Kazuo Ishikawa, Tokyo (Japan), ist als Erfinder genannt worden Diese Erfindung bezieht sich auf einen Gleich strom-Kleinmotor mit einem Feldmagnet, einem mit Wicklungsspulen versehenen Rotor und einem Kol lektor. Im besonderen ermöglicht die Erfindung die Verbesserung eines sehr kleinen Uhrwerkmotors, wel cher leicht von einer einzigen Trockenzelle angetrie ben werden kann.
Im allgemeinen soll ein Uhrwerkmotor dieser Art mit einer sehr niedrigen Drehzahl laufen. Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Gleich strom-Kleinmotors, welcher das Momentandrehmo- ment in jeder Stellung des Rotors möglichst konstant hält.
Es ist allgemein anerkannt, dass bei der Rotation eines Gleichstrommotors mit hoher Drehzahl das Drehmoment des Rotors in allen seinen Stellungen infolge des Trägheitsmomentes des Rotors konstant ist. Wenn jedoch solche Verhältnisse bestehen, z. B. bei der Verwendung eines Motors als Uhrenantrieb, dass der Motor langsam dreht, das heisst bis hinunter auf einige Umdrehungen pro Minute, so ändert das Drehmoment entsprechend der Zahl der von der Rotorwicklung geschnittenen magnetischen Feld linien und ausserdem in unstetiger Weise aus dem Grunde, dass der Rotorstrom ändert, wenn eine Bürste zwei benachbarte Segmente des Kollektors überbrückt.
Um solche Drehmomentänderungen zu vermeiden, ist allgemein bekannt, die Polzahl des magnetischen Feldes oder des Rotors zu vergrössern, was aber recht teuer und Schwierigkeiten beim Bau eines Motors kleiner Abmessungen verursacht.
Das Drehmoment eines Gleichstrommotors hängt von den Verhältnissen des magnetischen Feldes und des Rotors ab, wie aus der folgenden Formel klar
EMI0001.0017
worin<I>T</I> das Drehmoment, K die Konstante,<I>B</I> die wirksame magnetische Feldstärke, l die wirksame Länge der Rotorwicklung, welche im magnetischen Fluss steht, n die Windungszahl der Rotorwicklung, U die angelegte Klemmspannung, R den Widerstand der Rotorwicklung und i die Stromstärke in der Wicklung bedeuten.
Der Erfindungsgegenstand ist ein Gleichstrom- Kleinmotor mit einem Feldmagnet, einem mit Wick lungsspulen versehenen Rotor und einem Kollektor, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Pol des Feld magneten derart gestaltet ist, dass er sich über einen zur Rotorachse konzentrischen Kreisbogen er streckt, der gleich gross ist wie der dem freien Raum zwischen den Polen entsprechende Kreisbogen, und wobei jede Wicklungsspule des Rotors sich über einen gleich grossen Kreisbogen erstreckt, und der Kollektor derart mit zwei Bürsten in Berührung steht, dass eine Bürste zwei benachbarte Kollektorlamellen kurzschliesst, wenn die mit diesen Lamellen verbun dene Spule genau gegenüber einem Pol liegt.
Die beiliegende Zeichnung zeigt beispielsweise eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes. Fig. 1 ist eine Vorderansicht, welche den Gleich strommotor gemäss der Erfindung zeigt.
Fig. 2.zeigt einen Längsschnitt des Gleichstrom motors.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht durch den Motor in der Ebene der Linie III-III der Fig. 2.
Fig. 4, 5 und 6 sind schematische Figuren, wel che die Wirkungsweise der Erfindung zeigen, wobei Fig. 4 die Beziehung zwischen entsprechenden Wicklungsspulen und elektrischem Strom in einer gegebenen Stellung des Rotors zeigt, Fig. 5 die Beziehung zwischen elektrischem Strom und einer Wicklungsspule zeigt, welche beide Polflächen des Magneten überbrückt, und Fig. 6 den Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und einer Wicklungsspule zeigt, wenn eine der Wicklungsspulen sich in der Stellung in der Mitte über einer Magnetpolfläche befindet.
Fig. 7 ist eine teilweise aufgeschnittene Schräg ansicht, welche eine modifizierte Ausführung der Erfindung zeigt.
Fig. 8 ist ein Querschnitt durch die Fig. 7.
In den Fig. 1, 2 und 3, welche den Motor zeigen, enthält ein Gehäuse 20 Abschlussdeckel 22 und 23, welche mittels Klammern 34 auf beiden Seiten eines Zylinders 21 befestigt sind. Ein Feld magnet 1, bestehend aus einem Permanent- oder einem Elektromagnet, und eine magnetische Ring platte 3 sind an den Abschlussdeckeln 22 bzw. 23 befestigt. Im Raum zwischen dem Feldmagneten 1 und der magnetischen Ringplatte 3 dreht sich ein Rotor 2, welcher drei kernlose, sektorähnliche Wick lungsspulen Cl, C2 und C3 enthält, welche zwischen zwei dünnen Scheiben 24 und 25 gehalten sind und unter Winkeln von 120 zueinander angeordnet sind.
