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Elektrischer Antrieb mit konstanter Drehzahl für Meß- oder Eichgeräte,
insbesondere elektrische Uhren Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen
Antrieb mit konstanter Drehzahl, der insbesondere für elektrische Uhren bestimmt,
aber auch für andere Apparate, wie Meßgeräte für physikalische Größen, Magnetophone,
Zeit- und Winkelgeschwindigkeitseichungen u. dgl. verwendbar ist und durch ein magnetisches
Drehfeld aufrechterhalten wird.
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Der Erfindung liegen folgende Überlegungen. zugrunde: Als Regler eines
Uhrwerkes sind konische Pendel seit langem bekannt, z. B. das von H u y g e n s
schon 1658 vorgeschlagene Pirouettenpendel oder das 1847 von F o u c a u 1 t vorgeschlagene
konische Pendel. Bei dem Pirouettenpendel von H u y g e n s , das eine drehende
Achse hat, sind in Wirklichkeit zwei Pendel vorgesehen, die an der senkrechten Antriebswelle
aufgehängt sind und deren Massen sich beiderseits von dieser Welle nach Art der
Kugeln eines Wattschen Zentrifugalreglers entfernen. Das konische Pendel von F o
u c a u 1 t mit fester Achse besteht aus einem einzigen Pendel, das am oberen Ende
seines Schaftes durch ein Universalgelenk, z. B. ein Kardangelenk, aufgehängt ist,
so daß sich seine Masse frei in einem einfachen Kreis drehen kann im Gegensatz zu
der teilweisen Drehung der beiden Massen des Pirouettenpendels von H u y g e n s.
Die regelnde Wirkung des konischen Pendels wird durch ein Ende der Masse ausgeübt,
die in eine Gabel eingreift, die ihrerseits das Ende der Antriebswelle radial verlängert.
Sowohl bei dem einen wie bei dem anderen dieser beiden bekannten Uhrwerke wird die
Antriebswelle durch eine gespannte Feder angetrieben, die auf jeden Fall von Zeit
zu Zeit aufgezogen werden muß.
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Das periodische Aufziehen des Uhrwerkes wird zwar hei elektrischen
Uhren vermieden, die durch einfachen Anschluß an ein Wechselstromnetz kontinuierlich
mit Synchronmotorantrieb arbeiten, doch weisen Uhren mit diesem Antrieb die gleichen
Schwankungen auf wie die Frequenz des Netzstromes, ob sie nun ohne jeden mechanischen
Gangregler mit direktem Zeigerwerkantrieb durch den Synchronmotor arbeiten oder
ob der Gangregler eines motorisch aufgezogenen Federwerks ständig vom Motor mechanisch
oder magnetisch bzw. elektrostatisch vom Netzwechselstrom synchronisierend durch
»erzwungene Schwingungen« beeinflußt wird.
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Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist bereits 1880 von T h u r y vorgeschlagen
worden, auf der Welle des Synchronmotors wie auf der durch Feder angetriebenen Welle
nach H u y g e n s ein Doppelpendel mit zwei Massen nach Art eines Wattschen Zentrifugalreglers
anzuordnen. Ein solches Doppelpendel kann aber in diesem Falle keine »unmittelbar«
regelnde Wirkung ausüben, da der Gang des Uhrwerkes nach wie vor synchron mit der
Frequenz des Synchronmotorstromes verläuft. Zwar hat auch hier das doppelte Pendel
den Zweck, durch Veränderung seiner Massenneigungen eine Geschwindigkeitsänderung
des Motors herbeizuführen. Doch kann dies nur durch komplizierte Übertragungsmittel
erreicht werden, die die Betriebssicherheit in Frage stellen und die Herstellung
erschweren und verteuern.
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Ferner ist durch die Jarryuhr bekanntgeworden, bei einem Uhrwerk nach
F o u c a u 1 t die Betätigungsfeder der Antriebswelle durch einen Impulssynchronmotor
zu ersetzen. Auch in diesem Fall übt aus demselben Grund wie bei der Anordnung nach
T h u r y das Pendel an sich keine regelnde Wirkung aus, weil nämlich der Lauf der
Uhr stets synchron mit der Frequenz des dem Synchronmotor zufließenden Stromes bleibt.
Da außerdem dieses Pendel durch seine Neigungsänderungen keine zusätzlichen Geschwindigkeitsregler
des Motors steuert, ist es während der normalen Funktionsperioden praktisch außer
Betrieb; es wirkt bestenfalls als Schwungmasse, d. h. innerhalb einer Umdrehung
Pendelungen um die von. Netzfrequenz aufgezwungene Umlaufgeschwindigkeit ausgleichend.
