DE1261242C2 - Zeigerwerksantrieb fuer eine batteriegespeiste, selbstaendige uhr mit einem kommutatorlosen motor - Google Patents
Zeigerwerksantrieb fuer eine batteriegespeiste, selbstaendige uhr mit einem kommutatorlosen motorInfo
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Description
zusätzlichen Synchronmotors mit einem Impulserzeuger für die Synchronisierung mit der Netzfrequenz,
ergeben sich hierbei die folgenden Schwierigkeiten:
Der Leistungsüberschuß des Motors darf mit Rücksicht auf die Forderung, mittels des magnetisch
gekoppelten Blattfederschwingers synchron weiterzulaufen, nur ganz gering gewählt werden, wobei auch
die Batteriespannung auf einen sehr konstanten Wert gehalten werden muß. Beim Betrieb der Anlage als
Nebenuhr hat der Motor daher praktisch keine Leistungsreserve und bleibt schon bei der geringsten Belastungszunahme,
z. B. beim Zeigerstellen entgegen der Zeigerdrehrichtung, stehen. Wird andererseits ein
höherer Leistungsüberschuß des Motors gewählt, so ist es unmöglich, bei Fortfall der Synchronisierungsspanrrung
die Anlage als selbständige Uhr weiterzubetreiben, da die vorgesehene Hemmung durch den
mit dem Rotor magnetisch gekoppelten Blattfederschwinger eine nur geringe Antriebsbegrenzung darstellt
und der Motor eine erheblich höhere Drehzahl als die synchrone Drehzahl annimmt.
Nach einem anderen Stand der Technik (FR-Zusatz-PS 68 406, Fig. 19) erhält der Zeigerwerksmotor
einen kräftigen, aus lamelliertem Weicheisen bestehenden Stator mit einer Steuer- und einer Antriebsspule, wobei der permanentmagnetische Rotor
über seine Polschuhe hinaus axial verlängert ist. An dem Stator des Motors sind ferner zu beiden Seiten
des Rotors je ein Blattfederschwinger vorgesehen, an deren Enden je ein Permanentmagnet befestigt ist,
der in geringem Abstand über dem verlängerten Rotor liegt. Als Stromquelle wird ein in dem Arbeitskreis
des Transistorschaltverstärkers gelegener Akkumulator oder eine Trockenbatterie benutzt. Für den
Betrieb als Nebenuhr dient ein Netztransformator mit einer Sekundärwicklung, die über eine Diode parallel
zu der Steuerspule des Motors geschaltet ist. Außerdem ist ein Widerstand zwischen dem einen
Pol der beiden Wicklungen und der Basis des Transistors vorgesehen. Der von dem Transistormotor
erzeugten Steuerspannung kann somit die Netzfrequenz überlagert werden, so daß der Motor mit der
Netzfrequenz synchronisiert wird. Fällt die Netzfrsquenz aus, so läuft der Motor infolge der Selbststeuerung
seines Eigenantriebes weiter, wobei die Blattfederschwinger seine Drehzahl stabilisieren.
Auch diese Einrichtung stellt, soweit sie als selbständige Uhr arbeiten soll, nur eine Behelfsuhr mit
geringer Ganggenauigkeit dar, deren Wirkungsgrad sehr klein und deren Empfindlichkeit gegenüber
Spannungsschwankungen der Stromquelle und gegenüber Temperaturschwankungen sehr groß ist.
Bei einem anderen Stand der Technik (FR-Zusatz-PS 68 406, Fig. 20) wird der Zeigerwerksmotor wie
ein üblicher Synchronmotor betrieben und sein Weicheisenjoch nur mit einer Erregerspule versehen,
wobei diese Erregerspule parallel zu der Antriebsspule eines batteriegespeisten transistorgesteuerten
Blattfederschwingers liegt. Dieser Blattfederschwinger taucht mit einem Magneten in seine Antriebsspule und mit einem gegenüberliegenden Magneten
in eine Steuerspule eines Transistorschaltverstärkers ein. Koaxial zu der Steuerspule ist eine Synchronisierungsspule
vorgesehen, die über eine Diode mit der Sekundärwicklung eines Netztransformators in
Reihe geschaltet ist. Es handelt sich hier um eine nahezu selbständige Uhr, die mit einer Frequenz von
50/3 Hz betrieben wird und die durch das Wechselstromnetz mit 50 Hz synchronisiert werden kann, dabei
wirkt abwechselnd ein Antriebsimpuls der Synchronisierungsspule und ein Antriebsimpuis der An-
triebsspule auf den Magneten des Blattfederschwingers ein.
