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Gleichstromkleinstmotor mit eisenlosem Glockenanker und dreiteiligem
Kollektor
Gegenstand der Erfindung ist ein empfindlicher Gleichstromkleinstmotor,
welcher insbesondere als Nullmotor für Brückenschaltungen geeignet ist, wie sie
beispielsweise in Winkelfernübertragungsanla,,en Yerwendung finden. Es ist notwendig,
daß derartige Motoren bereits bei sehr kleinen Klemmenspannungen ein möglichst großes
und bei jeder Winkelstellung ihres Ankers ein annähernd gleichmäßiges Drehmoment
abgeben.
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Die Erfindung-geht dabei von bekannten Zählermotoren aus, bei welchen
ein eisenloser, mit Flachspulen versehener glockenförmiger Anker in einem magnetischen
Feld untergebracht ist, welches zwischen einem Kernmagneten und einem ihn umgebenden
Weicheisenmantel vorhanden ist. Ziel der Erfindung ist es, einen derartig aufgel)allten
Motor so zu dimensionieren, daß, wie erwähnt, bei allen Winkelstellungen des Ankers
bei gegebener Klemmenspannung fast das gleiche Drehmoment abgegeben wird, und daß
ferner die beste Ausnutzung des magnetomotonsch wirksamen Kernmatenals in dem Sinne
erfolgt, daß der magnetische Fluß durch den Raum, in dem der Anker läuft, maximal
wird im Verhältnis zum Gewicht des mangetomotorisch wirksamen Kernes. Die Erzielung
eines bei allen Winkélstellungen des Ankers verhältnismäßig gleichmäßigen Drehmomentes
macht bei Motoren mit vielteiligem Anker keine besonderen Schwierigkeiten, da hier
eine große Zahl von Einzelmomenten zur Verfügung steht, die sich dicht überlappen.
Bei einem Motor dagegen, der zur Gewichts- und Raumein-
sparung
beispielsweise mit nur drei Ankerspulen ausgestattet ist, ist es dagegen schwierig
zu erreichen, daß die drei Einzelmomente sich zu einem bei allen Winkelstellungen
des Ankers einigermaßen gleichmäßigen Gesamtmoment zusammensetzen.
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Erfindungsgemäß wird nun zur Erreichung eines bei allen Ankerstellungen
sehr gleichmäßigen Gesamtmomentes ein Statorsystem verwendet, bei welchem der Kernmagnet
ein zylindrisch geformter Dauermagnet ist, welcher von einem ebenfalls mit einer
zylindrischen Bohrung versehenen Weicheisenmantel umgeben ist. Der dreiteilige Glockenanker
läuft im Spalt zwischen dem Kernmagneten und dem Weicheisenmantel. Ein derartig
aufgebautes Statorsystem läßt sich bekanntlich in einfacher Weise so magnetisieren,
daß die magnetische Feldstärke im Spalt sinusförmig über den Umfang des Spaltes
verteilt ist.
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Es hat sich herausgestellt, daß bei sinusförmiger Verteilung der Feldstärke
im Spalt der Vorteil gewonnen ist, daß eine hohe Gleichmäßigkeit des Anlaufmomentes
des Ankers bei verschiedenen Winkelstellungen gewährt ist. Darüber hinaus ist aber
auch die beste Ausnutzung des magnetomotorisch wirksamen Kernmaterials und damit
eine Erhöhung der Drehmomente gewährleistet. Sinusförmiger Feldverlauf im Ringspalt
zwischen Kern und Weicheisenmantel ist nun aber gerade dann vorhanden, wenn der
Kernmagnet und der Weicheisenmantel zylindersymmetrisch aufgebaut sind und wenn
der Kern homogen magnetisiert ist.
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Grundsätzlich steigt das Gewicht eines Ankers und damit seine Lagerreibung
mit Vergrößerung seines Durchmessers stärker an als das von ihm abgegebene Drehmoment.
Grundsätzlich ist durch die zylindersymmetrische Formung des Kernmagneten und seine
homogene Magnetisierung noch zusätzlich gewonnen, daß das Verhältnis des Drehmomentes,
welches der Anker abgeben kann, zu seinem Gewicht und damit zu seiner Lagerreibung
verbessert wird.