Seine eigentliche Rolle beginnt es erst bei Stromausfall, während dem es den Synchronmotor
bis zum Zeitpunkt der Wiedereinschaltung des Stromes und der Wiederaufnahme der
normalen Arbeit antreibt, sofern die Dauer des Stromausfalles geringer ist als die
Laufzeit des Pendels bis zum Stehenbleiben.
Bei anderen bekannten
Uhrwerken . mit Antrieb durch einen Ansy nchronmotor, z. B. nach der USA.-Patentschrift
2 220 049, wird das Werk .durch ein magnetisches Drehfeld betätigt, das durch einen
permanenten, auf .den Läufer des Motors aufgekeilten Magneten gebildet ist. Durch
diese magnetische Mitnahme soll eine weichere Verbindung als durch die starren Verbindungen
der vorangehend erwähnten Modelle von elektrischen Uhren erreicht werden. Aber auch
hier folgt die Geschwindigkeit der Uhr genau der schwankenden Frequenz des Wechselstromes,
an den der Motor angeschlossen ist.
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Alle diese Mängel der bekannten Systeme elektrischer Uhrantriebe werden
bei dem elektrischen Antrieb nach der Erfindung vermieden, bei dem eine Drehgeschwindigkeit
von großer Regelmäßigkeit selbst bei bedeutenden Spannungs- und Frequenzschwankungen
des .dem Motor zugeführten Wechselstromes sichergestellt wird.
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Bei diesem elektrischen, durch ein magnetisches Drehfeld aufrechterhaltenen
Antrieb mit konstanter Winkeldrehgeschwindigkeit für Uhrwerke und andere eingangs
erwähnte Geräte ist erfindungsgemäß die Anordnung so getroffen, daß ein leitender,
mit dem anzutreibenden Mechanismus gekuppelter und nach Art eines konischen Pendels
mit fester oder drehender Achse aufgehängter Körper durch eine durch Wechselstrom
oder -ströme gespeiste elektromagnetische Vorrichtung mitgenommen wird, die ein
Drehfeld oder ein gleitendes Feld erzeugt, in welchem der aufgehängte leitende Körper
den drehenden Teil eines Asynchronmotors darstellt, bei dem im Gegensatz zu den
üblichen Motoren dieser Art selbst eine sehr schwache Änderung der Winkelgeschwindigkeit
die Entfernung beträchtlich verändert, die zwischen den magnetisch aktiven Teilen
(Polen) des Antriebsorganes und dem aufgehängten leitenden Körper besteht in der
Weise, daß die Veränderung der Winkelgeschwindigkeit begrenzt und bei Erhöhung der
Geschwindigkeit eine Vergrößerung des Luftspaltes hervorgerufen wird. Diese selbsttätige
Luftspaltänderung wirkt selbstkompensierend auf die Drehzahl, da mit dem Luftspalt
sich die magnetischen Antriebskräfte auf den Umlaufkörper und damit der Schlupf
ändert; das gleiche tritt bei Drehzahlverringerung durch Verkleinerung des Luftspaltes
in beschleunigendem Sinne ein.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in der Beschreibung an einigen
als Beispiele dienenden Vorrichtungen an Hand der Zeichnung erläutert.
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Fig. 1 zeigt in Seitenansicht das Schema einer erfindungsgemäß in
waagerechter Ebene aufrechterhaltenen Kreisbewegung eines einfachen Umlaufkörpers
nach Art eines Fadenpendels; Fig. 2 ist die zugehörige Draufsicht; Fig.3 zeigt in
Vorderansicht eine Uhr ohne Hemmung mit Antrieb gemäß der Erfindung und Fig. 4 in
Draufsicht die zugehörige Induktionsanordnung;-Fig. 5 veranschaulicht eine ähnliche
Vorrichtung, bei welcher der induzierende Teil durch den feststehenden, teilweise
aus dem Ständer vorstehenden Läuferkäfig eines Asynchronmotors gebildet ist.
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Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung dient zum Unterhalten
der kegelförmigen Umlaufbewegung einer an einem Faden aufgehängten Kugel. Die Vorrichtung
befindet sich auf einer mit einem Galgen 12 versul:enen Bodenplatte 11. Der induzierte
Teil der @"orrichtung besteht aus einem leitenden Metallkörper 13, beispielsweise
aus Kupfer oder Aluminium. Dieser Körper 13 ist durch einen Faden 14 in einem Punkt
16 des Galgens 12 aufgehängt. Der induzierende Teil besteht aus acht Kernen 21 bis
28, die stehend im Kreis um die durch den Punkt 16 gehende Lotrechte angeordnet
sind.