Diese Uhr hat im Prinzip die gleichen. Eigenschaften wie die im vorausgehenden beschriebene. Bei
Ausfall der Netzfrequenz läuft sie infolge der Selbststeuerung des Blattfederschwingers als selbständige
Uhr weiter, wobei sie jedoch wegen der geringen Schwingungsgüte des Blattfederschwingers, dessen
große Empfindlichkeit gegenüber Sparmungsschwankungen der Stromquelle, Temperaturschwankungen
und Belastungsänderungen des Zeigerwerksmotors nur eine für eine selbständige Uhr nicht tragbare geringe
Ganggenauigkeit aufweist. Durch den mit einem Weicheisenjoch versehenen Synchronmotor
hat sie außerdem einen geringen Wirkungsgrad.
Es ist ferner speziell für die Versorgung des Bordnetzes eines Schiffes mit zeitgenauen Wechselspannungsimpulsen
bekannt (FR-Zusatz-Ps 73 591, Fig. 1 bis 3), zum Antrieb eines am Eingang einer Verstärkeranlage vorgesehenen kleinen Impulsgene-
as rators einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit
permanentmagnetischem Rotor vorzusehen, dessen Stator ebenfalls eine als Luftspule ausgebildete
Steuer- und Antriebsspule aufweist, die mittels einer Batterie und eines Transistorschaltverstärkers den
Motor in Umdrehungen halten. In dem Arbeitskreis dieses Transistors liegt die Bmitter-Kollektor-Strecke
eines zweiten Transistors, in dessen Steuerkreis eine von einem transistorgesteuerten Unruhschwinger mittels
eines kleinen Magneten beaufschlagte Steuerspule liegt. Die Anlage ist so ausgelegt, daß durch
eine Drucktaste der Arbeitskreis dieses zweiten Transistors kurzgeschlossen wird, wodurch der Motor von
selbst anläuft. Nach Öffnen dieser Drucktaste wird der Motor durch den Unruhschwinger synchronisiert.
Dieser Motor dient ausschließlich zum Antrieb eines Impulserzeugers für eine Nebenuhranlage und
hat somit eine konstante Belastung. Aus Sicherheitsgründen wird er mit einem hohen Leistungsüberschuß
gebaut und von einem kräftigen Akkumulator betrieben. Dieser Leistungsüberschuß wird nach dem Anlassen
des Motors durch den in den Arbeitskreis des Motors in Serie geschalteten zweiten, von dem Unruhschwinger
gesteuerten Transistor so weit reduziert, daß er mit synchroner Drehzahl umläuft.
Der mit dieser Anlage verbundene technische Aufwand spielt wegen der großen Zahl der von einer
solchen Uhrenzentrale angetriebenen Nebenuhren nur eine untergeordnete Rolle. Für eine selbständige batteriebetriebene
Einzeluhr wäre er nicht tragbar.
Nach einem anderen Stand der Technik (FR-Zusatz-PS 73 591, Fig. 13) dient zum Antrieb des
Zeigerwerks einer Uhr ein mit einem permanentmagnetischen Rotor versehener kollektorloser Motor,
dessen Stator in einem magnetischen Zweig einen Permanentmagneten und in einem zweiten magnetischen
Zweig eine Antriebsspule aufweist. Diese Antriebsspule liegt im Arbeitskreis eines batteriebetriebenen
Transistorschaltverstärkers, in dessen Steuerkreis eine Generatorspule liegt, die von einem
sich selbst steuernden batteriebetriebenen Drehschwinger Steuerimpulse erhält. Der Rotor des Zeigerwerksmotors
ist ferner mit einem weiteren permanentmagnetischen Rotor versehen, der in einer Ge-
neratorspule Impulse zum eventuellen Betrieb von Nebenuhren erzeugt. Umgekehrt ist koaxial zu der
Antriebsspule des Stators eine zweite Spule vorgesehen, die mit Spannungsimpulsen beschickt werden
kann, um diese Uhr auch als Nebenuhr betreiben zu können.
Durch das verwendete Weicheisenjoch dürfte dieser Zeigerwerksmotor jedoch nur einen geringen
Wirkungsgrad aufweisen, so daß es kaum möglich erscheint, das Zeitnormal und den Zeigerwerksmotor
zusammen, z. B. ein Jahr, mit einer Trockenbatterie zu betreiben. Bei einem solchen Motor bestehen auch
Schwierigkeiten, ihn vom Stillstand auf synchrone Drehzahl zu bringen und zu verhindern, daß er bei
Belastungsstößen außer Tritt fällt und dann stehenbleibt.
