Antriebseinrichtung für die gleichförmige Bewegung von Tonträgern, insbesondere Magnetogrammträgern Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsein richtung für die gleichförmige Bewegung von Tonträ gern, insbesondere Magnetogrammträgern.
Beim Antrieb von Tonträgern stellt sich immer das Problem des Gleichlaufs, d.h. der Konstanz der Antriebs geschwindigkeit. Besonders kurzzeitige Geschwindigkeits schwankungen machen sich sehr störend bemerkbar. In zahlreichen Fällen spielt aber auch die Konstanz auf längere Zeit eine wichtige Rolle. Die Langzeitkonstanz unterliegt häufig den Einflüssen von Schwankungen der Energiequelle, von Temperaturänderungen und von wechsenlden Belastungs- und Reibungsverhältnissen.
Eine gute Langzeitkonstanz erreicht man mit einem elektrischen Synchronmotor, dessen Drehzahl genau pro portional zur Frequenz des zur Speisung dienenden Wechselstromes ist. Synchronmotoren sind jedoch ver- hältnismässig teuer und verlangen zur Vermeidung von kurzzeitigen Geschwindigkeitsschwankungen mechanische Dämpfungsglieder, wie eine elastische Kupplung und eine nachgeschaltete Schwungmasse. Daher haben Antriebs einrichtungen mit einem Synchronmotor den Nachteil, ein verhältnismässig hohes Gewicht aufzuweisen und kost spielig zu sein.
Die strenge Proportionalität zwischen der Frequenz des zur Speisung dienenden Wechselstromes und der Drehzahl des Synchronmotors kann sich zudem in jeden Fällen nachteilig auswirken, wo der Wechsel strom keine eindeutig festgelegte und konstante Frequenz aufweist, z. B. wenn der Wechselstrom mittels eines Wechselrichters aus einem Gleichstrom erzeugt wird.
Elektrische Asynchronmotoren ergeben meistens eine verhältnismässig bessere Kurzzeitkonstanz und können preisgünstig hergestellt werden. Sie haben jedoch den Nachteil, dass die Drehzahl sehr stark abhängig ist von der Last, von den Reibungs- und Temperaturverhältnis sen und von der Frequenz und der Spannung des zur Speisung dienenden Wechselstromes, so dass also die ge wünschte Langzeitkonstanz nicht gewährleistet ist. Ana log verhalten sich Gleichstrommotoren.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine für die gleichförmige Be wegung von Tonträgern geeignete Antriebseinrichtung zu schaffen, welche die oben geschilderten Nachteile nicht aufweist und eine von der Spannung und/oder der Fre quenz der zur Speisung des elektrischen Antriebsmotors dienenden Energiequelle weitgehend unabhängige Dreh zahl mit guter Kurzzeit- und Langzeitkonstanz sowie ein verhältnismässig niedriges Gewicht und einen einfachen Aufbau hat.
Wie dies bei älteren Aggregaten zum Antrieb von Schallplattentellern bekannt ist, weist die Antriebsein richtung einen Elektromotor und eine zugeordnete Bremsvorrichtung zur Drehzahlregelung des Motors auf. Die Erfindung besteht darin, dass die Bremsvorrichtung wenigstens eine stationäre elektromagnetische Feldspule und einen zugehörigen Wirbelstromläufer aufweist, der zusammen mit dem Läufer des Motors aus einem ge meinsamen Rotor gebildet ist, und dass Mittel zur Erre gung der Feldspule der Bremsvorrichtung von einem durch den Motor angetriebenen Tachometergenerator ge steuert sind.
Bei einer zweckmässigen Ausführungsform ist der ge meinsame Rotor als Hohlkörper ausgebildet, welcher den mit einer Erregerwicklung versehenen Statoreisenteil des Motors und die Feldspule der Bremsvorrichtung umgibt. Diese Bauart ergibt einen günstigen Drehmomentverlauf des Motors und eine hohe Kurzzeitkonstanz der Dreh zahl, da der Rotor zugleich eine wirksame Schwungmasse mit verhältnismässig niedrigem Gewicht bildet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn auch der Läufer des Tachometergenerators aus dem gemeinsamen Rotor ge bildet ist. Zu diesem Zweck kann der Rotor einen in Umfangsrichtung verlaufenden Kranz von Zähnen auf weisen, während eine stationäre Induktionsspule des Ge- nerators einen magnetischen Kern mit dem Zahnkranz benachbarten Polstücken besitzt und an die Mittel zur Erregung der Feldspule der Bremsvorrichtung ange schlossen ist. Die zur Erregung der Feldspule dienenden Mittel können zweckmässig einen Frequenzdiskriminator aufweisen, der mit einem vom Tachometergenerator er zeugten Wechselstrom gespeist ist und eine von der Motordrehzahl abhängige Gleichspannung hervorruft.
