungen hat die Anordnung gemäß Abb. 3
und 4 den Vorteil, daß zur Erzielung einer Drehbewegung keine Umpolungen der Statorspulen
erforderlich sind, demzufolge auch die gelegentlich vorgeschlagenen Hilfswicklungen
überflüssig sind. Durch die besondere Polteilung, Anzahl der Ankerpole und davon
abweichende Anzahl der Statorpole wird erreicht, daß eine ganze Ankerumdrehung zehn
Schaltschritten entspricht, was bei dem üblichen dekadischen Zahlensystem eine vereinfachte
Übersetzung zwischen dem Motor und den Kontaktsätzen bedeutet. Die besondere Polteilung
bietet aber noch einen weiteren Vorteil. Während bei den bekannten Anordnungen sowie
der gemäß Abb. I und 2 pro Schaltschritt jeweils mindestens ¼ Drehung des Motors
erforderlich ist, arbeitet die Anordnung gemäß Abb. 3 und 4 pro Schaltschritt mit
einer Drehung von ein Zehntel des Umfangs. Dadurch wird die erforderliche Geschwindigkeit
für die Fortschaltung um einen Schritt kleiner und die Bremskräfte, die sich mit
dem Quadrat der Geschwindigkeitsänderung vermindern, erheblich geringer.
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Aufbaumäßig ergeben sich eine Reihe von Möglichkeiten für den erfindungsgemäßen
Motor, von dem die skizzierten Anordnungen nur Ausführungsbeispiele darstellen.
Der Magnet des Stators kann als Ring vorgesehen sein, an dem die Pole mit den Feldspulen
in radialer Richtung angebaut werden. Zweckmäßiger ist der Aufbau aus Segmenten,
die durch Flansche I4 (Abb.4) oder Klammern zusammengehalten werden. Zum Feinabgleich
der magnetischen Kraftwirkungen können einstellbare magnetische Nebenschlüsse 18
(Abb. 3) vorgesehen sein. Abb. 5 zeigt eine andere prinzipielle Konstruktion, bei
der der Dauermagnet des Stators aus einem ringförmigen, axial polarisierten Dauermagnet
15 besteht, auf dem die die Feldspulen tragenden Pole 17 aufgesetzt sind. Weitere
zweckmäßige Formen des erfindungsgemäßen Motors sind in den Abb. 6 und 7 wiedergegeben,
nach denen das Gehäuse 18 etwa aus Leichtmetall oder thermoplastischem Werkstoff
die Statorpole 17 eingebaut enthält und dazu Kammern öderAussparungen r9
aufweist, in die die Einzelmagnetspulen 21 mit permanenten Magneten in der leichter
herstellbaren Stabform 2o eingesetzt werden.
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Die Steuerung der Feldmagnete zur Erzielung einer Drehbewegung des
Rotors, der ein Schaltschritt der Wähler entspricht, erfolgt über Kontakte, die
vom Rotor betätigt werden. Die erforderlichen Kontakteinrichtungen können in den
Ausführungsbeispielen nach 6 und 7 im Motorgehäuse in den Kammern 22 vorgesehen
sein. Der Steuervorgang wird durch Stromimpulse, etwa den Stromstößen einer Wählscheibe
ausgelöst. In Verbindung mit einer weiteren Steuereinrichtung ist der erfindungsgemäße
Antrieb in der Lage, Wähler für die verschiedensten Schaltaufgaben der Fernmeldetechnik
zu betreiben.
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Gegenüber den bekannten Ausführungen hat das neue Antriebssystem den
Vorteil, daß eine stärkere Beschleunigung nur während des Anlaufs auf den Rotor
ausgeübt wird; beim Weiterlauf ist die beschleunigende Wirkung der Ständerpole wesentlich
geringer, da die weiteren Spulen nur einzeln nacheinander eingeschaltet werden..
Sie ist im Grenzfall so gering, daß sie lediglich die unvermeidbaren Reibungsverluste
deckt. Dadurch wird erreicht, daß weniger kinetische Energie der bewegten Teile
abgebremst werden muß als bei den bekannten Anordnungen, so daß mit kleineren
Bremskräften
die Stillsetzung des Motors mit größerer Sicherheit ohne das störende Pendeln erreicht
wird. Ein weiterer Vorteil liegt in der geringeren Erwärmung der Spulen infolge
der nur zeitweisen Erregung. Die auftretende Verlustwärme ist auf größeren Raum
verteilt und wird daher besser abgestrahlt.