DE2938072A1

DE2938072A1 - Synchron-motor fuer eine uhr

Info

Publication number: DE2938072A1
Application number: DE19792938072
Authority: DE
Inventors: Minosaku Aso; Yoshinori Goto; Setsuyuki Karasawa; Akira Nikaido
Original assignee: Rhythm Watch Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd; Rhythm Co Ltd
Priority date: 1978-09-20
Filing date: 1979-09-20
Publication date: 1980-04-30
Also published as: JPS5543953A; DE2938072C2; GB2032704A; US4386287A; GB2032704B; JPS6229976B2

Description

Dipl.-Phys. O.E. Weber _ t _D-e München 71 Patentanwalt Hofbrunnetraße 47 Telefon: (008) 791 SOSO

Telegramm: monopolweber mQnchen

R 208

Rhythm Watch Company Limited 2-27-7 Taito, Taito-ku
Tokyo / JAPM

Citizen Watch Company Limited 2-1-1 Nishishinjuku, Shinjuku-ku Tokyo / JAPAN

Synchron-Motor für eine Uhr

Die Erfindung betrifft einen Synchron-Motor für eine Uhr und bezieht sich insbesondere auf einen solchen Synchron-Motor für eine Uhr, der ein alternierendes elektrisches Signal aus einer Zeitsignal-Erzeugungseinrichtung in eine mechanische Bewegung konstanter Rotationsgeschwindigkeit umwandelt.

Um Zeitsignale aus Impulsen, Frequenzen, bestimmten Wellenformen usw., die von einer entsprechenden Energiequelle geliefert werden, die beispielsweise ein Kristalloszillator sein kann, mit hoher Genauigkeit in eine mechanische Drehung der Zeiger einer Uhr umzuwandeln, finden verschiedenste Synchron-Motoren bei Uhren vielfältige Anwendung, wenn eine analoge Anzeige mit hoher Genauigkeit erwünscht ist. Bei einem solchen Synchron-Motor sind ein geringer Verbrauch an elektrischer Energie ebenso wie ein zuverlässiges selbsttätiges Anlaufen besonders wesentliche Eigenschaften. Bekannte Synchron-Motoren erfüllen die entsprechenden Anforderungen nicht in dem gewünschten Maß.

Bei bekannten Synchron-Motoren sind häufig nur zwei Rotorpole vorhanden, und es ist somit eine große Anfangsauslenkung erforderlich, die eine Amplitude von 90 ° erreichen müßte, bis die Rotation eine konstante synchronisierte Geschwindigkeit erreicht, was zu Nachteilen hinsichtlich der Eigenschaften in bezug auf das selbsttätige Anlaufen führt.

Außerdem muß bei bekannten Synchron-Motoren eine Einrichtung vorhanden sein, welche das Anlaufen in umgekehrter Richtung vermeidet, weil die statische Mittelposition des Rotors in zwei Stellungen erreicht werden kann und für das selbsttätige Anlaufen keine Vorzugsrichtung vorhanden ist.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Synchron-Motor für eine Uhr der eingangs näher genannten Art zu schaffen, der mit besonders guter Zuverlässigkeit in einer bestimmten Richtung selbsttätig leicht und schnell anläuft und im Betrieb mit einem besonders guten Wirkungsgrad arbeitet.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß zumindest die Anzahl der Rotorpole des Rotors 2 (2n +1) beträgt und die Anzahl der Statorpole 2 (2n + 1) + 2 beträgt, wobei η eine positive ganze Zahl ist, daß die Statorpole jeder Statorplatte auf nicht äquidistanten Winkelabständen angeordnet sind, daß die statische Mittelposition der Rotorposition im wesentlichen in der Mitte der dynamischen magnetischen Mittellinien des Stators angeordnet sind, wodurch ein Ungleichgewicht vernachlässigt wird, veLches bei der für das selbsttätige Anlaufen maßgeblichen Antriebsenergie im Hinblick auf die Auslenkungsrichtung zur Zeit des selbsttätigen Anlaufens vorhanden war.

Gemäß der Erfindung ist unter anderem auch der Vorteil erreichbar, daß der Rotor nicht nur besonders rasch und leicht selbsttätig anläuft und in eine synchrone Rotation übergeht, sondern daß auch die Drehrichtung, in welcher der Rotor selbsttätig anläuft, vorgegeben werden kann.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Teilungswinkel der benachbarten Statorpole dem 0,5-fachen oder dem 1,5-fachen Teilungswinkel der Rotorpole entspricht.

Um eine bestimmte Drehrichtung beim selbsttätigen Anlauf vorzugeben, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Statorpole aus Hauptpolen und Zusatzpolen gebildet werden, die eine unterschiedliche magnetische Kopplung zu dem Stator haben.

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Gemäß der Erfindung ist die magnetische Kopplung der Stator-Hauptpole und der Stator-Zusatzpole mit den Eotorpolen durch eine entsprechende Änderung des Luftspaltes zwischen den Zusatzpolen und dem Rotor herbeigeführt. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß der Luftspalt zwischen den Stator-Zusatzpolen und dem Rotor einen Wert zwischen 1 und Λ,4- in bezug auf den Luftspalt zwischen den Stator-Hauptpolen und dem Rotor aufweist.

Gemäß der Erfindung wird der Unterschied zwischen der magnetischen Kopplungsenergie der Stator-Hauptpole und der Stator-Zusatzpole gegenüber den Rotorpolen durch eine Veränderung der Polbreite zwischen Haupt- und Zusatzpol herbeigeführt.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, daß die Hauptpole und die Zusatzpole entweder jeweils nebeneinander oder alternierend angeordnet sind.