Letztere kann einen Gleichstrom-Leistungsverstärker speisen, an dessen Ausgang die Feldspule der Brems vorrichtung angeschlossen ist. Zur Drehzahlumschaltung können mindestens zwei wahlweise einschaltbare Fre- quenzdiskriminatoren vorgesehen sein, die auf verschie dene Wechselstromfrequenz ansprechen.
Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung eines Ausführungsbeispieles, aus der zugehö rigen Zeichnung, in welcher eine bevorzugte Ausbildungs form des Erfindungsgegenstandes rein beispielsweise ver anschaulicht ist.
Fig. 1 zeigt die wichtigsten mechanischen Teile einer zum Bewegungsantrieb eines Magnettonbandes dienen den Antriebseinrichtung gemäss der Erfindung im axialen Schnitt; Fig. 2 stellt teils eine Ansicht von rechts in Fig. 1 und teils einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1 dar; Fig.3 zeigt ein Blockschema mit den elektrischen Teilen der Antriebseinrichtung.
Die dargestellte Antriebseinrichtung weist gemäss den Fig. 1 und 2 eine Welle 10 auf, die mit Hilfe eines Gleit lagers 11 und eines Kugellagers 12 in einem Hülsen stück 13 drehbar gelagert ist. Letzteres ist mit einem Befestigungsflansch 14 versehen. Das Hülsenstück 13 trägt den mit einer Erregerwicklung 15 versehenen Sta- toreisenteil 16 eines elektrischen Asynchronmotors, der einen rohrförmigen Aussenläufer 17a aufweist.
Ebenfalls auf dem Hülsenstück 13 ist ein Ring 18 befestigt, der mindestens zwei, vorzugsweise jedoch drei oder vier elektromagnetische Feldspulen 19 trägt. Die Spulen 19 sind je mit einem zur Welle 10 radial verlau fenden Kern 20 versehen. Sowohl der Ring 18 als auch die Kerne 20 bestehen aus magnetisch leitendem Mate rial, z. B. Weicheisen. Die Gesamtheit der Feldspulen 19 ist von einem Läufer 17b, 17c umgeben, der zusammen mit dem bereits erwähnten Motorläufer 17a durch einen gemeinsamen Rotor 17 gebildet ist. Der Rotor 17 ist ein topfförmiger Hohlkörper, welcher mittels einer radial verlaufenden Endpartie 17c auf dem einen Ende der Welle 10 abgestützt ist. Zur Sicherung des Rotors 17 an der Welle 10 ist eine Mutter 21 auf einen Gewindean satz 22 der Welle aufgeschraubt.
Die Feldspulen 19 und der sie umgebende Läufer 17b, 17c bilden zusammen eine Wirbelstrombremsvorrichtung. Der zu jeder Spule 19 ge hörende magnetische Kreis ist über die Partien 17b und <B>17e</B> des Rotors aussen geschlossen. Die Spulen 19 und ihre Kerne 20 sind derart symmetrisch um die Welle 10 angeordnet, dass die letztere sich in einer völlig neutralen Zone des Magnetfeldes befindet und keine Magnetisie- rung durch die Feldspulen 19 erleidet, was für das anzu treibende Magnettonband schädlich wäre.
Die am offenen Ende des Rotors 17 liegende End- partie 17d ist als Läufer eines Tachometergenerators aus gebildet und zu diesem Zweck mit einem in Umfangs richtung des Rotors 17 verlaufenden Kranz von Zähnen 24 versehen, die durch Einfräsungen in der Rotoraussen- seite gebildet und voneinander getrennt sind. Es sind z. B. 120 Zähne 24 vorhanden, die in gleichmässigen Abständen voneinander angeordnet sind. Der Stator des Tachometergenerators weist eine elektrische Induktions spule 25 auf, die einen magnetischen Kern 26 enthält, des sen Enden als Polstücke 26a und 26b ausgebildet sind.