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Die Wicklungen der Kerne 21 bis 28 sind einander genau gleich. Die
Wicklungen der Kerne 21, 23, 25, 27 sind derart in Reihe geschaltet, daß die oberen
Enden der Kerne 21 und 25 mit denjenigen der Kerne 23 und 27 gegenpolig sind. Der
so beschaffene Stromkreis wird durch Stromleiter 31 und 32 an das Wechselstromnetz
36 angeschlossen. Die Pfeile f deuten die Stromrichtung in einem gegebenen Augenblick
an. Die Wicklungen der Kerne 22, 24, 26, 28 sind in Reihe zu einem zweiten Stromkreis
in gleicher Weise wie die anderen Wicklungen geschaltet. Der Strom wird. durch Leiter
33 und 34 mit einer Phasenverschiebung von annähernd 1/4 Periode in bezug auf die
Leiter 31, 32 zugeführt und zweckmäßig von der gemeinsamen Ouelle 36 geliefert.
Einer der Stromkreise ist mit einer Vorrichtung 3'7 zur Phasenverschiebung versehen.
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Bei der in dieser Weise bewirkten Erregung erzeugen die Spulen Wechselflüsse,
die in den acht Abschnitten des waagerechten Kreises 29 gegeneinander verschoben
sind, der die Bahn des leitenden Körpers 13 über den Kernen 21 bis 28 darstellt.
Wird bei bereits -erregten Stromkreisen der Körper 13 unter gleichen oder annähernd
gleichen Verhältnissen angeworfen, so wird er im wesentlichen auch die gleiche kreisförmige
Bahn 29 durchlaufen, und zwar mit einer Periode, die sehr annähernd der eigenen
Schwingungsperiode gleich ist. Die Bewegung wird durch die phasenverschobenen Wechselfelder
in den nacheinanderfolgenden Abschnitten der Bahn 29 unterhalten. Die Spannungs-
und Frequenzschwankungen des Erregungsstromes üben in der Regel keinen merklichen
Einfluß auf die Schwingungsperiode des Pendels aus, und diese Schwingungsperiode
kann sehr annähernd als konstant angesehen werden, wenn die Frequenzschwankungen
nicht größer sind als die normalen Schwankungen eines Stromnetzes; denn bei jeder
Neigung des Körpers 13 seine Drehzahl zu verändern, ändert sich mit der Zentrifugalkraft
.der Luftspalt zwischen ihm und den Polen 21 bis 28 in kompensierendem Sinne.
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Das Unterhalten der Bewegung des Körpers 13 erklärt sich daraus, daß
er leitend und der Ort induzierter Ströme ist, auf die alle Erregungspole einwirken.
Die Bewegung erfolgt kreisförmig, wenn der Faden 14 unmittelbar am Körper 13 und
am Galgen 12 befestigt ist. Es entsteht aber eine einfache Drehbewegung, wenn in
den Faden 14 ein Wirbel eingeschaltet wird.
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Wie erwähnt, ist es bei dieser Anordnung erforderlich, das Pendel
anzuwerfen. Dies läßt sich vermeiden, wenn man die Anordnung derart unsymmetrisch
trifft, daß gewisse Pole in Ruhelage des Pendels stärker einwirken. Zu diesem Zweck
kann man z. B. den Aufhängungspunkt 16 etwas gegen die Mitte des Kreises versetzen,
auf den die Kerne 21 bis 28 verteilt sind. Der Körper 13 kann selbst eine unsymmetrische
Gestalt erhalten. Er kann ferner mit Hilfe eines Dreharmes in der an Hand der Fig.
3 und 4 beschriebenen Weise über der kreisförmigen. Reihe der Pole angehalten werden.
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Fig.3 und 4 zeigen eine Uhr, die durch einfache Zahnräder ohne Hemmung
mit Hilfe eines Pendels mit kreisförmiger Bewegung betätigt wird. Die Vorrichtung
befindet sich auf einer Bodenplatte 41, und die Uhr wird von zwei Bügeln 42 getragen.
Der induzierte Körper der Vorrichtung besteht aus einem
_1vIetallkörper
43 aus Kupfer oder Aluminium. Der Körper43 ist an einer Stange44 befestigt, die
mit einem Gelenk 47 an einer lotrechten Welle 48 hängt, die in einem auf den Bügeln
42 ruhenden Lager läuft.
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Die Induktionsvorrichtung besteht aus acht mit Spulen versehenen Magnetkernen
51 bis 58, die radial um die lotrechte Achse der Welle48 verteilt sind.
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Die Spulen der Kerne sind ähnlich wie die Spulen der Kerne 21 bis
28 der Fig. 2 geschaltet, d. h., es sind je vier Spulen in zwei Stromkreise eingeschaltet,
die durch um 1/4 Periode gegeneinander verschobene ZVechselströme durch einen Phasenschieber
60 erregt werden. Die Kerne erzeugen somit phasenverschobene Wechselfelder in acht
Abschnitten, die sich am Umfang des sternförmigen Gebildes befinden und auf die
kreisförmige Bahn 61 verteilt sind, welche der Körper 43 mit dem Stab44 durchläuft.
