Elektromotor zum Antrieb zeithaltender Geräte
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor zum Antrieb zeithaltender Geräte, dessen Läufer mit einem mechanischen Schwingungssystem zur Drehzahlregelung verbunden ist, das mit einem kippfähigen, im Takte der mechanischen Schwingungen des Schwingungssystems steuerbaren elektrischen Antriebs system zusammenwirkt, welches die Triebimpulse für den Läufer erzeugt.
Eine Antriebsvorrichtung dieser Art für elektrische Uhren ist beispielsweise aus der Deutschen Auslegeschrift Nr. 1 206366 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist der Läufer eines dauernd umlaufenden Elektromotors über einen Räderzug und eine Pufferfeder mit einem Hemmwerk verbunden, dessen Rotor bei der Drehbewegung in einer Steuerspule Spannungsstösse erzeugt, die nach entsprechender Verstärkung einer Arbeitsspule zugeführt werden, welche die den Rotor antreibenden Triebimpulse liefert. Ein grundsätzlicher Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass sie ein eigenes oszillierendes Hemmwerk benötigt, das als Gangordner wirkt und die Drehzahlregelung des Antriebsmotors übernimmt, so dass dieser für den Antrieb eines zeithaltenden Gerätes eingesetzt werden kann.
Der Herstellungsaufwand für einen solchen Gangordner ist verhältnismässig gross; auch verfügt er über die einer oszillierenden Unruh grundsätzlich anhaftenden Nachteile hinsichtlich des Einflusses von Lagerreibung und Ölverharzung auf die Ganggenauigkeit, um nur einige zu benennen.
Darüber hinaus wird dem oszillierenden Teil des Hemmwerkes bei der Steuerung des elektrischen Antriebssystems normalerweise kinetische Energie entzogen, die die Schwingung des oszillierenden Teiles verlangsamt, was für die Ganggenauigkeit unerwünscht ist und zu komplizierten Einrichtungen, beispielsweise in Gestalt einer Abtastung des oszillierenden Teiles mittels einer Strahlungsquelle, wie es etwa in der Deutschen Auslegeschrift Nr. 1 210 384 beschrieben ist, geführt hat
Abgesehen von kontaktlos gesteuerten mechanischen Schwingern, die als Gangordner eines zeithaltenden Gerätes dienen - etwa nach der Deutschen Auslegeschrift Nr. 1166101 bzw.
der Deutschen Auslegeschrift Nr. 1 105 804 - und bei denen die Problematik der Zeigerfortschaltung besteht, die von einer eigenen Kraftquelle aus, beispielsweise einem Nebenuhrmotor, bewirkt werden muss, ist es auch bekannt, einen Elektromotor mit einem mechanischen Schwingungssystem zur Drehzahlregelung zu versehen. Ein solcher aus der Deutschen Auslegeschrift Nr. 1149447 bekannter Elektromotor verfügt über einen dauernd umlaufenden Läufer mit mehreren Polpaaren, der mit einem mechanisch gekoppelten Zusatzläufer verbunden ist. Die Anordnung ist derart getroffen, dass die beiden Läuferteile mit der Verbindungsachse als Drehschwingungssystem ausgebildet sind, dessen Resonanzfrequenz im wesentlichen die Drehgeschwindigkeit des Läufers bestimmt.
Der Zusatzläufer induziert hierbei in einer Steuerwicklung Spannungen, die über einen Verstärker eine mit der Steuerwicklung mechanisch gekoppelte Erregerwicklung speisen. Bei diesem Motor stellen die permanentmagnetisch ausgebildeten Läufer, die sich an den beiden Enden der Torsionswelle befinden, das Trägheitsmoment dar während die Torsionswelle selbst die Federkraft des Drehschwingungssystems liefert. Nachteilig bei diesem Elektromotor ist, dass er einen verhältnismässig komplizierten Aufbau aufweist, der insbesondere eine Einregulierung der Resonanzfrequenz des Drehschwingungssystems praktisch nur sehr schwer zulässt.
Auch ist die Unterbringung bei engen Platzverhältnissen nicht einfach, wie sie beispielsweise bei einer Armbanduhr gegeben sind.
