CH437499A - Gleichstrom-Mikromotor - Google Patents

Description

      Gleichstrom-Mikromotor       Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleich  strom-Mikromotor, der bei ausserordentlich geringen  verfügbaren elektrischen Leistungen selbst anlaufen und  mechanische Energie abgeben kann. Der Motor soll  beispielsweise bei geringen Beleuchtungsstärken in der  Grössenordnung von 10 Lux bei     Anschaltung    an eine       Photozellenbatterie    in der Grösse von ungefähr 75     cm2     arbeiten. Eingehende Versuche haben gezeigt, dass unter  diesen Voraussetzungen nur bei Einhaltung     bestimmter     Bedingungen eine Nutzleistung erzielt wird, wobei vom  Bauprinzip üblicher Gleichstrommotoren abgegangen  werden muss.

   Es ist vor allem darauf zu achten, dass der  verfügbare Strom stets in optimaler Weise zur Erzeu  gung eines     Antriebdrehmomentes    ausgenutzt wird, was  bei klassischen Gleichstrommotoren mit zusammenge  schalteten Ankerspulen nicht im erforderlichen Mass  zutrifft.  



  Der erfindungsgemässe     Gleichstrom-Mikromotor    ist  gekennzeichnet durch getrennte Spulen, die an je zwei  gegenüberliegende     Kollektorlamellen    angeschlossen sind,  wobei in dem von den Spulen besetzten Luftspalt ein  mindestens annähernd homogenes permanentmagneti  sches Feld von solchem Ausmass vorhanden ist, dass  die Spulen während ihrer Einschaltung in den Strom  kreis stets ganz im homogenen Feld liegen. Durch diese  Massnahme ist Gewähr dafür geboten, dass alle     strom-          durchflossenen    Leiter der Spulen im praktisch homo  genen Feld liegen und damit optimal zur Erzeugung  des Drehmomentes beitragen.

   Vorzugsweise werden die  Polschuhe und der Kern des     Magnetsystems    so gestaltet,  dass die Feldlinien des homogenen Feldes überall prak  tisch radial stehen, so dass die auf die     stromdurchflosse-          nen    Leiter wirkenden Kräfte überall in     Umfangsrichtung     wirken und ein maximales Drehmoment ergeben. Die       Spulenlänge        in    Umfangsrichtung wird vorzugsweise ge  ringer gewählt als die übrigen     Spulenabmessungen,    was  einerseits die Erfüllung der oben erwähnten Bedingungen  erleichtert.  



  In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel     des     erfindungsgemässen Mikromotors dargestellt.         Fig.    1 zeigt den Motor im     Axialschnitt.     



       Fig.    2 zeigt den Motor teilweise in Stirnansicht,  teilweise im Schnitt, und       Fig.    3 zeigt schematisch die Anordnung der Bürsten  am     Kollektor    des Motors.  



  Die Lagerflansche 1 und 2 .sind mit     Rubinlagern     3 bzw. 4 versehen, wobei das Lager 4     mittels    einer  Regulierschraube 5 in axialer Richtung eingestellt wer  den kann. Der Lagerflansch 2 ist direkt und der Lager  flansch 1 über einen Ring 6 mit zwei Polschuhen 7 des  Motors verbunden. Wie     Fig.    2 zeigt, sind     die    Pol  schuhe 7 mit Jochen 8 versehen, zwischen welchen ein  Permanentmagnet 9 angeordnet ist.  



  Der     Lagerflansch    2 weist einen rohrartigen Fort  satz 10 auf, mit welchem ein     Weicheisenkern    11 von  möglichst geringer elektrischer     Leitfähigkeit    verbunden  ist. Die Welle 12 des Motors ist mittels     geschliffener     Zapfen in den Lagern 3 und 4 drehbar angeordnet und       durchragt    Bohrungen des     Fortsatzes    10 und des  Kerns 11. Ein im wesentlichen     zylindrischer    Spulen  körper oder Rotor 13 ist     undrehbar    auf der Welle 12  aufgesetzt und ein     Fortsatz    14 des Rotors 13 trägt den  Kollektor 15.

   Der     Spulenkörper    oder Rotor 13 ist mit  vier Nuten 16 versehen, deren Weite in Umfangsrich  tung des Rotors weniger als     1/4    des     Rotorumfangs     beträgt. Der Rotor 13 besteht aus Kunststoff oder einem       sonstigen    geeigneten nicht     magnetisierbaren    Material.  Die Nuten 16 bilden den Wickelraum für zwei kreuz  weise angeordnete     Durchmesserspulen    17, die als  Sattelspulen ausgebildet sind, d. h.     ihre    in der Zeichnung  nicht     dargestellten        stirnseitigen        Spulenköpfe    verlaufen  gebogen im wesentlichen koaxial zur Motorachse.

   Da  mit wird vermieden, dass auf diese     :Spulenköpfe    durch  unerwünschte Streufelder in Umfangsrichtung brem  sende Kräfte einwirken. Die beiden kreuzweise ange  ordneten Spulen sind vollständig voneinander getrennt  und mit je zwei gegenüberliegenden Lamellen des Kol  lektors 15 verbunden.  