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Ein leichter waagerechter Arm 62 ist drehbar auf einem Zapfen63 gelagert,
der sich in der Achse der Welle 48 befindet. Dieser Arm ist mit einem radialen Schlitz
64 versehen, durch den die Stange 44 lose geführt ist. Bei nicht eingeschaltetem
Strom, wenn also das Pendel die Ruhelage einnimmt, stützt sich die Stange 44 gegen
das Ende 66 des Schlitzes 64, und der Körper 43 befindet sich dann in der Nähe seiner
Bahn 61. Sobald der Strom durch die Spulen der Kerne fließt, setzt sich der Körper
43 langsam in Kreisbewegung und nimmt dabei den Arm 62 mit. Nach einer geringen
Zeitspanne entspricht die Umlaufgeschwindigkeit derjenigen des normalen Umlaufs
auf der Bahn 61. Die Stange 44 verläßt ihren Stützpunkt 66 am Ende des Schlitzes
64 und drückt nur sehr wenig gegen eine Seitenkante dieses Schlitzes.
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Während der kegelförmigen Bewegung nimmt die Stange 44 die Welle 48
mit Hilfe des Gelenkes 47 mit. Die Welle 48 treibt durch ein Zahnradgetriebe 68
die Zeiger 69 des Zifferblattes 71 der auf den Bügeln 42 ruhenden Uhr an.
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Die in dieser Weise gestaltete Uhr läuft sehr genau und geräuschlos,
weil sie ohne Hemmung arbeitet. Um die Genauigkeit noch weiter zu erhöhen, kann
man in die Stromzuführung eine an sich bekannte Vorrichtung zum Ausgleich der Spannungs-
und Frequenzschwankungen des Stromnetzes einschalten, während im allgemeinen die
Selbstkompensierung durch die Änderung des Luftspaltes zwischen dem umlaufenden
Leiterteil 43 und den Polen 51 bis 58 ausreicht.
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Für den erregten Ständer sind in den dargestellten Beispielen acht
Spulen vorgesehen, weil diese Zahl sich bequem für eine Zweiphasenstromzuführung
eignet. Es könnten aber ebensogut sechs oder zwölf Spulen für Drehstrom vorgesehen
werden.
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Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 ist der induzierte, am Galgen 72 hängende
Läufer ähnlich demjenigen der F ig. 3 ausgebildet. Er besteht aus einem Kupferkörper
73, der an einer Stange 74 befestigt ist, welche selbst durch ein Gelenk 77 an einer
lotrechten Welle 78 hängt. Der Ständer 81 ist derjenige eines regelrechten Drehstrommotors,
dessen hier feststehender, also als Drehtransformator wirkender Käfiganker 82 zur
Hälfte vorsteht. Der Drehstrom wird von einer Quelle 83 geliefert. Am Umfang des
Käfigs entstehen gestufte und gegeneinander phasenverschobene Wechselflüsse. Sie
erzeugen eine resultierende Kraft, die einem Drehfeld gleichwertig ist und die kreisförmige
Pendelbewegung des Körpers 73 unterhält, wobei ebenso wie bei den vorher beschriebenen
Anordnungen die Änderung des Luftspaltes zwischen Umlaufkörper 73 und Anker 82 in
weitem Maße Selbstkompensationen der Drehzahländerungen bewirkt. Am Ende der Welle
84 des Käfigs 82 kann in vorteilhafter Weise ein leichter Arm 85 gelagert werden,
dessen Zweck darin besteht, bei Stillstand den Körper 73 in der Nähe des Umfanges
des Käfigs 82 für das selbsttätige Anlaufen zu halten.
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Die Welle 78 betätigt mit Hilfe eines Zahnradgetriebes 86 einen nicht
dargestellten Zeitmesser.
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Der Ständer 81, der nur beispielsweise dargestellt ist, kann durch
jede andere Vorrichtung ersetzt werden, die in der Lage ist, ein Dreh- oder Gleitfeld
zu erzeugen. Es kann z. B. ein normaler Anker einer zweipoligen Gleichstrommaschine
benutzt werden, dem durch vier gleichmäßig verteilte Sektoren des Kollektors ein
Zweiphasenstrom zugeführt wird. Der auf diese Weise erzeugte Dreh- oder Gleitfluß
unterhält die Kreisbewegung des Pendels. Man könnte in gleicher Weise den Anker
mit Drei- oder Vierphasenstrom betreiben.
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Man kann auch den Anker eines Umformers anwenden, dem der Strom durch
die Kontaktringe zugeführt wird.
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Ferner sind als Ständer auch ein Asynchronmotor allein oder der Läufer
allein verwendbar, wenn dieser mit Spulen versehen ist.