Letztere sind in verhältnismässig geringem Abstand vom Kranz der Zähne 24 angeordnet, wie insbesondere Fig. 2 erkennnen lässt. Die Induktionsspule 25 und der magne tische Kern 26 sind an einem aus magnetisch nicht leiten dem Material bestehenden Winkelstück 27 befestigt, das mit Hilfe von Schrauben 28 am Flansch 14 festgemacht ist. Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, dass nicht nur der Rotor 17a bzw. 17b, 17c, des Motors und der Bremsvorrichtung, sondern auch der Rotor 17d des Tachometergenerators durch den gemeinsamen Rotor 17 gebildet ist.
Die aus dem Gleitlager 11 herausragende Endpartie 29 der Welle 10 ist unmittelbar als Capstanwelle zum Bewegungsantrieb eines Magnettonbandes ausgebildet, wobei das Tonband in bekannter Weise mittels einer Gummiandruckrolle (nicht dargestellt) an die Capstan- welle 29 angedrückt wird. Damit der Rotor 17 auch als ausreichende Schwungmasse zur Gewährleistung der ge wünschten Kurzzeitkonstanz der Drehzahl wirkt, soll sein Gewicht mindestens 300 -betragen.
Für die Erregung der Feldspulen 19 der Bremsvor richtung sind die nachstehend beschriebenen und in Fig. 3 schematisch dargestellten Mittel vorhanden, welche durch den Tachometergenerator gesteuert sind. Die Induktions spule 25 des Tachometergenerators ist mit dem Eingang eines Wechselspannungs-Verstärkers 30 verbunden, des sen Ausgang an einen Amplitudenbegrenzer 31 ange schlossen ist.
Vom Begrenzer 31 kann die Wechselspan nung mittels eines Umschalters 32 wahlweise einem von zwei Frequenzdiskriminatoren 33 und 34 zugeführt wer den, die eine von der Wechselspannungsfrequenz abhän gige Gleichspannung erzeugen. Über einen zweiten Um schalter 35 ist der Ausgang des einen oder andern Fre- quenzdiskriminators 33 bzw. 34 mit einem Gleichspan nungsverstärkers 36 verbindbar, dem ein Gleichstrom- Leistungsverstärker 37 nachgeschaltet ist. An den Aus gang des Leistungsverstärkers 37 sind die Feldspulen 19 angeschlossen.
Die beiden Frequenzdiskriminatoren 33 und 34 sind so ausgebildet, dass sie in verschiedenen Frequenzbereichen der Wechselspannung arbeiten, die bei unterschiedlichen Drehzahlen von beispielsweise etwa 800 Umdrehungen/min. bzw. etwa 400 Umdehungen/ min. des Rotors 17 entstehen.
Die Gebrauchs- und Wirkungsweise der beschriebe nen Antriebseinrichtung ist wie folgt: Wenn die Wicklung 15 des Asynchronmotors an eine Wechselstromquelle, z. B. das Lichtstromverteilnetz mit einer Wechselstromfrequenz von 50 Hz, angeschlossen wird, beginnt der Rotor 17 zu drehen und damit die Welle 10 anzutreiben.
Bei einer vierpoligen Wicklung 15 würde der Rotor 17 im Leerlauf und bei ausgeschalteten Feldspulen 19 beispielsweise mit 1300 Umdrehungen/ min. laufen. Sobald sich jedoch der Rotor 17 dreht, be wirken die Zähne 24 ein abwechselndes Schliessen und Unterbrechen des magnetischen Flusses durch die In duktionsspule 25, mit dem Ergebnis, dass in der Spule 25 eine Wechselspannung induziert wird, deren Frequenz genau proportional zur Drehzahl des Rotors 17 ist.
Die entstehende Wechselspannung wird im Verstärker 30 ver stärkt und im Begrenzer 31 auf eine vorbestimmte Am- ni;tiidenhöhe limitiert, so dass dem jeweils angeschalteten Frequenzdiskriminator 33 oder 34 ein lediglich in der Frequenz, nicht aber in der Amplitude variierendes Wechselstromsignal zugeführt wird. In einem vorbe stimmten Frequenzbereich ruft der angeschlossene Diskri- minator 33 oder 34 eine positive Gleichspannung hervor, die mit zunehmender Frequenz ansteigt und im Gleich spannungsverstärker 36 verstärkt wird.