Gemäß der Erfindung ist es auch möglich, daß die Statorplatten entweder aus massivem Material hergestellt werden oder aus einzelnen Materialschichten aufgebaut sind.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 einen Grundriß, der einen bestimmten Teil eines herkömmlichen Synchron-Motors für eine Uhr veranschaulicht,

Fig. 2 einen Grundriß eines bestimmten Teils eines eechspoligen Rotors und eines achtpoligen Rotors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Synchron-Motors für eine Uhr,

Fig. 3 ©in Wellenform-Diagramm, welches ein Beispiel eines elektrischen Eingangswechselsignals für eine Erregerspule des Motors gemäß der Erfindung veranschaulicht,

Fig. 4- einen Schnitt durch eine Anordnung, welche den Aufbau und die Unterbringung des Rotors in der Ausführungsform gemäß der Fig. 2 veranschaulicht,

Fig. 5 eine graphische Darstellung, welche einen Vergleich der Spannungs-Drehmomenten-Kennlinie des bekannten Motors einerseits und des erfindungsgemäßen Motors andererseits veranschaulicht, und

Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche den Vergleich der Spannungs-Stromverbrauchs-Kennlinie zwischen dem bekannten Motor einerseits und dem erfindungsgemäßen Motor andererseits veranschaulicht.

In der Fig. 1 ist ein herkömmlicher Synchron-Motor dargestellt, der einen Rotor 10, Statorplatten 12 und 14 und eine Erregerspule 16 aufweist. Der Rotor 10 hat zwei Rotorpole

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die als magnetischer Nordpol N und als magnetischer Südpol S entgegengesetzt zueinander, d.h. um 180 ° zueinander in der Zeichnung veranschaulicht sind. Weiterhin haben die Statorplatten 12 und 14 ein Paar von Statorpolen auf Jeder Statorplatte, nämlch 12a und 12b bzw. 14a und 14b, die jeweils unter 90 ° untereinander versetzt angeordnet sind. Die Statorpole 12a und 14a bzw. 12b und 14b sind in bezug auf die Mitte des Rotors 10 einander gegenüber angeordnet. Auf dem gemeinsamen Joch der Statorplatten 12 und 14 ist die Erregerspule 16 in entsprechenden Windungen einer Wicklung angeordnet, und es wird dieser Erregerspule ein elektrisches Wechselspannungssignal oder Wechselstromsignal von einer Zeitsignal-Erzeugungseinrichtung zugeführt. Ein magnetischer Weohselfluß wird dem Stator zugeführt, der aus den Statorplatten 12 und 14 besteht. Dieser magnetische Wechselfluß erzeugt in der Basis des Elektromagneten eine Schwingungsbewegung, so daß auf den Rotor 10 abwechselnd eine Anziehung und eine Abstoßung ausgeübt werden. Wenn die Schwingungsbewegung allmählich größer wird, so daß ein bestimmter Auslenkungswinkel überschritten wird, beginnt der Rotor 10, sich mit einer konstanten Geschwindigkeit zu drehen, die mit dem als Eingangssignal zugeführten elektrischen Wechselspannungssignal oder Wechselstromsignal synchronisiert ist. Die Größe der konstanten Geschwindigkeit der Rotation wird durch die Zahl der Rotor- und Stator-Pole und durch die Frequenz des elektrischen Wechselsignals bestimmt. Es wird eine Bewegung einer mechanischen Drehung mit hoher Genauigkeit gewährleistet, die von der Genauigkeit des elektrischen Wechselsignals abhängt, welches der Erregerspule 16 zugeführt wird, wenn der Rotor 10 mit einem entsprechenden Zeitanzeigegertriebe verbunden ist, welches es ermöglicht, eine Uhr mit einer analogen Anzeige zu erreichen, bei welcher die Zeiger mit dem Getriebe verbunden sind.

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Die in der Pig. 1 dargestellte Einrichtung bekannter Art hat jedoch Hachteile, daß Unregelmäßigkeiten und Abweichungen von einem abgeglichenen Zustand bei der zugeführten Energie die Selbststarteigenschaften beeinträchtigen und zu einem Wirkungsgradverlust des Motors führen, weil der Rotor 10 zwei statisch zentrale Stellungen aufweist, die gegenüber der magnetischen Mittellinie des Stators vorgespannt sind. Sie statische Zentralposition des Eotors zeigt die Stillstandsposition des Rotors 10 durch diejenige Linie, welche die einander gegenüberstehenden Rotorpole in der Stellung miteinander verbindet, daß das Signal nicht der Erregerspule zugeführt wird und daß kein alternierender Magnetfluß an den entsprechenden Statorplatten 12 und 14-er zeugt wird. In der Fig. 1 ist diejenige entsprechende Stellung dargestellt, in welcher die zwei Rotorpole N und S mit derjenigen Linie zusammenfallen, wiche die einander gegenüber angeordneten Statorpole 12a und 14a bzw. 12b und 14b miteinander verbindet, d.h. die gerade Linie A oder B. Es besteht zwischen den Rotorpolen und den Statorpolen eine derartige Anziehung, daß ein Stillstand herrscht. Es ist bei der bekannten Einrichtung nicht festgelegt, ob der Rotor 10 entweder die statische Zentralposition A oder B einnimmt, es wird jedoch die eine oder die andere statische Zentralposition mit etwa derselben Wahrscheinlichkeit eingenommen, so daß die entsprechenden Stillstandsbedingungen mit etwa derselben Wahrscheinlichkeit erfüllt sind.