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Eine weitere Verbesserung des Drehmomentenverlaufes kann man erfindungsgemäß
durch eine besondere Anordnung der Kollektorschleifer erzielen, indem man in bekannter
Weise als Stromzuführungen je Pol zwei um maximal 60° gegeneinander versetzte Kollektorschleifer
vorsieht. Dabei ist das zu einem Pol gehörige Schleiferpaar elektrisch miteinander
verbunden. Man erreicht hierdurch, daß jeweils eine Spule, die sich in ungünstiger
Arbeitsstellung befindet, kurzgeschlossen wird und dadurch als Vorwiderstand für
eine in günstiger Arbeitsstellung befindliche und dadurch wesentlich wirksamere
Spule ausgeschaltet wird. Auf den Verlauf der Kurve des Gesamtmomentes über 3600
Ankerdrehung wirkt sich das so aus, daß noch vorhandene flache Minima der Kurve
angehoben und ausgeglichen werden. Überdies wird durch die Anordnung von zwei Schleifern
je Pol die Sicherheit der Kontaktgabe erhöht, was für den erfindungsgemäßen Motor
mit kleinem Trägheitsmoment besondere Bedeutung hat.
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Soll der erfindungsgemäße Kleinstmotor als gedämpftes System Verwendung
finden, so kann man eine Dämpfung ohne wesentliche Vergrößerung des Ankergewichtes
und damit der Lagerreibung zweckmäßig dadurch erzielen, daß man die als Flach spulen
ausgebildete Ankerwicklung auf einem in den Ringspalt tauchenden, als Wirbelstrombremse
dienenden Zylinder aus Leichtmetall, vorzugsweise Elektron, anordnet.
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Will man ohne Dämpfung arbeiten, so kann man erfindungsgemäß die
aus zylindermantelartig gebogenen Flachspulen bestehende Ankerwicklung frei tragend
im Ringspalt des Magnetsystems anordnen.
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Bei der Verwendung eines Innenmagneten wirkt sich bei axialer Durchführung
einer Motorwelle aus magnetisierbarem Werkstoff durch den Magneten das Feld in der
Magnetbohrung ungünstig aus. Die Achse wird magnetisiert, d. h., sie erhält ein
magnetisches Moment und kann außerdem unter Einwirkung der Magnetkräfte durchgebogen
werden. Dies läßt sich vermeiden, wenn an Stelle einer durchgehenden, oberhalb und
unterhalb des Magnetkerns gelagerten Welle nur ein auf den Glockenanker aufgesetzter
Achsstummel verwendet wird. Dieser muß jedoch kräftiger ausgebildet werden als eine
durchgehende Welle und erfordert außerdem eine längere axiale Führung, um Pendelungen
des Ankers zu verhindern. Die Verwendung eines Achsstummels führt daher zwangläufig
zu einer durchaus unerwünschten Erhöhung der Lagerreibung. Erfindungsgemäß wird
daher vorgeschlagen, eine durchgehende Welle aus nicht magnetisierbarem, härtbarem
Werkstoff, vorzugsweise Kupfer-Beryllium-Bronze, zu verwenden, da ein solcher Werkstoff
genügende Festigkeit zur Herstellung dünner Wellen, welche in Kugellagern laufen
müssen, besitzt und außerdem durch das Feld in der Bohrung des Magnetkerns nicht
magnetisiert werden kann.
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An Hand von Abbildungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher beschrieben. In den Abb. I und 2 ist ein Nullmotor für elektrische Winkelübertragungsanlagen
im Längs- und Querschnitt dargestellt; Abb. 3 zeigt schematisch dieAnordnungderSchleiferpaare
am Kollektor des Motors.
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In den Ringspalt 1 zwischen einen quermagnetisierten zylindrischen
Permanentmagneten 2 und einen hohlzylindrischen Weicheisenmantel 3 taucht ein dreiteiliger
Glockenanker 4. Der Glockenanker besteht aus zwei Tragringen 5 und 6, zwischen welchen
drei frei tragende, durch Verpressen mit Lack in sich gestreifte, annähernd rechteckförmige
Flachspulen 7, 8 und 9 befestigt sind. Der obere Tragring 5 sitzt fest auf einer
Welle 10 aus Kupfer-Beryllium-Bronze. Gleichfalls fest auf der Welle 10 sitzt ein
dreiteiliger Kollektor II, der im einzelnen aus folgenden Teilen besteht: Ein mit
einem Flansch 12 versehenes Isolierrohr sitzt fest auf der Welle; zwischen diesem
und einem Isolierring 13 sind drei rechtwinklig abgeknickte Blechstreifen I4, I5
und I6 gefaßt, welche in ihrem achsparallelen Teil zylindermantelförmig zusammengebogen
sind. Diese letzteren stellen die Kollektorlamellen dar. Ihre oberen Enden sind
in einem Isolierring I8 gefaßt. Auf den Kollektorlamellen I4, 15 und I6 schleifen
die aus je zwei Golddrähtchen bestehenden Kontakte 19 von vier Kollektorschleifern
20, 2I, 22, 23, von denen je zwei mit einem der Pole 24 und 25 einer Spannungsquelle
verbunden
sind. Ein die Schleifer tragendes Lagerschild 26 aus durchsichtigem Material bildet
mit dem Weicheisenmantel 3 und einer einen Sockel 27 für den Magneten 2 bildenden
Abschlußplatte 28 das Gehäuse des Motors. Die Welle 10 ist in zwei Kugellagern 29
und 30 gelagert und trägt an ihrem freien Ende ein Ritzel 31, welches innen als
Konusring 32 ausgebildet ist, der mittels einer Gewindemutter 33 und einer Zwischenscheibe
34 auf der Welle 10 lösbar befestigt ist.