Die der magnetischen Ringplatte 3 gegenüberstehen den Polflächen der entgegengesetzten Pole N und S des Feldmagneten 1 sind in 900-Sektoren mit einem Aussendurchmesser<I>Da</I> und einem Innendurchmesser Di so gestaltet, dass zwischen den Linien 27 und 28, welche zwei Seiten der Polfläche mit dem Zentrum einer Welle 26 des Rotors verbinden, ein Winkel von 900 gebildet wird. Jede Wicklungsspule Cl, C2 oder C3 weist eine 900-Sektorgestalt auf, ähnlich wie die Polfläche des Magneten.
Der Winkel, welcher zwischen den Mittellinien 11 und 12 der geraden Wicklungsspulenpartien 13 und 14, das heisst den wirksamen Partien, auf welche der magnetische Fluss im Luftspalt einwirkt, gebildet wird, beträgt gleich falls 900 (siehe Fig. 4). Die mit dem Rotor 2 ver bundene Welle 26 geht durch die Öffnungen 4 und 9 des Magneten 1 und der Ringplatte 3 hindurch und wird von den Abschlussdeckeln 22 und 23 ge halten. Drei voneinander und gegen die Welle 26 isolierte Sektoren s1, s2 und s3 sind auf der Welle angebracht und bilden einen Kollektor.
Bürstenpaare b1, b2 und b3, <I>b4</I> sind mit Federstäben 5, 6 bzw. 7, 8 verbunden, welche sie mit Klammern 9 und 10 verbinden.
In einem Motor der oben beschriebenen Kon struktion ist die magnetische Feldstärke B zwischen den Polflächen und der Ringplatte 3 in der genann ten Formel (1) wegen der Gleichmässigkeit des Zwi schenraumes als ungefähr konstant zu betrachten. Die wirksame Wicklungslänge 1<I>= Da</I> Di ist eben falls konstant, da das Zentrum des fächerförmigen Feldmagneten mit dem Zentrum des Rotors über einstimmt.
Also sieht die Formel (1) wie folgt aus: <I>T =</I> K#B#1# s#n#i <I>(2)</I> Es ist offensichtlich, dass der Rotor in einer ge gebenen Stellung dieselbe Wirkung hervorbringt wie in einer um n gegenversetzten Stellung, weil ein Feldmagnet des zweipoligen Types und zwei Bürsten- sätze verwendet werden. Der Rotor ist ferner aus drei Polen zusammengesetzt, so dass jede Wicklungs spule gegenüber den andern um
EMI0002.0042
verschoben ist. Entsprechend sind die Wicklungsspulen in ihren Stel lungen
EMI0002.0043
in der Funktion gleich.
Da die Spulen symmetrisch gebaut sind, kann das Drehmoment in jeder Stellung gleich sein, wenn die totale Amperewindungszahl der Wicklungen kon stant ist, während sich die Wicklungsspulen von einer gegebenen Stellung um
EMI0002.0045
fortbewegen.
Fig. 4 zeigt die Wicklungsspulen Cl, C2 und C3 in einer gegebenen Stellung. Die Wicklungsspulen partien, welche dem Rotor 2 seine Drehkraft erteilen können, sind diejenigen, welche innerhalb des magne tischen Feldes stehen, und welche die linksseitigen Partien 13; 13 (linksseitig hiernach als vom Zentrum aus betrachtet definiert) der Wicklungsspulen Cl, C2 und die rechtsseitige Partie 14 der Wicklungsspule C3 umfassen. Der elektrische Strom in der Wick lungsspule Cl ist i, da die Spannung U direkt an sie angelegt ist.
Die Wicklungsspulen C2 und C3 liegen in Serie an der Spannung, so dass der Widerstand zweifach und der Strom natürlich
EMI0002.0056
wird. Da jede Wicklungsspule dieselbe Anzahl Windungen n auf weist, ist für diese Stellung
EMI0002.0057
worin ni die Amperewindungszahl der linken Partie der Wicklungsspule
EMI0002.0060
der linken Partie der Wicklungsspule C2 und ebenfalls der rechten Partie der Wicklungsspule C3 bezeichnet.
Wenn der Rotor 2 von dieser Stellung aus in der Richtung eines Pfeils 27 dreht, bleibt dasselbe Ver hältnis wie oben gezeigt so lange bestehen, als die linksseitige Partie der Wicklungsspule Cl nicht aus dem magnetischen Pol N heraustritt.