Andererseits ist die dynamische magnetische Mittellinie durch eine Linie C in der Fig. 1 dargestellt, d.h. die Stellung, welche der stärksten elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Stator und dem Rotor entspricht, und zwar in derjenigen Stellung, in welcher die Spule 16 erregt ist und der alternierende Magnetfluß dem Stator zugeführt wird.

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Jede statische Zentralposition A oder B und die dynamische magnetische Mittellinie C kreuzen die dynamische magnetische Mittellinie nicht unter einem rechten Winkel, um einen Ungleichgewichtszustand hinsichtlich der Antriebsenergie zur Zeit des Selbststartens zu erzeugen. Wenn das Beispiel der statischen Zentralposition B betrachtet wird, ist ersichtlich, daß ein derart bemerkenswerter Ungleichgewichtszustand in der Antriebsenergie erzeugt wird, daß ein Versatzwinkel von 45 ° im Uhrzeigersinn oder von 135 gegen den Uhrzeigersinn gegen die dynamische magnetische Mittellinie C hervorgerufen wird, so daß eine erhebliche Differenz in der Stärke der anfänglichen Schwingungsbewegungen im Hinblick auf die bestimmte Drehrichtung beim Starten des Rotors erzeugt wird und ein Verlust an Geschwindigkeitszunahme bei der Schwingungsbewegung hervorgerufen wird.

In der Fig. 2 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Synchron-Motors für eine Uhr gemäß der Erfindung dargestellt, und es ist ersichtlich, daß in dieser Ausführungsform ein Rotor 20 sechs magnetisierte Rotorpole 21, 22, 23, 24, 25 und 26 aufweist, die entlang dem Umfang angeordnet sind. Dabei ist η diejenige positive ganze Zahl der Rotorpolzahlen, welche durch die Formel (2n +1) bestimmt werden, welche auf 1 festzusetzen ist. Folglich ist die Anordnung der Rotorpole derart getroffen, daß in bezug auf die Mitte des Rotors gegenüber von einem bestimmten Pol jeweils ein unterschiedlicher Pol angeordnet ist. Mit anderen Worten, in bezug auf die Mitte sind gegenüber von den Rotorpolen 21, 23 und 25, die als N-PoIe ausgebildet sind, die Rotorpole 24, 26 und 22 angeordnet, die S-PoIe darstellen. Jeder der sechs Rotorpole hat einen Versatzwinkel oder einen Teilungswinkel von 60 °.

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Benachbart zu dem Rotor 20 sind acht Statorpole getrennt voneinander und durch einen Luftspalt von dem Rotor getrennt angeordnet. Diese acht Statorpole sind auf einem Paar von Statorplatten 30 und 40 angeordnet. Die Statorplatten 30 und 40 haben insgesamt acht Statorpole 31, 32, 33, 34 und 4-1, 42, 43 und 44, und η der Statorpol zahl en, die nach der Formel 2 (2n + 1) + 2 berechnet werden, ist gemäß der Lehre der Erfindung auf 1 zu setzen. Gemäß der Erfindung sind die Statorpole der Statorplatten 30 und 40 nicht äquidistant zueinander angeordnet. Mit anderen Worten, in einem bestimmten Bereich ist zwischen den Statorpolen ein unterschiedlicher Vinkelabetand vorhanden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die jeweiligen Teilungswinkel der Statorpole 31 und 32, 33 und 34, 41 und 42, 43 und 44 auf den halben Wert des Rotorpol-Teilungswinkels eingestellt, d.h. 30 °, während die Rotorpole 32 und 33, 42 und 43 auf Teilungswinkel von 90 ° eingestellt sind, was dem 1,5-fachen Wert des Rotorpol-Teilungswinkels entspricht. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind auch die Statorpole 31 und 44 sowie 34 und 41, die benachbart zueinander dem Statorluftspalt 100 zugewandt sind, der zwischen den Statorpolen der beiden Statorplatten 30 und 40 liegt, unter einem Teilungswinkel von 30 ° angeordnet, der dem halben Wert des Rotorpol-Teilungswinke Is entspricht.

Der Stator, welcher aus den beiden Statorplatten 30 und gebildet ist, ist magnetisch mit einer Erregerspule 50 gekoppelt. Mit anderen Worten, beide Statorplatten 30 und sitzen fest auf einem Kern 52 der Erregerspule 50 und sind mit Hilfe von Schrauben 54 und 56 dort "befestigt. Gemäß der Erfindung ist es möglich, auch andere Befestigungselemente als Schrauben zu verwenden, beispielsweise Befestigungsklammern usw., um die Statorplatten 30 und 40 an dem Kern 52 zu befestigen.

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In der Pig. 3 ist ein elektrisches Wechselsignal in der Form einer Rechteckwelle dargestellt, die von einem Kristalloszillator oder einer anderen Quelle geliefert wird. Es kann auch eine sinusförmige Welle von einem herkömmlichen Wechselstromgenerator der Erregerspule 50 zugeführt werden, um einen alternierenden magnetischen Fluß zu erzeugen, welcher der Frequenz des elektrischen Wechselsignals entspricht. Dieser alternierende Magnetfluß wird den. Statorplatten 30 und 40 zugeführt.

Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind die Rotorpolzahlen auf sechs festgesetzt, und die Gesamtzahl der Statorpole beträgt acht. Jeder Teilungswinkel der Statorpole ist auf den 0,5 oder den 1,5-fachen Wert des Rotorpol-Teilungswinkels festgelegt, und die Statorpole werden mit Hauptpolen und Zusatzpolen gebildet, die verschiedene Luftspalte gegenüber den Rotorpolen haben. Mit anderen Worten, die Staturpole 32 und 34 der Statorplatte 30 sowie die Statorpole 42 und 44 der Statorplatte 40 bilden die Stator-Hauptpole, während die Statorpole 31 und 33 der Statorplatte 30 und die Statorpole 41 und 43 der Statorplatte 40 die Stator-Zusatzpole bilden, die gegenüber den Rotorpolen einen größeren Luftspalt haben als die Hauptpole. Gemäß der in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind zwei Hauptpolpaare 32-42 sowie 34-44 und zwei Hilfspolpaare 31-41 sowie 33-^3 durch das Zentrum des Rotors 20 gebildet.

Es ist ersichtlich, daß in jeder der Statorplatten 30 und 40 bei der dargestellten Ausführungsform die Hauptpole immer gegenüber den Zusatzpolen, im Uhrzeigersinn gesehen, in der vorderen Position angeordnet sind. Vorzugsweise ist vorgesehen, daß das Luftspaltverhältnis zwischen dem Hauptpol und dem Zusatzpol gegenüber den Rotorpolen auf einen Bereich eingestellt ist, der größer als 1 und kleiner als 1,4 ist.

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Me Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung, die aus dem Rotor und dem Stator gemäß der Fig. 2 gebildet ist. Eine Rotorwelle 60 ist drehbar in einer Hauptplatte 62 und einer Stützplatte 64- gelagert. Der Rotor 20 ist an einem Rotorpolhalter 66 angebracht, der seinerseits an der Rotorwelle 60 befestigt ist. Die Rotorwelle 60 ist an einem Rotorritzel 68 angebracht, die mit einem an sich bekannten Anzeigegetriebe im Eingriff steht. Die Drehung des Rotors 20 wird über ein entsprechendes Getriebe auf die zur Anzeige der Zeit dienenden Zeiger übertragen. Weiterhin ist an der Rotorwelle 60 eine Dämpfungsplatte 70 lose angebracht, welche dazu dient, den Rotor gegen externe Stöße und Vibrationen zu schützen und die Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 20 zu vermindern. Auf der Seite des Rotors 20 sind die Statorplatte 30 und die Statorplatte 40 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform sind diese Statorplatten 30 und 40 durch massive Platten gebildet, die aus Permalloy usw. bestehen können, mit einem Bestandteil von 70 % Nickel, es ist jedoch auch möglich, die Statorplatten aus einzelnen Permalloy-Schichten oder aus elektromagnetisch weichen Eisenplatten zu bilden.

Die dynamischen magnetischen Mittellinien des Stators bei der bevorzugten Ausführungsform im Betrieb sind bei Y und bei Z dargestellt. Gemäß der Erfindung sind die dynamischen magnetischen Mittellinien die elektromagnetischen Kraftwirkungs-Mittellinien zwischen dem Stator und dem Rotor, wenn das elektrische Wechselsignal die Erregerspule erregt und der alternierende Magnetfluß erzeugt wird, und sie sind für die magnetischen Kraftwirkungslinien benachbart zu dem Statorluftspalt der angrenzenden Statorplatten 30 und 40 festgelegt. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der N-PoI 21 des Rotors 20, wenn die ßotorplatte 30 zum S-PoI

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und die Statorplatte 40 zum N-PoI wird, magnetisch in derjenigen Stellung angezogen, in welcher er gegenüber von dem Statorhauptpol 32 und von dem Stator-Zusatzpol 31 angeordnet ist, während der N-PoI 21 magnetisch in derjenigen Stellung angezogen bleibt, in welcher er gegenüber von dem Statorhauptpol 44 und dem Stator-Zusatzpol 43 angeordnet ist, wenn die Erregerspule 50 entgegengesetzt erregt ist. Aus den obigen Erläuterungen geht hervor, daß die dynamischen magnetischen Mittellinien die in öfer Fig. 2 mit T und Z bezeichneten Linien sind. Die dynamischen magnetischen Mittellinien werden zu geometrischen Mittelpositionen des Hauptpols 44 und des Zusatzpols 43 bzw. des Hauptpols 32 und des Zusatzpols 31» jedoch sind die dynamischen magnetischen Mittellinien X und Z etwas gegenüber den geometrischen Mittellinien der Hauptpole und der Zusatzpole im Uhrzeigersinn versetzt, da die Luftspalte der Zusatzpole 31 und 43 gegenüber dem Rotor 20 etwas breiter sind als diejenigen der Hauptpole 32 und 34.

Während oben die dynamischen magnetischen Mittellinien beschrieben wurden, wird eine statische Mittelposition des Rotors 20 nachfolgend erläutert.

