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Synchronmotor für den Antrieb einer elektronischen batteriebetriebenen Uhr Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchronmotor für den Antrieb einer elektronischen batteriebetriebenen Uhr.
Es sind elektrische batteriebetriebene Uhren bekannt, bei denen mit Hilfe von Schwingquarzen elektrische Schwingungen relativ hoher Frequenz erzeugt und über Frequenzteilerschaltungen Synchronmotore angetrieben werden. Diese Uhren benötigen eine sehr sorgfältige Wartung. Sie scheiden daher aus dem Bereich allgemeiner Gebrauchsuhren aus.
Zum Zweck des Batteriebetriebs sind bekannte Federaufzugsuhren derart eingerichtet, dass ein Aufzugsmagnet in gewissen Zeitabständen die Zugfeder nachspannt. Die von der Batterie gelieferte Energie wird hierbei schubweise in der Zugfeder gespeichert und dann über das Räderwerk zur Erhaltung mechanischer Schwingungen dem Gangregler zugeführt. Der Aufzugsmagnet wird durch ein Kontaktsystem betätigt, welches durch das Uhrwerk selbst gesteuert wird. Fehlerhafte und verschmutzte Kontakte verursachen daher oft Gangstörungen. Ausserdem unterliegt die Energieübertragung auf ihrem Weg über das Räderwerk mannigfachen Einflüssen, so dass eine gleichmässige Energiezufuhr nicht immer gewährleistet ist, woraus dann Schwingungen resultieren, die nicht zeitengleich sind.
Es sind weiterhin elektrische Uhren bekannt, die mittels Rückkopplungsgeneratoren verschiedener Bauart elektrische Schwingungen erzeugen, die zum Antrieb von Synchronmotoren dienen. Sofern es sich um Rückkopplungsgeneratoren handelt, die durch Transistoren gesteuert werden, entsteht eine starke Temperatur- und Spannungsabhängigkeit, welche den genauen Gang solcher Uhren nachteilig beeinflusst.
So ist beispielsweise ein Uhrenantrieb bekannt, bei welchem unruhlos mittels einer Transistor-Oszillator- schaltung ein Synchronmotor angetrieben wird. Der Synchronmotor ist mit mehreren Spulen ausgerüstet, und die Induktivitäten sind zu Bestandteilen einer Oszillator- schaltung gemacht, deren Frequenz von RC-Kreisen bestimmt wird. Hierbei ist in dem Motor eine trans- formatorische, der Rückkopplung dienende Kopplung zwischen den einzelnen Spulen vorhanden, und es werden Sperrschwinger angewandt, die sägezahnartige Schwingungen erzeugen und naturgemäss zu einem instabilen Verhalten neigen.
Dieses instabile Verhalten tritt besonders dann in Erscheinung, wenn sich die Umgebungstemperatur des Transistors ändert sowie die Batteriespannung abfällt. Es sind daher besondere Sta- bilisierungsglieder erforderlich, welche als Halbleiter ebenfalls temperaturempfindlich sind und verteuernde, der Alterung unterworfene Bauelemente darstellen.
Bekannt ist es ferner, solche Rückkopplungsgeneratoren durch Fremdsignale, beispielsweise durch das Streufeld des Lichtnetzes, synchronisierend zu beeinflussen. Hierzu ist jedoch ein ziemlich teurer Schaltungsaufwand sowie eine Antenne zum Empfangen des Syn- chronisationsstreufeldes erforderlich. Ausserdem arbeiten diese Anordnungen mit schnell laufenden Synchronmotoren, welche wiederum ein stark untersetzendes Zeigergetriebe, also eine Vielzahl beweglicher und störanfälliger Teile erfordern.
Darüber hinaus ist festzustellen, dass die in dem Synchronmotor selbst induzierte EMK rückwirkend, und zwar störend auf ein Transistor- Schwingungssystem einwirkt, indem der laufende Motor, der ausschliesslich über seine Erregerwicklung direkt oder indirekt mit den Schwingkreisen gekoppelt ist, immer versucht, die Arbeitsfrequenz von der BetriebsSoll-Frequenz wegzuziehen, wozu eben jene, diesem Umstand entgegenwirkenden, oben genannten Stabilisierungsmassnahmen mittels des Netzsignals erforderlich sind.