Ziel der Erfindung ist es, einen dauernd umlaufenden Elektromotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei hervorragender Ganggenauigkeit über einen einfachen Aufbau und leichte Reguliermöglichkeiten verfügt, wobei gleichzeitig eine weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber äusseren Einflüssen wie Fremdfeldern und Lageabweichungen gegeben ist. Erfindungsgemäss besteht das mechanische Schwingungssystem aus unmittelbar auf dem Läufer angeordneten Schwingarmen, deren schwingungsfähige, federelastische Enden zum Antrieb erforderliche magnetische Elemente aufweisen, deren Wirkbereich in einer Ebene mit ortsfest angebrachten anderen, mit den an den Schwingarmen angebrachten Elementen zusammenwirkenden magneri- schen Antriebselementen liegt.
An den schwingungsfähigen Enden können Magnetpole angebracht sein, deren magnetischer Wirkungsbereich in einer Ebene mit einer ortsfest angebrachten, von dem Magnetsystem des Läufers beeinflussbaren Steuerspule und einer ebenfalls ortsfesten Antriebsimpulse über das Magnetsystem auf den Läufer abgebenden Antriebsspule liegt. Die Anordnung kann auch so getroffen sein, dass das mechanische Schwingungssystem aus unmittelbar auf dem Läufer angeordneten, federelastischen, an den schwingungsfähigen Enden mit Steuer- und Antriebsspulen versehenen Schwingarmen besteht, deren Wirkungsbereich in einer Ebene mit ortsfest angebrachten, die Antriebs- und Steuerspulen beeinflussenden Magneten liegt.
Die an dem Läufer angeordneten federelastischen Schwingarme sind fest montiert und benötigen keine zusätzlichen Lagerteile. Durch ihre spezielle Anordnung an dem Läufer kann in jedem Einzelfall eine optimale Anpassung an die jeweiligen Betriebserfordernisse erzielt werden. Hierbei ist eine sehr einfache Reguliermöglichkeit gegeben, da sowohl die Länge, wie die Einspannung, wie auch eine etwaige Massebelastung der Schwingarme mit geringstem Aufwand zum Zwecke der Einjustierung verändert werden können.
Das elektrische Antriebssystem des Läufers des neuen Elektromotors kann an sich bekannter Art sein.
Ein solches System ist beispielsweise in der deutschen Patentschrift Nr. 1 149 447 beschrieben; es verfügt über eine Steuer- und eine Antriebsspule, die über ein kippfähiges Schaltelement, in der Regel einen Transistor, miteinander gekoppelt sind. Die Antriebsspule erzeugt hierbei die Triebimpulse, die auf das freie schwingungsfähige Ende der an dem Läufer angeordneten federelastischen Schwingarme einwirken, während in der Steuerspule die Steuerimpulse induziert werden. Die gegenseitige Zuordnung von Steuer- und Erregerspulen sowie den Schwingarmen des Läufers kann an sich unterschiedlich gewählt werden.
So ist es möglich, dass der Schwingarm an seinem freien Ende zumindest einen Magneten trägt, der mit den ortsfest angeordneten Steuer- und Antnebsspulen zusammenwirkt, wie es auch denkbar ist, dass der Schwingarm an seinem freien Ende die Steuer- und/oder Erregerspule trägt, die mit einem ortsfest angeordneten Magneten zusammenwirkt. In einzelnen Fällen ist auch eine Anordnung möglich, bei der ein Magnet auf dem Läufer angeordnet ist und die magnetischen Kraftlinien an den freien Enden des Schwingarmes gegebenenfalls über einen Polschuh aus - treten, wo sie mit den feststehenden Steuer- und Antriebsspulen zusammenwirken.
Auch kann das elektrische kippfähige System zusammen mit der elektrischen Stromquelle, die in der Regel die Gestalt einer Batterie haben wird, auf dem Läufer angeordnet werden, wobei dann die Schwingarme in der schon erwähnten Weise die Steuer- und Antriebsspulen tragen.
Die Anordnung der Schwingarme kann mit Vorteil in der Weise geschehen, dass die Schwingarme am Läuferumfang befestigt und in einer zur Läuferachse senkrechten Ebene schwingfähig sind. Sie können etwa aus Flachbandfederstahl bestehen. Die Anzahl der am Läufer zu befestigenden Schwingarme hängt von den einzelnen Betriebsbedingungen ab. Grundsätzlich kann an sich ein Arm vorgesehen werden, doch wird es in der Regel zweckmässig sein, zumindest zwei symmetrisch am Läuferumfang verteilte Schwingarme vorzusehen.
Ähnliches gilt auch für die Anzahl der Steuer- und Antriebsspulen.