In der Fig. 2 ist ein Zustand veranschaulicht, in welchem das elektrische Wechselsignal der Erregerspule 50 nicht zugeführt wird. In dem veranschaulichten Zustand bleibt der Rotor 20 in einer statisch stabilen Position. Die Mittellinie des Rotorpols über den Statorluftspalt 100 ist zu dieser Zeit als die statische Mittelposition des Rotors bestimmt. Wie aus der Anordnung der Rotorpole und der Statorpole gemäß der obigen Beschreibung hervorgeht, geht der durch den Pfeil 0 bezeichnete Magnetfluß durch die Statorpole, und in einem derartigen Zustand wird die statisch stabile Position des Rotors erreicht. Die statische Mittelposition des Rotors, mit einer Verbindung der Mittellinie des N-Rotorpols 21 und des S-Rotorpols 24 ist somit durch X dargestellt. Die statische

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Mittelposition X ist etwas gegen den Uhrzeigersinn gegenüber der Mittellinie des Statorluftspaltes 100 versetzt, wodurch verschiedene magnetische Kopplungskräfte der Statorhauptpole und der Stator-Zusatzpole zu dem Rotor bei dieser Ausführungsform hervorgerufen werden. Bei dieser Ausführungsform wird durch die Anordnung, daß die Hauptpole immer im Uhrzeigersinn gegenüber den Zusatzpolen versetzt sind, ein oben erläuterter Versatzwinkel erzeugt.

Die statische Mittelposition X des Rotors 20 wird gemäß den obigen Erläuterungen erreicht, und die geometrische Mittellinie P der oben erwähnten dynamischen magnetischen Mittellinien Y und Z fallen fast mit der statischen Mittelposition X zusammen, obwohl die unterschiedliche magnetische Kopplung zwischen den Rotor- und den Stator-Hauptpolen sowie den Zusatzpolen den Versatzwinkel Q erzeugt. Mit anderen Worten, die statische Mittelposition X ist fast in der Mitte der dynamischen magnetischen Mittellinien Y und Z angeordnet, so daß die nicht im Gleichgewicht befindliche Selbststart-Antriebsenergie, die entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn verschoben ist, und zwar zur Zeit der selbststartenden Schwingung, fast zu vernachlässigen ist.

Weiterhin wird die statische Mittelposition der Rotorpole in dem statischen Zustand des Rotors, wenn das elektrische Wechselsignal nicht an. die Erregerspule 50 geliefert wird, nachfolgend im einzelnen beschrieben.

Wie oben bereits erläutert wurde, geht der magnetische Fluß, der durch den Pfeil 0 dargestellt ist, durch die Statorpole von den Rotorpolen aus hindurch. Der magnetische Fluß von dem N-PoI 21 erreicht beispielsweise den benachbarten S-Rotorpol 22 über einen magnetischen Pfad, wobei der kleinste magnetische Widerstand aus dem Statar-Zusatzpol 31 und dem Stator-Hauptpol 32 der Statorplatte 30 ge-

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bildet wird. In derselben Weise geht der magnetische Fluß von dem N-Rotorpol 23 zu dem S-Rotorpol 24 über den magnetischen Pfad, welcher aus dem Zusatzpol 33 und dem Hauptpol 34 besteht, und der magnetische Fluß von dem N-Rotorpol erreicht den S-Rotorpol 24 über den magnetischen Pfad, welcher aus dem Hauptpol 42 und dem Zusatzpol 41 besteht. Schließlich erreicht der magnetische Fluß von dem N-Rotorpol 21 den S-Rotorpol 26 über denjenigen magnetischen Pfad, der aus dem Hauptpol 44 und dem Zusatzpol 43 gebildet wird. Gemäß den obigen Erläuterungen fließt im statischen Zustand des Rotors der magnetische Rotorpol-Fluß über diejenigen magnetischen Pfade, die den kleinsten magnetischen Widerstand aufweisen, so daß der in der Fig. 2 dargestellte, stabile statische Zustand erreicht wird. Somit ist in diesem Zustand gewährleistet, daß die angrenzenden N- und S-Rotorpole eine gegenüberliegende Stellung in bezug auf die angrenzenden Stator-Hauptpole und -Zusatzpole einnehmen. In diesem Falle, und zwar in einer solchen Position, daß ein ^otorpol, beispielsweise der N-PoI 21 dem benachbarten Stator-Hauptpol 31 zugewandt ist und auch dem Zusatzpol 33» erreicht der magnetische Fluß des N-Rotorpols 21 den S-Rotorpol, beispielsweise den Statorpol 24 oder 26, über den magnetischen Pfad mit dem großen magnetischen Widerstand, welcher aus den Statorplatten 30 und 40 besteht. In diesem Fall wird der magnetische Widerstand erheblich größer als derjenige bei der Anordnung nach der Fig. 2. Der Rotor nimmt keine solche statische Position ein, die statische Position der Fig. 2 wird jedoch in dem statischen Zustand ohne Schwierigkeit erreicht.

In dem oben beschriebenen statischen Zustand des Rotors in der Fig. 2, wenn das elektrische Wechselsignal der Erregerspule 50 zugeführt wird, werden die Statorplatten 30 und in der Weise erregt, daß sie abwechselnd zu N- und zu S-Polen werden. Wenn die Statorplatte 30 zu einem S-PoI erregt wird,