Weiterhin ist es bekannt, durch Oszillatorschaltung mittels Transistoren den Stator eines Ferrarisläufers zu speisen, um hierdurch schrittweisen Unruhantrieb
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zu erzeugen. Hier werden zwei Schwingungssysteme, ein elektronisches und ein mechanisches, zum Antrieb von Uhrzeigern verwandt.
Bei einer anderen bekannten Anordnung werden zwei über einen Rotor miteinander induktiv in Verbindung gebrachte und über einen Transistor als Verstärker galvanisch zusammengeschaltete Spulen derart gesteuert, dass durch Aufschaukelung beim Drehbeginn des Rotors und tangentialer Verstellbarkeit der Hilfsspule eine bestimmte Arbeitsfrequenz erzielt wird. Zwei Transistoren sollen als Polwechsler gegentaktlich die gleiche Schaltungsarbeit übernehmen, wobei die Bestimmung der Arbeitsfrequenz in der vorgeschilderten Weise stattfindet.
Eine zum Antrieb von Uhrzeigern erforderliche stete Regelmässigkeit ist damit schwerlich zu erreichen, zumal auch hier keine thermo- und spannungskompensierenden Massnahmen getroffen worden sind. Bekannt ist es ferner, zur Steuerung einer Uhr zwei besondere LC-Kreise zu verwenden, die induktiv miteinander gekoppelt sind.
Auch eine Schaltungsanordnung für kollektorlose Motoren ist bekannt, wobei der Motor zum Antrieb oder der Steuerung elektrischer Uhren dient. Der laufende Rotor erzeugt eine Wechselspannung, die einen Transistor derart steuert, dass die erzeugten Gleichstromimpulse über eine Arbeitsspule antreibend auf den gleichen Rotor einwirken. Dies ist insofern nachteilig, als der Rotor leicht in eine unkontrollierte Drehung geraten kann, da die Steuerspannung am Transistor vom Rotor selbst abhängt, und es wäre erforderlich, Korrekturglieder in Form von mechanisch schwingenden Teilen zusätzlich vorzusehen, wodurch die Hauptvorteile einer elektrischen Uhr gegenüber Uhren mit einer Unruh schon beispielsweise verlorengehen.
Schliesslich sei zum Stand der Technik noch angeführt, dass es bei Synchronmotoren allgemein bekannt ist, einen topfförmigen Stator zu verwenden. Bekannt war dies auch bei einer Synchronuhr.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Synchronmotor für den Antrieb der Zeiger oder des Räderwerks einer batteriegespeisten Uhr zu schaffen, mit dem bei günstigem Wirkungsgrad ein geringer Stromverbrauch erzielbar ist. Dies hat für batteriegespeiste Uhren grosse Bedeutung, da man einen möglichst langen Betrieb der Uhr mit einer Batterie anzustreben versucht, ferner, dass ein guter Wirkungsgrad eine wesentliche Verkleinerung des Motors erlaubt. Darüber hinaus soll eine weitgehende Thermo- und Spannungskompensation ohne grossen schaltungstechnischen Aufwand erreicht werden.
Der Synchronmotor für den Antrieb der Zeiger oder des Räderwerks einer elektronischen batteriebetriebenen, keinen mechanischen Gangordner aufweisenden Uhr, deren Betriebsspannung von einer Transistor-Oszillator- schaltung mit LC-Schwingkreisen als zeithaltendem Element erzeugt wird, deren beide Induktionsspulen innerhalb des topfförmigen Statorgehäuses mit enger Kopplung aufeinander angeordnet sind, ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass das Statorgehäuse zwei mit radialem Abstand einander gegenüberliegende mit je zwei um eine halbe Polteilung gegeneinander versetzt angeordnete Polschuhreihen versehene Statorpol- ringe aufweist, und der Rotor mit stabförmigen,
in axialer Richtung gleichnamig magnetisierten, parallel zueinander liegenden Dauermagneten zwischen die Polschuhe hineinragt. Die erfindungsgemässe Ausbildung des Synchronmotors gestattet seine Abmessungen zu redu- zieren und einen besonders gleichmässigen Betrieb bei hohem Drehmoment aufrechtzuerhalten. Es wird eine hohe Polfelddichte erreicht und ausserdem werden die magnetischen Verluste reduziert. In vorteilhafter Weise sind die Polzonen der Dauermagnete derart ausgebildet, dass der Magnetfluss an den Seitenrändern der Magnet austritt, d. h. der Magnetfluss ist an den Stirnseiten der Dauermagnete unterdrückt.
