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Getriebanordnung für Synchronkleinstmotoren Der Selbstanlauf von Synchronkleinstmotoren
wird manchmal durch einen zu hohen Getriebewiderstand in Frage gestellt, sofern
z. B. nach längerer Betriebszeit durch verschiedene Ursachen bedingte Widerstände
im Getriebe auftreten. Diese Hemmungen sind im allgemeinen nur während des Anlassens
wirksam, während bei Dauerbetrieb der Motor störungsfrei arbeiten kann.
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Wie sich nn durch eingehende Untersuchungen gezeigt hat, ist diese
Erscheinung darin begründet, daß das Anlaufdrehmoment von Synchronkleinstmotoren
in hohem Maße von der Anfangslage des permanentmagnetischen Läufers abhängt, und
zwar wie folgt: Innerhalb einer doppelten Polteilung gibt es im allgemeinen zwei
Maxima und zwei Minima. Es wäre natürlich am günstigsten für den Anlauf, wenn sich
der Läufer in diejenige Lage einstellt, welche dem Maximaldrehmoment entspricht.
Dies ist im allgemeinen kaum erreichbar. Der Läufer bleibt, sobald der Ständerstrom
abgeschaltet ist, in einer solchen Lage stehen, welche durch die Form des Magnetsystems
(Dauermagnetläufer und Ständerpolanordnung) gegeben ist. Diese Haltelage bei unbelastetem
Läufer ist sogar vorausbestimmbar, da sie dem Gesetz der magnetischen Anziehung,
d. h. dem Bestreben der magnetischen Kraftlinien, sich im Luftspalt zu verkürzen,
folgt. Es ist hierbei vorausgesetzt, daß eine mechanische Gegenkraft nicht vorhanden
ist. Man kann nun das Magnetsystem eines Motors so auslegen und bemessen, daß dieser
eindeutig fixierte Haltepunkt in der Nähe des maximalen Anlaufdrehmomentes liegt.
Unbelastete oder unterbelastete Antriebe sind aber die Ausnahme; in der Regel hat
man es mit voll belasteten Motoren zu tun. In dem Augenblick, da der Ständer abgeschaltet
wird und das während des Betriebes wirksame Moment, sogenannte Synchronmoment, aufhört,
sind zwei Kräfte im Spiel, nämlich die Magnetkraft, welche bestrebt ist, den Läufer
in eine günstige Anlauflage zu ziehen, und die Gegenkraft (Reibung) des angeschlossenen
Getriebes (wenn man die Massenkräfte vernachlässigen will). Es ist keineswegs eine
Gewähr dafür vorhanden, daß die Magnetkraft ausreicht, um den Läufer tatsächlich
entgegen der Getriebereibung in die für den Wiederanlauf günstige Stellung zu ziehen.
Von dieser Voraussetzung geht eine bekannte Anordnung aus, mittels welcher die Magnetwirkung
so verstärkt wird, daß die Magnetkräfte bei allen Betriebsbedingungen ausreichen,
um den Läufer in die gewünschte Lage zu bringen. Die Lösung der Aufgabe wird also
durch eine Verteuerung des Motors erkauft. Man hat nämlich, um dem Läufer die nötige
Kraft zum Einstellen in die günstige Anfangslage zu erteilen, den Motor im ganzen
verstärkt, d. h. ein Betriebsmoment (Synchrondrehmoment) erzielt, welches nach Maßgabe
der Verhältnisse nicht erforderlich wäre.
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Eine von allen hergebrachten Methoden abweichende Lösung gibt die
vorliegende Erfindung an. Der Motor wird nicht stärker gebaut, als es für das Synchronmoment
erforderlich ist. Dagegen wird das Einspielen in die günstige Anlaufstellung durch
eine Getriebeanordnung für Synchronkleinstmotoren mit permanentmagnetischem Läufer,
bei denen- das Anlaufdrehmoment von der Anfangslage des Läufers abhängt dadurch
erzielt, daß der Läufer gegenüber dem Ständer frei drehbar angeordnet und mit dem
Abtrieb über einen Totgang verbunden ist, bei welchem ein fester Mitnehmerteil in
einen in der Drehrichtung verlaufenden Schlitz eingreift. Bei dem mit geringem Werkstoffaufwand
gebauten Motor kann sich also der Läufer - ungehindert von seiten des Getriebes
- in die durch die Magnetkräfte gegebene Lage einspielen.