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beginnt der Rotor 20, sich im Uhrzeigersinn zu drehen. Wenn der Statorpol 30 zu einem N-PoI erregt wird, beginnt der Rotor 20, eine Schwingung gegen den Uhrzeigersinn auszuführen. Es kann unverzüglich eine selbststartende synchronisierte Drehung induziert werden, weil die statische Mittelposition X des Rotors 20 annähernd in der Mitte der dynamischen magnetischen Mittellinien T und Z angeordnet ist, so daß in diesem Fall die Antriebsenergie in beiden Richtungen ausgeglichen ist. Da das Selbststarten gemäß der Erfindung nicht durch Verlußt beeinträchtigt wird, die in einem Ungleichgewichtszustand bei der statischen Mittelposition X hinsichtlich der Antriebsenergie auftreten können, wird verhältnismäßig rasch ein selbsttätiges Anlaufen erreicht, durch welches sofort eine synchronisierte Drehung mit konstanter Geschwindigkeit gewährleistet wird.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liefern die unterschiedliche magnetische Kopplungsenergie des Statorhauptpols und des -Zusatzpols beim Rotor den geringfügigen Unterschied in der effektiven Antriebsleistung zu der Zeit des selbsttätigen Anlaufens so daß auf diese Weise das selbsttätige Anlaufen in einer bestimmten Richtung herbeigeführt werden kann. Mit anderen Worten, es besteht der Versatzwinkel Q zwischen der statischen zentralen Mittelposition X des Rotors 20 und der Mittellinie P der dynamischen magnetischen Mittellinien Y und Z des Stators, und der Start aus dieser statischen Position erzeugt einen Unterschied in der effektiven Antriebsenergie. Wenn bei der Darstellung in der Fig. 2 die Statorplatte 30 derart erregt wird, daß sie zu einem S-PoI wird, wird der N-Rotorpol 21 im Uhrzeigersinn bewegt. Mit anderen Worten, es wird eine erhebliche Antriebskraft auf den Rotor wirksam, welche zwischen dem Stator-Hauptpol 32 und dem -Zusatzpol 31 und dem Rotorpol 21 wirksam wird, wenn der Rotor derart rotiert, daß er um 30 ° ausgelenkt wird, und diese Kraft wirkt im Uhrzeigersinn, da die dynamische magnetische Mittellinie Z des Stators zur Antriebsseite hin (im Uhrzeigersinn) gegenüber

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Mittelposition des Rotorpols 21 versetzt ist. Wenn andererseits die Statorplatte 40 derart erregt wird, daß sie zu einem S-PoI wird, wird der U-Rotorpol 21 gegen den Uhrzeigersinn bewegt. Mit anderen Worten, die erhebliche Antriebskraft, die auf den Rotor wirkt und zwischen dem Stator-Hauptpol 44 und dem Zusatzpol 43 und dem ^otorpol 21 erzeugt wird, wenn der Rotor derart rotiert, daß er um 30 ° ausgelenkt wird, wirkt als eine Kraft, welche die Antriebskraft im Uhrzeigersinn vermindert, weil die dynamische magnetische Mittellinie T des Stators auf von der Antriebskraft abgewandten Seiten (im Uhrzeigersinn) gegenüber der Mittelposition des Rotorpols 21 liegt. Polglich wird die große Antriebskraft, welche im Uhrzeigersinn wirkt, immer auf den Rotor wirksam, so daß die für den selbsttätigen Anlauf vorgesehene Drehrichtung auf eine bestimmte Richtung eingestellt wird, wenn die Einrichtung in eine synchronisierte Rotation mit konstanter Geschwindigkeit übergeht. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzeugt der Rotor 20 eine Drehung im Uhrzeigersinn mit konstanter Geschwindigkeit und synchronem Lauf in praktisch allen Fällen, und es wird darüber hinaus eine bestimmte Drehrichtung erreicht. Gemäß der Erfindung ist es möglich, zusätzlich eine an sich bekannte Einrichtung einzubauen, welche eine Drehung im entgegengesetzten Sinn verhindert, so daß die Rotation des Rotors 20 in einer bestimmten Richtung mit absoluter Sicherheit gewährleistet ist.

Die Rotation des Rotors 20 beim selbsttätigen Anlaufen kann als parametrische Antriebsschwingung aufgefaßt werden, und die Bewegungsgleichung der zunächst schwachen Schwingung des Rotors 20, die auftritt, nachdem das alternierende Eingangssignal die Erregerspule 50 erregt hat, läßt sich folgendermaßen formulieren:

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Ja $-£ +Y ££ + f 2 PTs + \ti KImcosöJt) ff = - ^2 KImsinwt dt^ dt \ 2 / 2

In der Gleichung haben die Bezeichntuagen folgende Bedeutung:

Ja: Trägheitsmoment der Rotorwelle

^f : Hydraulischer Widerstand

P : Rotor-Pol-Logarithmus

Ts: Beharrungsmoment (statisches Drehmoment, welches

an dem Rotor ohne Eingangsenergie angreift)

K : Elektrokinetischer Kopplungsfaktor

Im: Standard-Wellenkomponente des elektrischen Stromes

O) : Winkelfrequenz der Energiequelle

d : Drehwinkel des Rotors

Die geeignete Auswahl der Parameter der obigen Gleichung für die Bewegung des Rotors läßt den Drehwinkel Θ des Rotors 20 als Punktion der Zeit anwachsen, und es tritt der Rotor in eine synchronisierte Rotation mit konstanter Drehgeschwindigkeit ein, wenn dieser Drehwinkel 6 den Winkel von JO ° überschritten hat.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, könnte die Anordnung gemäß der Erfindung auf das Ungleichgewicht der Antriebsenergie zur Zeit des selbsttätigen Anlaufens des Rotors 20 in der Drehrichtung verzichten, weil die statische Mittelposition X des Rotors 20 in der Nähe der Mitte der dynamischen magnetischen Mittellinien Y und Z der Statoren liegt, und es würde dennoch ein extrem rasches selbsttätiges Anlaufen ge\rährleistet, weil die elektromagnetische Energie zwischen den Statoren und dem Rotor effektiv und mit gutem Wirkungsgrad für oine zunehmende Rotation genutzt wird. Der gemäß der Erfindung ausgebildete Rotor 20 hat mindestens sechs Rotorpole, und es kann der Drehwinkel zum Eintreten in die synchronisierte Rotation