In einer anderen Ausführungsform können die Schwingarme an dem Läufer derart angeordnet sein, dass sie in zur Läuferachse im wesentlichen parallelen Ebenen schwingungsfähig sind, wobei auch hier die Anzahl der Schwingarme entsprechend variiert werden kann.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Elektromotor gemäss der Erfindung in einer Seitenansicht,
Fig. 2 den Läufer des Elektromotors nach Fig. 1 in einer Draufsicht mit zugeordneten Steuer- und Antriebsspulen,
Fig. 3 einen Elektromotor gemäss der Erfindung in einer anderen Ausführungsform, in einer Seitenansicht,
Fig. 4 den Läufer des Elektromotors nach Fig. 3 in einer Draufsicht mit zugeordneten Steuer- und Antriebsspulen,
Fig. 5 das elektrische Antriebssystem des Elektro- motors nach Fig. 1 oder 3 in schematischer Darstellung,
Fig. 6, 7, 8, 9 verschiedene Ausführungen von Rotoren für einen Elektromotor, insbesondere nach Fig. 1, jeweils in einer Draufsicht,
Fig. 10-13 verschiedene Ausführungen von Elektromotoren, insbesondere nach Fig.
1 mit unterschiedlicher Ausbildung der Maguetsysteme.
Der Elektromotor nach den Fig. 1, 2 weist eine zwischen zwei Platten oder Platinen 1, 2 bei 3 und 4 gelagerte Läuferwelle 5 auf, die einen Läufer 6 trägt, an dessen Umfang zwei Schwingarme 7 befestigt sind.
Die Schwingarme 7 bestehen aus Flachbandfederstahl und sind bei 8 gegebenenfalls verstellbar mit dem Läufer 6 verbunden. An ihren freien schwingungsfähigen Enden - bei 9 - tragen sie U-förmige Weicheisenbügel 10, an deren Schenkeln Permanentmagneten 11 mit einer aus Fig. 1 ersichtlichen Polung befestigt sind, die jeweils paarweise zwischen sich einen Luftspalt 12 begrenzen. An den Enden 9 der Schwingarme 7 sind daneben noch Reguliermassen 13 befestigt, die eine Veränderung der Schwingungsresonanzfrequenz der Schwingarme 7 gestatten.
In den Luftspalt 12 zwischen den Magneten 11, der an den Schwingarmenden 9 befestigten Bügel 10 können bei der Drehung des Läufers 6 zwei Spulen eintauchen, die bei 14 und 15 angedeutet und als Luftflachspulen ausgebildet sind. Diese Spulen, die naturgemäss auch mit einem Kern versehen werden könnten, sind als Steuer- und Antriebsspule in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise in einem elektrischen kippfähigen Antriebssystem, zusammengeschaltet. Das kippfähige Element ist hierbei ein Transistor 16, der jedoch auch durch ein Relais, eine Schaltdiode oder ein anderes entsprechendes Schaltelement ersetzt werden könnte, wie es an sich bekannt ist.
Die Stromversorgung erfolgt von einer bei 17 angedeuteten Gleichstromquelle aus.
Die Wirkungsweise des neuen Elektromotors ist wie folgt:
Wird der Läufer 6 in Umdrehung versetzt, so läuft das Magnetsystem 11 über die Steuerspule 14 hinweg.
Dadurch wird in der Steuerspule 14 ein Steuerimpuls induziert, der den Transistor 16 kurzzeitig leitend macht, so dass über die diametral dazu angeordnete Antriebsspule 15 vorübergehend von der Stromquelle 17 ein Strom fliessen kann, der einen Triebimpuls ergibt.
Zufolge dieses Triebimpulses wird das in der Nähe der Antriebsspule 15, d. h. genauer im Wirkungsbereich des von dem Stromimpuls in der Antriebsspule 15 erzeugten Magnetfeldes befindlichen Magnetsystems 11, angezogen, so dass der Läufer 6 eine Beschleunigung erfährt. Da nun die Spulen 14, 15 bezüglich der Vertikalachse 18 des in der Ruhelage befindlichen Magnetsystems 11 radial nach innen verschoben angeordnet sind, wird das Magnetsystem 11 von der Antriebsspule 15 während der Wirkungszeit des Triebimpulses gleichzeitig radial nach innen gezogen.
Da nach dem Aufhören des Steuerimpulses der Transistor 16 wieder sperrt und somit auch der Triebimpuls der Spule 15 in Wegfall kommt, schwingt das zuvor von der Spule 15 nach innen gezogene, an dem freien schwingungsfähigen Ende eines Schwingarmes 7 befestigte Magnetsystem 11 elastisch nach aussen. Es stellt sich somit eine konstante Schwingbewegung der beiden Schwingarme 7 im Bereiche deren freien Enden 9 ein, die durch die Resonanzfrequenz des von den Schwingarmen 7 gebildeten mechanischen Schwingungssystems bestimmt ist und bei der die Achsen 18 der Magnetsysteme 11 dem bei 19 gestrichelt angedeuteten Umlaufweg folgen.