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Es sind Antriebe bekanntgeworden, bei denen gleichfalls zwischen dem
Motorläufer und der Arbeitswelle keine starre Verbindung besteht. Bei diesen Anordnungen
wird aber kein Totgang benutzt, sondern eine elastische Verbindung, welcher auch
nicht die Aufgabe zugrunde liegt, den Motorläufer selbsttätig in die für den Wiederanlauf
günstige Ruhelage zu bewegen, sondern das Intrittfallen beim Anwurf zu erleichtern.
Die bekannten Motoren laufen mit niedrigem Drehmoment an, wobei die Anfangsstellung
des Läufers gegenüber dem Ständer nebensächlich ist. Die Erzielung der erforderlichen
Anlaufbedingungen erfolgt während der Anfahrbewegung des Läufers. Der Anlauf wird
dadurch sichergestellt, daß die Motoren ohne Last anlaufen können und bei Erreichen
einer bestimmten Drehzahl, d. h. nach Aufspeicherung
einer genügenden
Menge lebendiger Energie, mit der Last gekuppelt werden.
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Die Erfindung beruht demgegenüber auf der Erkenntnis, daß die Synchronkleinstmotoren
einen sogenannten magnetischen Haltepunkt haben, d. h. eine Anfangslage des Läufers,
in die der letztere sich von selbst bewegt, sobald er freies Spiel hat und wenn
die Ständerwicklung abgeschaltet ist. Diese selbsttätige Einstellung in der Lage
des magnetischen Haltepunktes wird dadurch veranlaßt, daß der Läufer permanentmagnetisch
ist und daher in eine gegenüber dem Eisen des Ständers eindeutig bestimmte Lage
gebracht wird. Eine weitere Erkenntnis, auf der die Erfindung beruht, ist die, daß
dieser magnetische Haltepunkt stets außerhalb des Bereiches des geringsten Einlaufdrehmomentes
des Motors liegt, d. h. also, daß beim Einschalten der Ständerspule der Motor ein
hohes Anlaufdrehmoment entwickelt, sofern der Läufer sich in diesem Zeitpunkt in
der Lage des magnetischen Haltepunktes befindet. Dieses Moment ist erfahrungsgemäß
genügend hoch, um das allenfalls auftretende Widerstandsmoment des Getriebes mit
Sicherheit zu überwinden.
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Dadurch, daß nun gemäß der Erfindung ein Totgang vorgesehen ist, hat
der Läufer die Möglichkeit, nach dem Stillsetzen des Motors sich in eine Lage zu
bewegen, welche dem magnetischen Haltepunkt nahe liegt. Der Winkel des Totganges
muß dabei mindestens so groß sein, daß der Läufer, sofern er beim Stillsetzen zufällig
in der Nähe des niedrigsten Drehmomentes ankommt, genügend Spielraum hat, sich aus
diesem für den Wiederanlauf ungünstigen Bereich in Richtung zum magnetischen Haltepunkt
herauszubewegen. Es hat sich gezeigt, daß für diesen Zweck 40 elektrische Grade
(d. h. bei einem 16poligen Läufer 5 Bogengrade) ausreichen. Will man aber das höchsterreichbare
Drehmoment für den Wiederanlauf sicherstellen, so wird man den Totgang mit 180 elektrischen
Graden (bzw. 22,5 Bogengraden) bemessen. Es ist klar, daß die genannten Winkel auf
den Läufer zu beziehen sind. Wenn also mit einer Übersetzung gearbeitet wird, so
wird man den Winkel mit dem Übersetzungsverhältnis multiplizieren.
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Man kann den Totgang künstlich durch Bemessung der Zahnflanken des
Läuferritzels herstellen. Arbeitet man z. B. mit zehn Zähnen mit einem Abstand von
36° von Zahn zu Zahn, so wird man das Spiel zwischen den Zähnen mit 5 bis etwa 12°
bemessen.