Der Rotor selbst kann zweckmässigerweise in Form einer Glocke und zur Reduzierung der Rotormasse aus Kunststoff ausgebildet sein, an deren Umfang in gleichmässigen Abständen die Dauermagnete angeordnet sind.
Die erfindungsgemässe Kennzeichnung der kompensierten Antriebsschaltung erfolgt durch die Anordnung des Transistors mit den passiven Bauelementen, vornehmlich die der Kondensatoren und des Thermowider- standes mit positivem Temperaturkoeffizienten. Dadurch wird die Kompensation zufolge kontinuierlich-veränder- licher Gleichspannungsteilung der gesamten Konden- satorstrecke, die mit den Induktivitäten in Reihe liegt, erreicht. Das von dieser Teilung herrührende Basispotential wird durch die temperaturabhängigen Transistorströme indirekt und/oder den Thermowiderstand direkt automatisch geregelt.
Ausserdem wird mit einem regelbaren Shunt der Grad der Kompensation eingestellt. Durch diese Kompensation wird erreicht, dass die aus oben angeführten Vorgängen resultierende Ampli- tudenstabilisierung einen stets gleichmässigen Lauf des Synchronmotors gewährleistet.
Anhand der Fig. 1 bis 3 wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Synchronmotors, seine Wirkungsweise sowie die Funktion der Kompensation näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Synchronmotor mit einem Schaltschema für seine Betriebsspannungs- erzeugung, welches gleichzeitig die Anordnung der Kompensationselemente angibt, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Synchronmotor in Richtung der Rotorachse, wobei die Rotorglocke teilweise weggelassen ist, Fig. 3 schematisch einen Dauermagneten.
Der von einer Batterie 1 gelieferte Gleichstrom speist einen Sinusgenerator, der durch einen Transistor 2 gesteuert wird. Die Schwingkreisinduktivität ist zugleich Erregerspule 4 und 5 und Statorgehäuse 3, 3a, 3b eines Synchronmotors. Die Induktionsspulen 4 und 5 sind mit enger Kopplung innerhalb des topfförmigen Statorgehäuses auf dessen Achse 3b angeordnet. Das Zeitnormal besteht aus der Resonanzfrequenz des LC- Schwingkreises dieses Sinusgenerators. Sie wird bestimmt durch die Abmessungen der Induktionsspulen 4 und 5 des Stators 3, 3a 3b sowie durch die Kapazitäten der Kondensatoren 6 und 7.
Die Induktionsspule 4 dient auch zur Ankopplung, d. h. der beim Einschalten der Batterie 1 auftretende Gleichstromimpuls lässt den Sinusgenerator anschwingen. Die sinusförmige Wechselspannung des Schwingkreises ist durch die Induktionsspulen 4 und 5 sowie die Kondensatoren 6 und 7 geteilt. Durch die Festlegung der Windungs- zahlen der Induktionsspulen 4 und 5 ist ein bestimmtes trausformatorisches Verhältnis eingestellt. Mit diesem Verhältnis wird die für die Erzeugung des Statorwechsel- feldes günstigste Spannung der Spule 5 erzielt.
Diese Wechselspannung, die gleichzeitig auch zur Aufrechterhaltung und Verstärkung der Schwingungen zur Basis rückgekoppelt wird, ist bei 8 zur Erzielung einer un- verzerrten Sinuskurve durch die kapazitive Teilung
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der Kondensatoren 6 und 7 in ihrer Höhe festgelegt. Durch die Gesamtkapazität der Kondensatoren wird das C des Schwingkreises bestimmt.
Bei Punkt 8 wird aber auch ausser der wechselspan- nungsmässigen Rückkopplung ein Gleichspannungspo- tential erbracht, welches von der Gleichspannungsvertei- lung über der ganzen Strecke, nämlich der Induktionsspulen 4 und 5 und der Kondensatoren 6 und 7 herrührt, und der Wechselspannung der Schwingkreise unterlagert ist. Dieses Potential dient zur Steuerung und Verstärkungsregelung des Transistors. Mithin wird also hierdurch der Kollektorstrom, welcher die im vorangegangenen Absatz genannte Funktion hat, geregelt. Gleichzeitig wird ausserdem das Potential an Punkt 8 durch die in dem Leitungszweig zum Minuspol hin liegenden Widerstände 9, 9a und 10 beeinflusst.