Mit der verstärk ten Gleichspannung wird der Leistungsverstärker 37 ge steuert, der einen die Feldspulen 19 erregenden Strom liefert. Die Kerne 20 der Feldspulen 19 werden somit umso stärker magnetisiert, je höher die Wechselspan nungsfrequenz innerhalb des Arbeitsbereiches des Diskri- minators 33 bzw. 34 ansteigt, d.h. je grösser die Drehzahl des Rotors 17 ist. Bei zunehmender Magnetisierung der Feldspulenkerne 20 wachsen die im Läufer 17b,<B>17e</B> ent stehenden Wirbelströme, die eine entsprechende Brems wirkung auf den Rotor 17 ausüben und denselben daran hindern, eine bestimmte Drehzahl zu überschreiten.
Wenn umgekehrt die Drehzahl des Rotors 17 im Begriffe ist zu sinken, nimmt die Frequenz des Wechselspannungssignals und somit die Magnetisierung der Feldspulenkerne 20 ab, wodurch die bremsende Wirkung der Wirbelströme re duziert und der Rotor 17 daran gehindert wird, lang samer zu drehen. Auf diese Weise regelt sich die Dreh zahl des Rotors 17 selbsttätig auf einen konstanten Wert ein, der im Falle des einen Diskriminators 33 z. B. ge nau 800 Umdrehungen/min. und im Falle des andern Diskriminators 34 genau 400 Umdrehungen/min. be trägt.
Durch Umschalten des Diskriminators kann somit die Drehzahl der Capstanwelle 29 geändert werden.
Es ist klar, dass die beschriebene selbsttätige Dreh zahlregelung nur dann funktionieren kann, wenn die ge regelte Arbeitsdrehzahl unterhalb der Leerlaufdrehzahl des ungebremsten Motors liegt, und somit ein merklicher Anteil der dem Motor zugeführt elektrischen Leistung durch die Bremsvorrichtung vernichtet wird. Folglich soll die Leerlaufdrehzahl des Motors auch bei der tiefsten vorgesehenen Betriebstemperatur mindestens 10% über der Arbeitsdrehzahl liegen und mehr als 20% der Motor leistung in der Bremsvorrichtung aufgenommen werden.
Die beschriebene und dargestellte radiale und sym- metrysche Anordnung der Feldspulenkerne 20 der Bremsvorrichtung verhindert einerseits eine Magnetisie- rung der Welle 10 und andererseits eine radiale oder axiale Belastung der Lager 11 und 12 durch die Wirkung der Bremsvorrichtung. Durch die Verwendung eines ge meinsamen Rotors 17 zur Bildung des Motorläufers 17a des Wirbelstrombremsenläufers 17b, 17c und des Tacho metergeneratorläufers 17d ergeben sich eine einfache, platzsparende Bauweise der mechanischen Teile, eine Einsparung an Gewicht und verhältnismässig niedrige Herstellungskosten.
Die mit der Antriebseinrichtung er zielbare Drehzahlkonstanz ist so gut, dass eine elastische Kupplung zwischen der Welle 10 und der Capstanwelle 29 sowie eine gesonderte Schwungmasse entfallen kön nen. Die geregelte Arbeitsdrehzahl des Rotors 17 ist un abhängig von der Frequenz des die Motorwicklung 15 speisenden Wechselstromes, solange nur die Leerlauf drehzahl (bei ausgeschalteter Bremsvorrichtung) minde stens 10% über der Arbeitsdrehzahl bleibt. Deshalb ist es möglich zu erreichen, dass die Antriebseinrichtung ohne jede Änderung wahlweise an Wechselstromnetzen mit 50 Hz oder mit 60 Hz betrieben werden kann.
Ebenso ist die Verwendung eines Wechselrichters für die Erzeu gung des den Motor speisenden Wechselstromes aus einer Gleichstromquelle oder die Verwendung einer durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Wechselstrom dynamomaschine unkritisch.
Die elektrischen Mittel 30 bis 37 zur gesteuerten Er regung der Feldspulen 19 der Bremsvorrichtung stellen bei der heutigen Fertigungstechnik auf dem Gebiete der Elektronik keinen nennenswerten Mehraufwand dar und können auf einem im Vergleich zu den mechanischen Teilen der Antriebsvorrichtung kleinen Raum unterge bracht werden.