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Günstiger arbeitet die in der Zeichnung dargestellte Freilaufkupplung,
bei der eine Scheibe mit einem kreissektorartigen Schlitz versehen ist. Der Läufer
1 (Fig. 1) läuft frei auf der Welle 2, auf welcher die Kupplungsscheibe 3 fest aufgesetzt
ist. In den Schlitz 4 greift ein Bolzen 5, welcher fest am Läufer sitzt. Von der
Welle 2 erfolgt der nicht dargestellte Abtrieb zu dem zu treibenden Gerät, z. B.
Uhr, Anzeigevorrichtung usw. Wird nun das Getriebe stillgesetzt und kommt der Läufer
in der dem niedrigsten Drehmoment entsprechenden Lage zum Stillstand, so erlaubt
das Spiel im Schlitz 4 eine Ausrichtung des Läufers, welcher sich aus dieser ungünstigen
Lage hinweg in Richtung zum magnetischen Haltepunkt bewegt. Wie weit er an diesen
günstigen Punkt herankommt, ist lediglich von der Größe des Schlitzes abhängig,
also eine Bemessungsfrage, die je nach den gegebenen Betriebserfordernissen zu lösen
ist. Fig. 2 zeigt eine Getriebeanordnung, bei welcher die Kupplung unmittelbar hinter
dem Abtrieb liegt. 6 ist das vom nicht dargestellten Läufer angetriebene Ritzel,
welches das Zahnrad 7 antreibt. Das letztere läuft mit seiner Buchse 8 frei auf
der Getriebewelle 9. Das Zahnrad 7 greift mit dem Bolzen 5 in eine Aussparung 10
der Kupplungsscheibe 11, die das fest auf der Welle 9 sitzende Ritzel 12 und darüber
das Zahnrad 13 antreibt, welches den Antrieb auf eine nicht dargestellte Welle weitergibt.
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Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung der Kupplung hinter dem Abtrieb
ist insofern besonders günstig, als man durch einen verhältnismäßig kleinen Winkel
einen großen Freilaufwinkel für den Läufer erzielen kann, da das Übersetzungsverhältnis
- im vorliegenden Falle 1 : 7 - den dem Läuferspiel zur Verfügung stehenden Winkel
entsprechend erhöht. Man erhält z. B. bei einem Totgang von nur 3 Bogengraden bei
acht Polpaaren ein Spiel für den Läufer von drei, geteilt durch Übersetzungsverhältnis
mal Polpaarzahl, d. h. also 3 . 7 . 8=168 elektrische Grade.
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Besonders vorteilhaft wirkt sich die Erfindung bei solchen Antrieben
aus, die mit einer Rücklaufsperre versehen sind. Eine solche Sperre ist im allgemeinen
eine läuferangelenkte Klinke, welche bei einer Bewegung in der falschen Richtung
eine Sperrung bewirkt, indem sie durch Fliehkraft in hierzu bestimmte Teile des
Ständers eingreift. Es wurde vorgeschlagen, eine derartige Sperre so zu bemessen,
daß sie den Läufer in der Stellung des höchsten Anlaufdrehmomentes festhält. Wird
beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine solche Sperre benutzt, dann wird
die Anordnung besonders wirksam, da der Läufer in der falschen Richtung durch die
Rücklaufsperre gehemmt ist, dagegen durch den Freilauf die Möglichkeit hat, vollkommen
widerstandslos in der vorgeschriebenen Richtung anzulaufen, und zwar hat er dabei
das maximale Anlaufdrehmoment.
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Für den Fall, daß der Läufer sofort in der gewünschten Drehrichtung
anläuft, ist die Wirkungsweise des Getriebes so, wie bei den in den Figuren dargestellten
Anordnungen beschrieben wurde, auch wenn eine Sperrklinke vorgesehen ist.
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Es ist übrigens besonders vorteilhaft, bei Benutzung einer Sperrklinke
(und auch ohne diese) den Freilauf über 288 elektrische Grade (entsprechend 36 Bogengraden
bei einem 16poligen Läufer) festzusetzen. Dieser Winkel entspricht dem Abstand zwischen
der Läuferlage bei Höchstdrehmoment bis zu dem übernächsten magnetischen Haltepunkt.