Gleichstrom-Mikromotor Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleich strom-Mikromotor, der bei ausserordentlich geringen verfügbaren elektrischen Leistungen selbst anlaufen und mechanische Energie abgeben kann. Der Motor soll beispielsweise bei geringen Beleuchtungsstärken in der Grössenordnung von 10 Lux bei Anschaltung an eine Photozellenbatterie in der Grösse von ungefähr 75 cm2 arbeiten. Eingehende Versuche haben gezeigt, dass unter diesen Voraussetzungen nur bei Einhaltung bestimmter Bedingungen eine Nutzleistung erzielt wird, wobei vom Bauprinzip üblicher Gleichstrommotoren abgegangen werden muss.
Es ist vor allem darauf zu achten, dass der verfügbare Strom stets in optimaler Weise zur Erzeu gung eines Antriebdrehmomentes ausgenutzt wird, was bei klassischen Gleichstrommotoren mit zusammenge schalteten Ankerspulen nicht im erforderlichen Mass zutrifft.
Der erfindungsgemässe Gleichstrom-Mikromotor ist gekennzeichnet durch getrennte Spulen, die an je zwei gegenüberliegende Kollektorlamellen angeschlossen sind, wobei in dem von den Spulen besetzten Luftspalt ein mindestens annähernd homogenes permanentmagneti sches Feld von solchem Ausmass vorhanden ist, dass die Spulen während ihrer Einschaltung in den Strom kreis stets ganz im homogenen Feld liegen. Durch diese Massnahme ist Gewähr dafür geboten, dass alle strom- durchflossenen Leiter der Spulen im praktisch homo genen Feld liegen und damit optimal zur Erzeugung des Drehmomentes beitragen.
Vorzugsweise werden die Polschuhe und der Kern des Magnetsystems so gestaltet, dass die Feldlinien des homogenen Feldes überall prak tisch radial stehen, so dass die auf die stromdurchflosse- nen Leiter wirkenden Kräfte überall in Umfangsrichtung wirken und ein maximales Drehmoment ergeben. Die Spulenlänge in Umfangsrichtung wird vorzugsweise ge ringer gewählt als die übrigen Spulenabmessungen, was einerseits die Erfüllung der oben erwähnten Bedingungen erleichtert.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Mikromotors dargestellt. Fig. 1 zeigt den Motor im Axialschnitt.
Fig. 2 zeigt den Motor teilweise in Stirnansicht, teilweise im Schnitt, und Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung der Bürsten am Kollektor des Motors.
Die Lagerflansche 1 und 2 .sind mit Rubinlagern 3 bzw. 4 versehen, wobei das Lager 4 mittels einer Regulierschraube 5 in axialer Richtung eingestellt wer den kann. Der Lagerflansch 2 ist direkt und der Lager flansch 1 über einen Ring 6 mit zwei Polschuhen 7 des Motors verbunden. Wie Fig. 2 zeigt, sind die Pol schuhe 7 mit Jochen 8 versehen, zwischen welchen ein Permanentmagnet 9 angeordnet ist.
Der Lagerflansch 2 weist einen rohrartigen Fort satz 10 auf, mit welchem ein Weicheisenkern 11 von möglichst geringer elektrischer Leitfähigkeit verbunden ist. Die Welle 12 des Motors ist mittels geschliffener Zapfen in den Lagern 3 und 4 drehbar angeordnet und durchragt Bohrungen des Fortsatzes 10 und des Kerns 11. Ein im wesentlichen zylindrischer Spulen körper oder Rotor 13 ist undrehbar auf der Welle 12 aufgesetzt und ein Fortsatz 14 des Rotors 13 trägt den Kollektor 15.
Der Spulenkörper oder Rotor 13 ist mit vier Nuten 16 versehen, deren Weite in Umfangsrich tung des Rotors weniger als 1/4 des Rotorumfangs beträgt. Der Rotor 13 besteht aus Kunststoff oder einem sonstigen geeigneten nicht magnetisierbaren Material. Die Nuten 16 bilden den Wickelraum für zwei kreuz weise angeordnete Durchmesserspulen 17, die als Sattelspulen ausgebildet sind, d. h. ihre in der Zeichnung nicht dargestellten stirnseitigen Spulenköpfe verlaufen gebogen im wesentlichen koaxial zur Motorachse.