Wird der Läufer 6 auf die dieser Resonanzfrequenz entsprechende Drehzahl gebracht und wird die Schwingung der Schwingarme 7 angestossen, so behält der Läufer 6 diese Drehzahl selbsttätig mit grosser Genauigkeit bei, da sie durch das Schwingungsverhalten der Schwingarme 7, deren Enden die bei 19 angedeutete Figur beschreiben, festgelegt ist. Bei einer Belastung der Läuferwelle 5 durch ein Drehmoment wird die Frequenz der Schwingbewegung der Schwingarme 7 nicht verändert. Es wird lediglich die Bewegungsfigur 19 bezüglich der Spulen 14, 15 verdreht.
Überschreitet das belastende Drehmoment einen zulässigen Höchstwert, so fällt der Läufer ausser Tritt und bleibt stehen. Bei Wegfall der Belastung dreht sich die Bewegungsfigur 19 in eine Winkelstellung bezüglich der Spulen 14, 15, in der die Triebimpulse lediglich das Reibungsmoment decken. Im theoretischen Grenzfall der Belastung Null nimmt die Bewegungsfigur 19 eine Winkellage ein, in der die Enden der Schwingarme 7 ausserhalb des Wirkungsbereiches der Spulen 14, 15 schwingen.
Da die Drehzahl des Läufers durch die Resonanzfrequenz des von den Schwingarmen 7 gebildeten Schwingsystems bestimmt ist ergibt sich eine sehr hohe Drehzahlkonstanz, die in weitem Masse unabhängig von der Spannung der Stromquelle 17 und der Belastung der Läuferwelle 5 ist.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Schwingarme 7 mit einer höheren Harmonischen ihrer Grundfrequenz schwingen, wie es beispielsweise in Fig. 8 angedeutet ist.
Da der Motor nicht selbstanlaufend ist, kann eine Anwurfvorrichtung vorgesehen werden, die an sich elektrischer oder mechanischer Natur sein kann, wobei es insbesondere möglich ist, durch entsprechende Gestaltung des elektrischen Antriebssystems einen Selbstanlauf zu erzielen. Im vorliegenden Falle ist ein Anwurfhebel 20 vorgesehen, der bei 21 drehbar gelagert ist und durch Eingriffnahme seines gezahnten Endes 22 auf ein Läuferzahnrad 23 die Läuferwelle 5 in Umdrehung versetzen kann. Mit dem Läuferzahnrad 23 ist im übrigen noch ein Zahnrad 24 gekuppelt, das beispielsweise für den Zeigerantrieb dienen kann.
Während in der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 die Schwingarme 7 im wesentlichen in einer zur Läuferwelle 5 senkrechten Ebene schwingungsfähig sind, ist bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 des Elektromotors die Anordnung derart getroffen, dass die Schwingungsebene der freien Enden der Schwingarme im wesentlichen parallel zu der Läuferwelle 5 liegt. Aus den beiden Figuren, in denen mit den Fig. 1 und 2 gleichbezeichnete Teile jeweils entsprechend sind, ist zu ersehen, dass die Schwingarme 7', die ebenfalls aus Flachbandfederstahl bestehen können, an dem Läufer 6' derart befestigt sind, dass sie - bezogen auf Fig. 3 - eine Auf- und Abschwingung ausführen können. Die Steuerund Antriebsspulen 14', 15' sind als aufrechtstehende gekrümmte Luftspulen ausgebildet, die entsprechend Fig. 5 geschaltet sind.
Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform des Motors ist im wesentlichen die gleiche wie jener nach Fig. 1, 2, so dass sich eine nochmalige Erläuterung erübrigt.
Während in den Fig. 2 und 4 jeweils Läufer dargestellt sind, die über zwei Schwingarme 7 bzw. 7' verfügen, ist es grundsätzlich auch möglich, Läufer herzustellen, die über eine unterschiedliche Anzahl von Schwingarmen verfügen. So ist in Fig. 6 ein in der Ausführung grundsätzlich dem Läufer nach Fig. 2 entsprechender Läufer dargestellt, der über lediglich einen Schwingarm 7 verfügt. Zum Ausgleich der Unwucht ist hierbei an dem Läufer 6 ein ein Gegengewicht bildender Fortsatz 25 vorgesehen.