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mit konstanter Geschwindigkeit außerordentlich klein gehalten werden, und zwar im Vergleich zu einer herkömmlichen Einrichtung, weil die Statorpole gemäß den obigen Ausführungen angeordnet sind. Der Drehwinkel wird auch "bei den sechs Rotorpolen gemäß der Fig. 2 zu 30 °, «nd er kann im Vergleich zu den 90 ° der "bekannten Einrichtung auf ein Drittel vermindert werden, wodurch es ermöglicht wird, daß ein besonders rascher Anlauf selbsttätig und zuverlässig erreicht wird. Die statische Mittelposition X fällt bei der veranschaulichten Ausführungsform nicht immer mit der Mittellinie P der dynamischen magnetischen Mittellinien Y und Z der Statoren zusammen, weil der Statorpol aus Hauptpolen und Zusatzpolen besteht und einen bestimmten Versatzwinkel Q aufweist. Die gleiche magnetische Kopplungsenergie der Hauptpole und der Zusatzpole zu dem Rotor könnte jedoch zu einer vollständigen Koinzidenz von X mit P führen (überlappt in der Mittelposition des Statorluftspaltes 100) und könnte das Ungleichgewicht der Antriebsenergie zur Zeit des selbsttätigen Anlaufens vernachlässigen. Bei der Ausführungsform nach der Fig. 2 sind sechs Rotorpole vorgesehen, und es sind insgesamt acht Statorpole vorhanden. Durch eine entsprechende Festlegung von η kann die Gesamtzahl der Statorpole jedoch auch auf zwölf festgelegt werden, gegenüber einer Gesamtzahl von zehn Rotorpolen, und es können auch insgesamt 16 Statorpole gegenüber 14 Rotorpolen vorhanden sein. Die Anzahl der Rotorpole, geteilt durch 2 (2n +1) kann eine solche magnetische Polanordnung ergeben, daß die N- und die S-PoIe einander in bezug auf den Mittelpunkt des Rotors gegenüberstehen, und es wird dadurch eine besonders günstige Eigenschaft der entsprechenden Einrichtung erreicht, weil die Magnetisierung des Rotors durch eine derartige Anordnung besonders günstig ist. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Anzahl der Rotorpole und der Statorpole so gewählt wird, daß unabhängig von den oben erwähnten Formeln 2 (2n +1) oder 2 (2n + 1) + 2 auch andere Anzahlen von Polen willkürlich vorgesehen werden können.

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Gemäß der Erfindung kann die synchronisierte Geschwindigkeit des Rotors gering gehalten werden, während das synchronisierte Drehmoment groß ist, weil die Anzahl der Rotorpole und die Anzahl der Statorpole im Vergleich zu der herkömmlichen Einrichtung wesentlich größer sind. Folglich kann die Abnutzung in der Lagerung des Rotors auf ein Minimum reduziert werden, und es kann eine Dauerschmierung vorgesehen werden. Außerdem wird das Geräusch "bei der Drehung des Rotors auf ein Minimum beschränkt.

Da "bei der Ausführungsform nach der Fig. 2 die Ausbildung des Stators durch die Hauptpole und die Zusatzpole, welche eine unterschiedliche magnetische Kopplung gegenüber dem Rotor aufweisen, zur Einhaltung einer bestimmten Drehrichtung des Rotors 20 ausgenutzt werden kann, eignet sich der erfindungsgemäße Synchron-Motor besonders gut für eine Einrichtung, bei welcher eine bestimmte Drehrichtung besonders wesentlich ist. Gemäß der Erfindung wird der Unterschied der magnetischen Kopplung zwischen dem Hauptpol und dem Zueatz durch den Unterschied im Luftspalt gegenüber dem Rotor erreicht, und es kann dieselbe Wirkung auch dadurch erzielt werden, daß die Polbreite unterschiedlich ausgebildet wird, indem der Hauptpol breiter ausgebildet wird als der Zusatzpol.

Der erfindungsgemäße Synchron-Motor kann gemäß den obigen Ausführungen bei der synchronen konstanten Drehgeschwindigkeit mit besonders gutem Wirkungsgrad arbeiten, und er weist besonders günstige Eigenschaften im Hinblick auf einen zuverlässigen selbsttätigen Anlauf auf, da die Rotorpolzahlen und die Statorpolzahlen zueinander in einer bestimmten Beziehung stehen und die Statorpole in einer nicht äquidistanten Anordnung angebracht sind.

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In der Fig. 5 ist eine graphische Darstellung veranschaulicht, in welcher das Drehmoment über der Spannung aufgetragen ist. Die Spannung (V) ist auf der horizontalen Achse aufgetragen, und das Drehmoment (g-cm) ist auf der vertikalen Achse dargestellt. Die Kennlinie (I) stellt den bekannten Motor dar, und die Kennlinie (II) veranschaulicht den erfindungsgemäßen Motor. Bei der Kennlinie des bekannten Motors ist die Antriebsfrequenz 8 Hz, und das alternierende elektrische Signal mit einem Tastverhältnis von 50 % treibt eine in der Fig. 1 dargestellte Einrichtung an. Die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors ist mit 480 U/min angegeben. In derselben Weise beträgt bei der Kennlinie für den erfindungsgemäßen Motor die Antriebsfrequenz 16 Hz, und das alternierende elektrische Signal mit einem Tastverhältnis von 50 % treibt den in der Fig. 2 dargestellten Motor an. Die Drehgeschwindigkeit des Rotors ist dabei mit 320 ü/min angegeben.