Da mit wird vermieden, dass auf diese :Spulenköpfe durch unerwünschte Streufelder in Umfangsrichtung brem sende Kräfte einwirken. Die beiden kreuzweise ange ordneten Spulen sind vollständig voneinander getrennt und mit je zwei gegenüberliegenden Lamellen des Kol lektors 15 verbunden.
Mit dem Lagerflansch 1 sind zwei Bürstenhalter 18 aus Isoliermaterial verbunden, in welchen je zwei Kontaktfedern 19 aus einer nicht oxydierbaren Gold legierung befestigt sind. Diese Kontaktfedern 19 schlie ssen unter sich einen kleinen Winkel ein, welcher etwa dem Winkel der Lücke, d. h.
dem Winkelabstand zwi schen zwei benachbarten Kollektorlamellen entspricht, wodurch erreicht wird, dass auf alle Fälle immer min destens eine der Spulen 17 Strom erhält. Je zwei ein zusammengehörendes Bürstenpaar bildende Bürsten 19 sind mit der einen Klemme der Stromquelle verbunden.
Im Bereich einer Ausnehmung des Lagerflansches 2 ist die Welle 12 mit einem Ritzet 20 versehen, welches mit einem Zahnrad eines nicht dargestellten Unter setzungsgetriebes kämmt.
Die Arbeitsweise des dargestellten Motors ist wie folgt: Fig. 2 zeigt die Lage des Rotors 13, bei welcher sich der Kollektor in der in Fig. 3 dargestellten Lage befindet, d. h. wo die eine Spule 17 eingeschaltet und die andere ausgeschaltet wird. In diesem Augenblick können beide Spulen für kurze Zeit eingeschaltet sein.
Wie Fig. 2 zeigt, sind die Nuten 16 bzw. die Wicklungs räume der Spulen 17 sowie die Bogenlänge der Pol schuhe 7 so bemessen, dass bei dieser Stellung praktisch alle Leiter beider Spulen 17 in einem praktisch homo genen, zwischen den Polschuhen 7 und dem Kern 11 verlaufenden Magnetfeld liegen, so dass die Durch flutung aller Spulenseiten praktisch voll zur Erzeugung eines Drehmomentes beiträgt.
Kurz darauf wird die eine Spule ausgeschaltet, so dass nun der gesamte Strom fluss durch die eine Spule stattfindet, die sich weiterhin vollständig im erwähnten homogenen Feld befindet, bis sie nach einer Drehung von 90 wieder ausgeschaltet wird. Da sich, wie erwähnt, in den Umschaltmomenten alle Spulenseiten noch praktisch voll im homogenen Feld befinden, ergibt sich ohne weiteres die Tatsache, dass jede Spulenseite während ihrer ganzen Einschalt dauer in diesem homogenen Feld liegt und damit ein maximales konstantes Drehmoment ergibt.
Damit wird wiederum eine konstante Winkelgeschwindigkeit des Rotors erzielt, was für optimale Ausnützung der ver fügbaren Energie wesentlich ist, weil unter diesen Um ständen auch die Gegen-EMK des Motors stets praktisch konstant ist. Es ist damit eine ständige optimale An passung des scheinbaren Motorwiderstandes an die Stromquelle, möglich,
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was insbesondere bei Verwendung einer Photozellen batterie als Stromquelle sehr wesentlich ist, indem ein optimaler Arbeitspunkt für Motor und Photozellen batterie eingestellt werden kann, der praktisch kon stant bleibt.
Um das erwähnte praktisch homogene, radial stehende Feld im Luftspalt zu erzielen, ist es vorteil haft, die Luftspaltlänge, d. h. die Distanz zwischen den Polschuhen 7 und dem Kern 11 bedeutend geringer zu wählen .als die Distanz zwischen den sich am nächsten liegenden Stellen der Polschuhe. Das Streufeld kann unter diesen Umständen verhältnismässig niedrig gehal ten und damit der verfügbare magnetische Fluss gut ausgenützt werden.