Der Widerstand 10 ist von Hand aus regelbar.
Mit ihm kann die Feinregulierung der Arbeitsfrequenz erfolgen. Der Widerstand 9 dagegen ist ein Thermo- widerstand - PTC-Widerstand - mit positiven Temperaturkoeffizienten, d. h. bei Erhöhung der Umgebungstemperatur nimmt sein Widerstand zu und bei Erniedrigung der Temperatur ab. Mittels des Shunts 9a wird der PTC abgeglichen und der Grad der Kompensation eingestellt.
Zunächst sei erläutert, wie die Thermokompensa- tion bei Ausserachtlassung der Wirkung des PTC-Wider- standes arbeitet. Bei Ansteigen der Umgebungstemperatur bringt der Transistor über die Basis- und Kollek- torstrecke mehr Strom. Der anwachsende Strom über die Basisleitung lädt beispielsweise den Kondensator 6 stärker auf. Ausserdem erfolgt auch ein grösserer Spannungsabfall an der Induktionsspule 4. Durch diese Vorgänge ergibt sich eine Potentialverschiebung an Punkt 8 zum Positiven hin - auf den Minuspol bezogen - und der Kollektorstrom wird wieder heruntergeregelt. Bei Temperaturerniedrigung erfolgt dieser Vorgang in umgekehrter Weise.
Das Potential an Punkt 8 verschiebt sich zum Negativen hin und regelt den Transistor herauf.
Die Intensität dieser selbsttätigen Regelung ist von dem Verhältnis der Kondensatoren 6 und 7 abhängig. Wird das einmal eingestellte Verhältnis zugunsten von Kondensator 7 verändert, so nimmt die Intensität zu. Durch die kontinuierliche Einpendelung der Kompensation versucht jedoch dieser Vorgang, sich selbst zu hemmen, so dass ein Unterkompensations-Restfehler bestehen bleibt, welcher nunmehr durch den Thermo- widerstand 9 nahezu restlos ausgeglichen wird.
Indem beispielsweise der PTC-Widerstand bei Temperaturerhöhung seinen Widerstandswert erhöht, wird der Einfluss der negativen Basisvorspannung über den Leitungszweig 9, 9a 10 geringer, und der Arbeitspunkt des Transistors zusätzlich oder weitgehend allein durch den PTC, je nach Einstellung des kapazitiven Verhältnisses, zum Positiven hin verschoben. Bei Temperaturerniedrigung erfolgt dieser Vorgang umgekehrt. Hierdurch wird der Einfluss erhöhter bzw. erniedrigter Umgebungstemperatur auf das schwingende System vorteilhaft ausgeglichen und die Amplitude des Wechselstromkreises stabilisiert.
Durch die hohe Selbstinduktion des fast geschlossenen topfförmigen Eisenkerns des Statorgehäuses 3, 3a, 3b, der beispielsweise aus einem hochpermeablen nickellegierten Weicheisen besteht, und die hohe Stromverstärkung des Transistors 2 entsteht in dem rinförmigen Luftspalt zwischen den Statorgehäuseteilen 3 und 3a ein starkes magnetisches Wechselfeld. In den Luftspalt ragt der glockenförmige, vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Rotor 11 hinein. Der Rotor 11 ist mit der Welle 12 in der Mitte gelagert. Die Welle 12 dient auch zum Antrieb der Zeiger oder des Räderwerks der Uhr. An dem Umfang des Rotors sind in gleichmässigen Abständen stabförmige Dauermagnete 13 parallel zueinander angeordnet.
Diese bestehen beispielsweise aus leichtem oxydischem Werkstoff. Sie sind in axialer Richtung gleichnamig magnetisiert, d. h. in der einen axialen Richtung sind alle Nordpole und in der entgegengesetzten Richtung alle Südpole wirksam. Die Polzonen der Dauermagnete 13 sind in vorteilhafter Weise derart ausgebildet, dass der Magnetfluss an den Seitenrändern der Magnete austritt, d. h. der Magnetfluss ist an den Stirnseiten der Dauermagnete unterdrückt (Fig. 3).