Fig. 5 zeigt, dass eine Hälfte der linken Partie 13 der Wicklungsspule Cl mit der Polfläche N und eine Hälfte der rechten Partie 14 mit der Polfläche S überlappt. Die Polfläche hat die Form eines 900- Sektors und der Winkel zwischen den Mittellinien 11 und 12 der Wicklungsspulen beträgt ebenfalls 900, so dass, wenn die linksseitige Wicklungsspule Cl teil weise über die Polfläche N hinausgeht, die rechts seitige Wicklungsspule sich um denselben Betrag auf die Polfläche S bewegt.
Wie in Fig. 5 gezeigt, tritt die linke Partie 13 um -
EMI0002.0072
heraus und die rechte Partie 14 um ein.
EMI0002.0073
Also lautet die Formel:
EMI0002.0074
worin
EMI0003.0001
entsprechende Amperewindungen der lin ken und rechten Partie von Cl und der linken und rechten Partie von C2 und C3 bezeichnen.
Wenn die linke Partie der Wicklungsspule C1 sich von der Polfläche N entfernt und die rechte Partie zur selben Zeit ganz auf die Polfläche S kommt, besteht ein folgendermassen gekennzeichneter Zustand:
EMI0003.0008
worin ni Amperewindungen der rechten Partie von Cl angibt und
EMI0003.0012
Amperewindungen der linken Partie von C, bzw. der rechten Partie von C3 be zeichnet.
Wie in Fig. 6 gezeigt, dreht die Wicklungsspule C,3 weiter und lässt einen solchen Zustand erstehen, dass ihre rechte Partie teilweise aus der Polfläche N austritt und ihre linke Partie teilweise in die Polfläche N eintritt. In diesem Falle bleibt die Richtung des magnetischen Flusses dieselbe, aber die Stromrich tungen sind einander entgegengesetzt, so dass die Drehantriebsrichtungen der rechten und der linken Partie entgegengesetzt werden und somit einander aufheben.
Um eine solche Störung zu verhindern, sind die Bürsten in der vorliegenden Erfindung so angeordnet und gestaltet, dass sie einen genügenden Umfassungswinkel haben, um den Strom von der Wicklungsspule C3 durch Herstellung eines Kollek- torkurzschlusses abzuschalten, während der Zeit, in welcher die rechte Partie der Wicklungsspule C3 aus zutreten begann, bis sie vollständig ausgetreten ist. In diesem Falle ist an beide Wicklungsspulen Cl und C., direkt die Spannung U angelegt, so dass der Strom i wird.
Also lautet die Formel: ...s ni <I>=</I> ni -f- ni <I>=</I> 2n1 worin ni Amperewindungen der rechten Partie von Cl bzw. der linken Partie von C, bedeutet.
Die Summe t; ni <I>=</I> 2ni, welche in jeder Stellung Gültigkeit hat, erweist sich als konstant. Damit ist bewiesen, dass das Momentan-Drehmoment jederzeit konstant ist.
Fig. 7 zeigt eine modifizierte Form der Erfin dung, in welcher der Rotor die Form eines aus nichtmagnetischem Material hergestellten Zylinders annimmt. Eine Welle 29 ist im Rotor befestigt und ein Kollektor ist auf der Welle in geeigneter Lage angebracht. Auf dem Umfang 30 des zylindrischen Rotors 28 sind drei Wicklungsspulen C," C2 und C3 angebracht, welche mit einem Bogenwinkel von 120 voneinander distanziert sind, und welche ausser dem jede dieselbe Anzahl Windungen aufweisen. Ein Permanentmagnet 31 ist mittels geeigneter Mittel innerhalb des Rotors ortsfest befestigt. Die Welle 29 ist mittels eines Achslagers (nicht dargestellt), durch die Mittelöffnung 32 hindurchgehend, gehalten.
Der äussere Umfang des Rotors 28 ist von einem magne tischen Körper 33 umgeben. Beide Polflächen N und S des Magneten 31 bilden einen Teil des Umfanges. Dieser Kreisbogen, der zylindrische Rotor 28 und der magnetische Zylinder 33 haben ihre eigenen Mittelachsen auf derselben Achslinie mit der Welle 29. Beide Polflächen N oder S bilden in bezug auf die Mittelachse der Welle 29 einen Winkel von 90 . Derselbe Winkel wird in bezug auf die Mittelachse der Welle 29 ebenfalls durch die wirksamen Partien der Wicklungsspulen Ci , C2 und C.,', nämlich durch beide Seitenpartien der Wicklungsspule, welche sich in der Richtung der Achse erstrecken, gebildet.
Ver bindung, Anordnung und Gestaltung von Kollektor, Bürsten und Wicklungsspulen sind in derselben Weise ausgeführt, wie in den Fig. 1 bis 6 gezeigt. Dementsprechend kann der Motor in der modifizier ten Form mit einer niedrigen Drehzahl arbeiten, wo bei aus demselben Prinzip wie oben beschrieben jederzeit das Drehmoment konstant gehalten wird.