Die Fig. 6 veranschaulicht eine Spannungs- und Strom-Verbrauchs-Kennlinie. Die Spannung (V) ist auf der horizontalen Achse dargestellt, und der Stromverbrauch fyaA) ist auf der vertikalen Achse dargestellt. Die Antriebsbedingungen jedes Motors stimmen mit denjenigen gemäß der Fig. 5 überein.

Der Wirkungsgrad des herkömmlichen Motors einerseits und des erfindungsgemäßen Motors andererseits kann aus den in den Fig. 5 und 6 dargestellten Kennlinien gemäß der nachfolgenden Beschreibung ermittelt werden.

Die Spannung der Energieversorgungsquelle beträgt 1,5V, und der Wirkungsgrad des bekannten Motors (I) ergibt sich mit 12,30 %, und zwar aus dem Drehmoment von 0,0158 g-cm und der elektriechen Stromaufnahme von 280 A.

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Andererseits ergibt sich der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Motors (II) mit 23,70 %, und zwar aus dem Drohmoment von 0,0254 g-cm und der elektrischen Stromaufnahme von 235 A.

Somit ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Motor eine Verbesserung um mehr als 10 % im Wirkungsgrad in bezug auf den bekannten Motor gewährleistet.

Selbst dann, wenn ein Zusatzpol durch den Hauptpol ersetzt würde, könnnten die übrigen Zusatzpole praktisch dasselbe Verhalten beim selbsttätigen Anlaufen gewährleisten, wenn die Gesamtzahl der Elemente der Statorpole im Falle von 12, 16 oder 20 vorhanden wäre, obwohl die Stator-Hauptpole und die Stator-Zueatzpole bei der dargestellten Ausführungsform jeweils auf dieselbe Zahl gebracht sind.

Gemäß den obigen Ausführungen wird durch die Erfindung der wesentliche Vorteil erreicht, daß bei einem Synchron-Motor für den Antrieb einer Uhr nicht nur ein ausgezeichneter Wirkungsgrad des Motors erreicht wird, sondern auch gute Eigenschaften hinsichtlich des selbsttätigen Anlaufens erzielt werden, so daß sich die erfindungsgemäße Einrichtung insbesondere für eine Uhr mit analoger Anzeige eignet. Außerdem ist der Verbrauch elektrischer Energie besonders gering. Die Festlegung der Anzahl von Hauptpolen und Zusatzpolen auf dem Stator kann die Startrichtung festlegen, und es kann gemäß der Erfindung somit eine Einrichtung geschaffen werden, die ein breites Anwendungsfeld aufweist.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche 2S38072

( 1. /Synchron-Motor für eine Uhr, mit einem Rotor, der eine Tlehrzahl von magnetisierten Rotorpolen entlang seinem Umfang aufweist, mit einem Stator, der eine Mehrzahl von Statorpolen aufweist, die benachbart zu dem Rotor, jedoch davon durch einen Luftspalt getrennt, angeordnet sind, und mit einer Erregerspule, welche dem Stator einen alternierenden magnetischen Fluß zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Anzahl der Rotorpole des Rotors (20) 2 (2n +1) beträgt und die Anzahl der Statorpole 2 (2n + 1) + 2 beträgt, wobei η eine positive ganze Zahl ist, daß die Statorpole jeder Statorplatte (JO, 40) auf nicht äquidistanten Winkelabständen angeordnet sind, daß die statische Mittelposition der Rotorposition im wesentlichen in der Mitte der dynamischen magnetischen Mittellinien des Stators angeordnet sind, wodurch ein Ungleichgewicht vernachlässigt wird, welches bei der für das selbsttätige Anlaufen maßgeblichen Antriebsenergie im Hinblick auf die Auslenkungsrichtung zur Zeit des selbsttätigen Anlaufens vorhanden war.
2. Synchron-Motor nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Teilungswinkel der benachbarten Statorpole dem 0,5-fachen oder dem 1,5-fachen Teilungswinkel der Rotorpole entspricht.
3. Synchron-Motor nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole aus Hauptpolen und Zusatzpolen gebildet sind, welche mit unterschiedlicher magnetischer Kopplung mit den Rotorpolen gekoppelt sind, so daß dadurch die Richtung der beim selbsttätigen Anlaufen erreichten Rotation auf eine vorgegebene Richtung eingestäLlt werden kann.

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ORlG(NAL INSPECTED
4. Synchron-Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt zwischen den Stator-Zusatzpolen und dem Rotor größer ist als der Luftspalt zwischen den Btator-Hauptpolen und dem Botor.
5. Synchronmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt zwischen den Stator-Zusatzpolen und dem Rotor einen Wert zwischen 1 und 1,4 in bezug auf den Luftspalt zwischen den Stator-Hauptpolen und dem Rotor aufweist.
6. Synchron-Motor nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Stator-Zusatzpole "breiter ausgebildet sind als die Stator-Hauptpole.
7. Synchron-Motor nach Anspruch 3»dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptpole und die Zusatzpole alternierend angeordnet sind.
8. Synchron-Motor nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Statorplatte eine aus Schichten aufgebaute Anordnung ist.

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