Das Statorgehäuse weist zwei mit radialem Abstand einander gegenüberliegende, mit Polschuhreihen 14, 15, 16 und 17 versehene Statorpolringe auf. Die Polschuhreihen 14, 15, 16 und 17 besitzen je Reihe die gleiche Anzahl Zähne, wie der Rotor 11 Dauermagnete aufweist. Sie sind aber um eine halbe Polteilung gegeneinander versetzt, d. h. dass einem Zahn der Reihe 14 ein Zahn der Reihe 17 und einem Zahn der Reihe 16 ein Zahn der Reihe 15 gegenübersteht. Zur Erzielung eines besseren Einlaufdrehmomentes können ausserdem die beiden Statorgehäuseteile 3 und 3a ein wenig gegeneinander verdreht sein.
Beim Einsetzen des Wechselfeldes, beispielsweise Nordpolung der Polzahnreihen 14 und 15 und Süd- polung der Polzahnreihen 13 und 17, werden alle Nordpole der Dauermagnete 13 von den Zähnen der Reihe 14 abgestossen, aber die Südpole der Dauermagnete von den Zähnen der Reihe 15 angezogen. Gleichzeitig erfolgt dieser Vorgang im umgekehrten Sinn bei den inneren Polzahnreihen, d. h. die Südpole der Dauermagnete 13 werden von den Zähnen der Reihe 17 abgestossen und die Nordpole der Dauermagnete 13 durch die Zähne der Reihe 16 angezogen. Jetzt hat der Rotor 11 die nächste Halbteilung erreicht. Das Statorfeld polt um und der ganze Vorgang wiederholt sich nun in umgekehrter Weise.
Nach kurzer Zeit kommt der Rotor 11 schliesslich in den Synchronumlauf. Die vorstehend geschilderten Vorgänge spielen sich dann in fliessender Folge ab. Dabei liegt das Maximum des Statorfeldes beider Richtungen 19 jeweils zwischen zwei Polzahnpaaren in der Mitte des Übergangs der Rotor- Dauermagnete 13. Das von den Dauermagneten induzierte Feld ist dem Arbeitsfeld des Stators in Richtung und Phase genau gleich. Die Summe aller gleichgerichteten Einzelwirkungen ergibt das Drehmoment des Rotors. Seine Drehzahl pro Zeiteinheit wird von der Frequenz des Wechselfeldes bestimmt. Bei einem vollen Sinuswechsel bewegt sich der Rotor um eine Teilung weiter.
Beträgt beispielsweise die Frequenz des Sinus- generators 48 Hz und die Anzahl der Dauermagnete 13 vierundzwanzig, so ergeben sich zwei volle Umdrehungen pro Sekunde.
Die Grobeinstellung der Arbeitsfrequenz kann bei festgelegten Werten der Kondensatoren 6 und 7 durch Abgleich der Windungszahlen der Spulen 4 und 5 unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Höhe der Rückkopplungsspannung, die auch durch das Windungszah- lenverhältnis der Spulen 4 und 5 mitbestimmt wird, erfolgen, oder auch umgekehrt, indem man kleinere Kapazitäten den Kondensatoren 6 und 7 parallel schaltet. Die Feinregulierung kann auch neben dem Regelwider-
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stand 10 durch einen in die Emitterzuleitung des Transistors 2 eingefügten regelbaren Widerstand 18 erfolgen.
Bei stillgesetztem oder herausgenommenem Rotor hat die erfindungsgemässe Antriebsschaltung die besondere Eigenschaft, bei abfallender Betriebsspannung die Arbeitsfrequenz zu erhöhen, jedoch bei laufendem Motor und Betriebsspannungsrückgang dieselbe zu erniedrigen, wobei letztere Erscheinung auf die Einwirkung der Feldstärke der Rotor-Dauermagnete zurückzuführen ist.
Durch entsprechende Dimensionierung dieser beiden Wirkungen - vornehmlich der letzteren, die ja einander entgegengesetzt gerichtet sind und sich daher aufheben, können vorerwähnte Spannungseinflüsse auf ein Minimum reduziert werden. Diese Feststellungen konnten aufgrund langer und eingehender Untersuchungen, die an einem dem Ausführungsbeispiel fast genau entsprechenden Prototyp vorgenommen wurden, einwandfrei ermittelt werden.