Es hat sich herausgestellt, dass es von besonderer Bedeutung ist, den magnetischen Streufluss im Bereiche der ausserhalb der Polschuhe 7 bzw. des Kerns 11 liegenden Spulenköpfe gering zu halten. Das wird unter anderem dadurch erreicht, dass die Symmetrieebene der Polschuhe 7, der Joche ss und des Magneten 9 senkrecht zur Motorachse steht. Der grösste Teil des Streuflusses liegt bei dieser Anordnung aus naheliegen den Gründen ebenfalls in dieser Ebene und hat somit keinen Einfluss auf die aus dem Luftspalt axial vor ragenden Spulenteile.
Die folgende Tabelle gibt einen überblick über die Abmessungen und Charakteristiken eines Motors der oben beschriebenen Art, welcher zum Antrieb durch eine Photozellenbatterie bei einer Spannung 0,12 Volt und einem Strom von 50 Mikroampere geeignet ist. Diese Leistung wird beispielsweise von einer Batterie von sechs parallel geschalteten Selen-Photozellen mit einer Gesamtoberfläche von 7'5 em2 bei einer Beleuch tungsstärke von 10 Lux geliefert.
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Spannung <SEP> 0,12 <SEP> V
<tb> Strom <SEP> 0,00005 <SEP> A
<tb> Luftspaltind. <SEP> 750 <SEP> Gauss
<tb> Ankerleiter <SEP> pro <SEP> Spule <SEP> 950
<tb> Leiterlänge <SEP> 1,6 <SEP> cm
<tb> Ankergeschwindigkeit <SEP> 5,3 <SEP> cm/sec
<tb> Drehzahl <SEP> 60 <SEP> sec-'
<tb> Ankerdurchmesser <SEP> 2 <SEP> cm
<tb> Kerndurchmesser <SEP> 1,35 <SEP> cm
<tb> Kernlänge <SEP> 1,6 <SEP> cm
<tb> Polhöhe <SEP> 1,6 <SEP> cm
<tb> Poldurchmesser <SEP> 2,25 <SEP> cm
<tb> Polabstand <SEP> 1,3 <SEP> cm
<tb> Luftspalt <SEP> 0,45 <SEP> cm
<tb> Kraft <SEP> auf <SEP> beiden <SEP> Ankerseiten <SEP> 0,0114 <SEP> gr
<tb> Drehmoment <SEP> 0,0114 <SEP> gr/cm
<tb> Elektromotorische <SEP> Kraft <SEP> 0,114 <SEP> V
<tb> Ankerwiderstand <SEP> 120 <SEP> Ohm
<tb> Drahtdurchmesser <SEP> 0,
12 <SEP> mm Die Abmessungen des Motors können unter Um ständen wesentlich reduziert werden, wenn anstelle des Weicheisenkerns 11 ein Dauermagnet entsprechender Form verwendet wird, der so magnetisiert ist und wel chem anstelle der Polschuhe 7 ein Weicheisenmantel solcher Form zugeordnet ist, dass im Luftspalt ent sprechende homogene Felder entstehen. Auch in diesem Fall soll der Dauermagnet, welcher anstelle des Weich- eisenkerns 11 tritt, geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um Wirbelströme bei drehendem Rotor zu vermeiden.
Bei entsprechender Anordnung wäre es unter Umständen möglich und vorteilhaft, anstelle eines bewickelten Rotors den soeben erwähnten Permanent magneten direkt mit der Motorwelle zu verbinden und die in der erwähnten Weise durch den Kollektor ein und ausschaltbaren Spulten ortsfest um den rotierenden Permanentmagneten anzuordnen. Bei diesem Aufbau sind natürlich dem Wicklungsgewicht keine Grenzen gesetzt, so dass bei gleichen Motorströmen stärkere Durchflutung und damit höhere Drehmomente erzielt werden könnten.
Die Abmessungen können innerhalb gewisser Gren zen frei gewählt werden. Die Windungszahl pro Spule kann z. B. zwischen 500 und 1200 gewählt werden, wobei sich die Luftspaltinduktion etwa umgekehrt pro portional der Windungszahl verhalten soll, um ent sprechende Verhältnisse zu erzielen.