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Über die Kollektorschleifer 20 und 23 wird den in Dreieckschaltung
miteinander verbundenen Ankerspulen 7, 8 und 9 Gleichstrom zugeführt. Die Spulen
befinden sich im Feld des quermagnetisierten Magnetkerns 2, dessen Kraftlinien im
Luftspalt I etwa so verlaufen, wie dies schematisch durch die Linien 35 in dem einen
Quadranten der Abb. 2 angedeutet ist.
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Da an den beiden gegenüberliegenden Polen N und S der Luftspalt I
stark von Kraftlinien durchsetzt ist, während die Zahl der Kraftlinien nach der
neutralen Zone in go Bogengrad Entfernung von den Polen N und S auf Null herabgeht,
durchwandert ein stromdurchflossener Leiter bei einem Umlauf über volle 360" im
Luftspalt 1 ein sinusförmig ansteigend und abklingendes magnetisches Feld. Die von
diesem Feld in Verbindung mit dem Stromfluß durch die dreiAnkerspulen 7, 8 und 9
erzeugten Einzeldrehmomente überlappen sich so, daß sie in ihrer Gesamtwirkung ein
über volle 360" des Ankerweges befriedigend gleichförmiges Gesamtdrehmoment ergeben.
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Da die um annähernd I00° gegeneinander versetzten Schenkel einer
Ankerspule, beispielsweise die Schenkel 7', 7" der Spule 7, beim Durchgang beider
Schenkel durch einen gleichsinnig gerichteten Kraftlinienfluß einander entgegengesetzte
Drehmomente erzeugen, heben sich diese beiden Drehmomente praktisch auf, wenn die
Spule sich in einer Stellung symmetrisch zur Nord-Süd-Achse des Magnetfeldes befindet.
Durch die Anordnung von Schleiferpaaren 20 21 und 22, 23 mit um 500 gegeneinander
versetzten Einzelschleifern, wie dies schematisch in Abb. 3 dargestellt ist, werden
die einzelnen Spulen 7, 8, 9 jeweils beim Eintreten in diesen Bereich ihrer geringsten
Wirksamkeit durch eines der Schleiferpaare 20, 21 oder 22, 23 kurzgeschlossen. Dadurch
fällt die betreffende Spule als Vorwiderstand für eine andere, in günstiger Arbeitsstellung
befindliche Spule aus, und es wird erreicht, daß die in günstiger Stellung zum Magnetfeld
stehende Spule auf Kosten der kurzgeschlossenen Spule von einem stärkeren Strom
durchflossen wird, d. h. auf den kleinen Betrag zum Gesamtdrehmoment der ungünstig
stehenden Spule wird verzichtet zugunsten einer wesentlichen Vergrößerung des Beitrages
der günstig liegenden Spule.
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An Stelle der optimalen Schleiferversetzung von 60° ist im Ausführungsbeispiel
eine Versetzung um 50° gewählt, da bei 600 Versetzung die Gefahr eines Kurzschlusses
der Stromzuführung über eine der annähernd I200 breiten Kollektorlamellen 14, I5,
16 besteht.
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Wie aus Abb. 2 zu ersehen ist, ist der Querschnitt des Weicheisenmantels
3 dem sich an den beiden den Polen N und S gegenüberliegenden Seiten verringernden
magnetischen Kraftlinienfluß angepaßt. Durch diese Querschnittsverminderung wird
eine Gewichtseinsparung erreicht.
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PATENTANSPRtJCHE: I. Gleichstromkleinstmotor mit einem aus zylindermantelförmig
gebogenen Flachspulen bestehenden, in einem engen Ringspalt zwischen einem permanenten
Kernmagneten und einem Weicheisenmantel umlaufenden Glockenanker, der unabhängig
von seiner jeweiligen Stellung ein annähernd gleichförmiges Drehmoment liefert,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flachspulen des Glockenankers, sich nicht überlappend,
nebeneinanderliegen und daß als Kernmagnet ein zylindrischer Dauermagnet mit an
seinem Umfang sinusförmigem Feldverlauf verwendet wird.