  Mit dem     Lagerflansch    1 sind zwei Bürstenhalter  18 aus Isoliermaterial verbunden, in welchen je zwei      Kontaktfedern 19 aus     einer    nicht     oxydierbaren    Gold  legierung befestigt sind. Diese Kontaktfedern 19 schlie  ssen unter sich einen kleinen     Winkel    ein, welcher     etwa     dem     Winkel    der Lücke, d. h.

   dem Winkelabstand zwi  schen zwei benachbarten     Kollektorlamellen    entspricht,  wodurch erreicht     wird,    dass auf alle Fälle     immer    min  destens eine der Spulen 17 Strom     erhält.    Je zwei ein  zusammengehörendes Bürstenpaar     bildende    Bürsten 19  sind mit der einen Klemme der Stromquelle verbunden.  



  Im Bereich einer     Ausnehmung    des Lagerflansches 2  ist die Welle 12     mit    einem Ritzet 20 versehen, welches  mit einem Zahnrad eines nicht dargestellten Unter  setzungsgetriebes kämmt.  



  Die Arbeitsweise des dargestellten Motors ist wie  folgt:     Fig.    2 zeigt die Lage des Rotors 13, bei welcher  sich der Kollektor     in    der     in        Fig.    3 dargestellten Lage  befindet, d. h. wo die     eine    Spule 17 eingeschaltet und  die andere ausgeschaltet wird. In diesem Augenblick  können beide Spulen für kurze Zeit eingeschaltet sein.

    Wie     Fig.    2 zeigt, sind die Nuten 16 bzw. die Wicklungs  räume der Spulen 17 sowie die Bogenlänge der Pol  schuhe 7 so bemessen, dass bei dieser Stellung praktisch  alle Leiter beider Spulen 17 in     einem        praktisch    homo  genen, zwischen den Polschuhen 7 und dem Kern 11  verlaufenden Magnetfeld liegen, so dass     die    Durch  flutung     aller        Spulenseiten    praktisch voll zur Erzeugung  eines Drehmomentes beiträgt.

   Kurz darauf wird die eine  Spule ausgeschaltet, so dass nun der gesamte Strom  fluss durch die eine Spule stattfindet, die sich weiterhin  vollständig im     erwähnten    homogenen Feld befindet, bis  sie nach einer Drehung von 90  wieder ausgeschaltet  wird. Da sich, wie     erwähnt,    in den Umschaltmomenten  alle     Spulenseiten    noch praktisch voll im homogenen  Feld befinden, ergibt sich ohne weiteres die Tatsache,  dass jede     Spulenseite        während        ihrer    ganzen Einschalt  dauer in diesem homogenen Feld liegt und damit ein  maximales konstantes Drehmoment ergibt.

   Damit wird       wiederum        eine    konstante Winkelgeschwindigkeit des  Rotors erzielt, was für optimale     Ausnützung    der ver  fügbaren Energie wesentlich ist, weil unter diesen Um  ständen auch die     Gegen-EMK    des Motors stets praktisch  konstant ist. Es     ist    damit eine ständige optimale An  passung des scheinbaren Motorwiderstandes an die  Stromquelle, möglich,  
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    was insbesondere bei Verwendung einer Photozellen  batterie als Stromquelle sehr wesentlich ist, indem ein       optimaler    Arbeitspunkt für Motor und Photozellen  batterie eingestellt werden kann, der praktisch kon  stant bleibt.  



  Um das erwähnte praktisch homogene, radial  stehende Feld im Luftspalt zu erzielen, ist es vorteil  haft, die     Luftspaltlänge,    d. h. die Distanz zwischen den  Polschuhen 7 und dem Kern 11     bedeutend    geringer zu  wählen .als die Distanz     zwischen    den sich am nächsten  liegenden Stellen der Polschuhe. Das Streufeld kann  unter diesen     Umständen    verhältnismässig niedrig gehal  ten und damit der verfügbare     magnetische    Fluss gut  ausgenützt werden.  



  Es hat sich herausgestellt, dass es von besonderer  Bedeutung     ist,    den     magnetischen        Streufluss    im Bereiche  der ausserhalb der Polschuhe 7 bzw. des Kerns 11  liegenden     Spulenköpfe    gering zu halten. Das wird unter  anderem dadurch erreicht, dass die Symmetrieebene    der Polschuhe 7, der Joche     ss    und des Magneten 9  senkrecht zur Motorachse steht. Der     grösste    Teil des  Streuflusses     liegt    bei dieser Anordnung aus naheliegen  den Gründen ebenfalls in dieser Ebene und hat somit  keinen Einfluss auf die aus dem Luftspalt axial vor  ragenden     Spulenteile.     



  Die folgende Tabelle gibt     einen        überblick    über die  Abmessungen und Charakteristiken eines Motors der  oben beschriebenen Art, welcher zum Antrieb durch  eine     Photozellenbatterie    bei einer Spannung 0,12 Volt  und einem Strom von 50 Mikroampere geeignet ist.  Diese Leistung wird beispielsweise von einer Batterie  von sechs     parallel    geschalteten     Selen-Photozellen    mit  einer Gesamtoberfläche von 7'5     em2    bei einer Beleuch  tungsstärke von 10 Lux geliefert.