In der Ausführungsform nach Fig. 7, die ebenfalls mit einer in einer zur Läuferwelle 5 senkrechten Ebene schwingungsfähigen Schwingarmanordnung versehen ist, sind vier am Umfang des Läufers 6 gleichmässig verteilt angeordnete Schwingarme 7 vorgesehen.
Bei dem Läufer nach Fig. 2 ist die Anordnung derart getroffen, dass die Spulen 14, 15 radial innerhalb der Enden 9 der Schwingarme 7 liegen. Die Bügel 10 könnten aber genausogut an den Schwingarmenden 9 nach aussen weisend angeordnet werden. wie es in Fig. 8 veranschaulicht ist, so dass dann die Spulen 14, 15 radial ausserhalb der Schwingarmenden zu liegen kommen.
Die Steuer- und Antriebsspulen 14, 15 sind in der Ausführungsform nach Fig. 2 bzw. 4 jeweils diametral gegenüberliegend an zwei getrennten Orten angeordnet.
Es wäre jedoch auch möglich, die beiden Spulen an einer gemeinsamen Stelle vorzusehen und sie auch konstruktiv zusammenzufassen, wie es in Fig. 9 veranschaulicht ist, zu der Fig. 13 eine Seitenansicht darstellt.
Während, wie in Fig. 10 ganz schematisch angedeutet. die Anordnung auch derart getroffen werden könnte, dass das Magnetsystem 11" stillsteht und die Spulen, von denen lediglich die an dem Schwingarm 7" befestigte Spule 14" gezeigt ist, umlaufen, ist es auch mog- lich, wie aus Fig. 11 zu ersehen, das Magnetsystem 11 lediglich mit einem Magneten 110 auszurüsten, dem ein Weicheisenbügel 100 für den magnetischen Rückschluss zugeordnet ist, wobei hier das Magnetsystem sowohl ruhend wie auch umlaufend gedacht werden kann.
In Fig. 12 schliesslich ist noch eine Ausführungs form dargestellt, bei der das Magnetsystem bei 11"' auf dem Läufer 6 vorgesehen ist. Die magnetischen Kraftlinien treten hierbei über die Schwingarme 7"', d. h.
genauer über an diesen befestigte Polschuhe 26 aus. Die Wirkungsweise ist grundsätzlich dieselbe, als wenn die Magnetsysteme an den Enden der Schwingarme angeordnet wären.
Die in den Fig. 6-13 veranschaulichten Ausführungsformen lassen sich sinngemäss noch beliebig erweitern. Insbesondere können sie selbstverständlich in entsprechender Weise für die Läuferausführungsform abgewandelt werden.
Beim Einsatz als Takt- oder Frequenzgeber oder als selbständiger Frequenzgenerator kann die Anordnung derart getroffen werden, dass im Läuferwirkungs bereich zumindest eine zusätzliche Spule angeordnet wird, in der die vorbeilaufenden Magnetsysteme 11 der Schwingarme 7 Impulse induzieren, die nach entsprechender Verstärkung weiter verwendet werden können.
Es wäre auch denkbar, durch Anzapfung der oder Ankopplung an die Steuer- oder Antriebsspule(n) solche Impulse zu gewinnen. Die Frequenzkonstanz des so gebildeten Frequenzgebers oder -generators entspricht der einer einfachen Quarzschaltung, der sie an Genauigkeit damit überlegen sein kann. Da der scllaltungs- und fertigungstechnische Aufwand wesentlich geringer wie bei einer Quarzschaltung ist, ergeben sich besondere Vorteile beim Einsatz des erfindungsgemässen Motors als Frequenzgeber oder -generator.
Was die konstruktive Seite des Läufers 6 anbelangt, so hängt die Gestaltung zum einen von den Gegebenheiten der Antriebsaufgabe und zum anderen von dem Schwingungsverhalten des Schwingungssystems bis zu einem gewissen Grade ab. Ein sehr einfacher Aufbau, der sich durch eine sehr kleine träge Masse ergibt, lässt sich in der Weise erzielen, dass die Schwingarme im wesentlichen S-förmig gebogen sind, wobei der Mittelteil, der die beiden schwingungsfähigen Enden miteinander verbindet, den Läufer darstellt (vgl. Fig. 4). Selbstverständlich lässt sich der gleiche Gedanke auch bei einer Ausbildung entsprechend Fig. 2 wie auch beim Vorhandensein von mehr als einem Schwingarmpaar verwirklichen.