    
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    Spannung <SEP> 0,12 <SEP> V
<tb>  Strom <SEP> 0,00005 <SEP> A
<tb>  Luftspaltind. <SEP> 750 <SEP> Gauss
<tb>  Ankerleiter <SEP> pro <SEP> Spule <SEP> 950
<tb>  Leiterlänge <SEP> 1,6 <SEP> cm
<tb>  Ankergeschwindigkeit <SEP> 5,3 <SEP> cm/sec
<tb>  Drehzahl <SEP> 60 <SEP> sec-'
<tb>  Ankerdurchmesser <SEP> 2 <SEP> cm
<tb>  Kerndurchmesser <SEP> 1,35 <SEP> cm
<tb>  Kernlänge <SEP> 1,6 <SEP> cm
<tb>  Polhöhe <SEP> 1,6 <SEP> cm
<tb>  Poldurchmesser <SEP> 2,25 <SEP> cm
<tb>  Polabstand <SEP> 1,3 <SEP> cm
<tb>  Luftspalt <SEP> 0,45 <SEP> cm
<tb>  Kraft <SEP> auf <SEP> beiden <SEP> Ankerseiten <SEP> 0,0114 <SEP> gr
<tb>  Drehmoment <SEP> 0,0114 <SEP> gr/cm
<tb>  Elektromotorische <SEP> Kraft <SEP> 0,114 <SEP> V
<tb>  Ankerwiderstand <SEP> 120 <SEP> Ohm
<tb>  Drahtdurchmesser <SEP> 0,

  12 <SEP> mm       Die Abmessungen des Motors können unter Um  ständen wesentlich reduziert werden, wenn anstelle des       Weicheisenkerns    11 ein Dauermagnet entsprechender  Form verwendet wird, der so     magnetisiert    ist und wel  chem anstelle der Polschuhe 7 ein     Weicheisenmantel     solcher Form zugeordnet ist, dass im Luftspalt ent  sprechende homogene Felder entstehen. Auch in diesem  Fall soll der Dauermagnet, welcher anstelle des     Weich-          eisenkerns    11 tritt, geringe elektrische     Leitfähigkeit     aufweisen, um     Wirbelströme    bei drehendem Rotor zu  vermeiden.

   Bei entsprechender Anordnung wäre es  unter Umständen möglich und vorteilhaft, anstelle eines  bewickelten Rotors den soeben     erwähnten    Permanent  magneten direkt mit der Motorwelle zu verbinden und  die in der erwähnten Weise durch den Kollektor ein  und ausschaltbaren     Spulten    ortsfest um den rotierenden  Permanentmagneten anzuordnen. Bei diesem Aufbau  sind natürlich dem Wicklungsgewicht keine     Grenzen     gesetzt, so dass bei gleichen Motorströmen stärkere       Durchflutung    und damit höhere Drehmomente erzielt  werden könnten.  



  Die Abmessungen können innerhalb gewisser Gren  zen     frei    gewählt werden. Die     Windungszahl    pro Spule  kann z. B. zwischen 500 und 1200 gewählt werden,  wobei sich die     Luftspaltinduktion    etwa umgekehrt pro  portional der     Windungszahl    verhalten soll, um ent  sprechende Verhältnisse zu erzielen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Gleichstrom-Mikromotor, gekennzeichnet durch ge trennte Spulen, die an je zwei gegenüberliegende Kollek- torlamellen angeschlossen sind, wobei in dem von den Spulen besetzten Luftspalt ein mindestens annähernd homogenes permanentmagnetisches Feld von solchem Ausmass vorhanden ist, dass die Spulen während ihrer Einschaltung in den Stromkreis stets ganz im homo genen Feld liegen. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Motor nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass die Abmessung der ,Spulen in Umfangs richtung geringer ist als die übrigen Spulenabmessungen. 2. Motor nach Unteranspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass zwei Durchmesserspulen vorhanden sind, wobei die im Luftspalt liegenden Spulenseiten höch stens 1/4 der Luftspaltlänge in Umfangsrichtung be legen. 3.

   Motor nach Patentanspruch, dadurch gekenn- zeichnet, dass am Umfang des Rotors Sattelspulen ange- ordnet sind, deren ausserhalb des Luftspaltes liegenden Stirnseiten mindestens annähernd konzentrisch zur Mo torachse gebogen sind. 4. Motor nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass die Polschuhe des permanentmagnetischen Stators grösseren Abstand voneinander aufweisen als die radiale Länge des Luftspaltes beträgt. <B>5</B>.

   Motor nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass am Kollektor je ein Bürstenpaar an gegenüberliegenden Stellen aufliegen, wobei der Winkel zwischen zwei Bürsten jedes Paares den Abstand zwi schen benachbarten Kollektorlamellen übertrifft. 6. Motor nach Patentanspruch mit einem seitlich der Stator-Polschuhe liegenden Permanentmagneten, der mit den Polschuhen durch Joche verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieebene der Polschuhe, der Joche und des Permanentmagneten. senkrecht zur Motorachse steht.