Nach einem anderen Stand der Technik (FR-Zusatz-PS 67134, Fig. 1 bis 4) dient zum Zeigerwerksantrieb
einer Uhr ein kollektorloser Gleichstrommotor, dessen Rotor einen Permanentmagneten
enthält Und dessen aus lameliiertem Weicheisen bestehender Stator mit einer Steuer- und einer Antriebsspule
versehen ist, die über einen batteriebetriebenen Transistorverstärker den Rotor in Umdrehungen
halten können. Zur Stabilisierung der Rotordrehzahl dient ein als Unruhschwinger ausgebildeter Permanentmagnet,
der über dem Motor angeordnet und mit dessen Rotor magnetisch gekoppelt ist. Der Stator
dieses Motors ist ferner mit einer dritten Spule versehen, die wahlweise zur Synchronisierung der
Motordrehzahl durch ein von einem anderen Zeitnormal stammende Wechselspannung oder als Generatorspule
zur Erzeugung einer solchen Wechselspannung benutzt werden soll. Durch einen Regelwiderstand
im Arbeitskreis des Transistorschaltverstärkers soll der Einfluß von Spannungsänderung
auf die Motordrehzahl ausreguliert werden.
Als selbständige Uhr ist dieser Vorschlag wegen der unzureichenden Gangstabilität des magnetisch
gekoppelten Unruhschwingers praktisch unbrauchbar. Die Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen
der Batteriespannung dürfte, abgesehen von dem schlechten Wirkungsgrad, so groß sein, daß auch hier
ein Betrieb als selbständige Uhr nicht möglich erscheint.
Es ist auch bekannt, bei einer batteriebetriebenen selbständigen Uhr (CH-PS 3 28 504, Fig. 3) mit
einem Unruhschwinger als Frequenznormal und einem kollektorlosen Gleichstrommotor für den Zeigerwerksantrieb
den Unruhschwinger mit einer Steuer- und einer Antriebsspule über einen Transistorschaltverstärker
in Selbststeuerung anzutreiben und den Zeigerwerksmotor als reinen Synchronmotor
zu betreiben, desen Erregerspule in Reihe zu der Antriebsspule des Schwingers gelegt ist.
Abgesehen von dem Nachteil, daß in dem aus Permanentmagneten und Weicheisenblechen bestehenden
Stator und Rotor des Synchronmotors hohe Verluste auftreten, ist die Ganggenauigkeit einer solchen Uhr
in hohem Maße abhängig von der Batteriespannung, der Temperatur und der Motorbelastung. Auch bereitet
es Schwierigkeiten, den Zeigerwerksmotor auf synchrone Drehzahl anzuwerfen, wobei es praktisch
unmöglich erscheint, bei laufender Uhr das Zeigerwerk nachzustellen, da schon geringe Belastungsänderungen bei einem solchen schwachen Synchronmotor-
genügen, um ihn außer Tritt mit der Impulsfrequenz und damit zum Stillstand zu bringen.
Es ist ferner bekannt (CH-PS 3 46 827), bei einer mit einem Schwerependel bzw. einem Drehpendel
ausgerüsteten selbständigen Uhr eine als Sperrschwinger ausgebildete Antriebsschaltung mit einer
5 oder zwei Steuerspulen vorzusehen, zu welcher bzw. welchen in Reihe eine Diode geschaltet ist, durch
die Steuerimpulse mit unerwünschtem Vorzeichen unterdrückt werden. Bei dieser Schaltung hat man
gleichsinnig zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors eine Diode unmittelbar an die Pole von Basis
und Emitter des Transistors angeschlossen. Da an dieser Diode immer die gleiche Spannung wie an der
Basis-Emitter-Diode des Transistors liegt und im praktischen Fall die Charakteristik dieser Diode von
der Charakteristik der Basis-Emitter-Diode des Transistors immer verschieden ist, läßt sich durch eine
derartig geschaltete Diode eine gezielte Beeinflussung der Arbeitsweise des Transistors nicht erreichen. Mit
einer solchen Antriebsschaltung läßt sich die Ganggenauigkeit einer Uhr bezüglich Unempfindlichkeit
gegenüber Temperaturschwankungen und Änderungen der Betriebsspannung praktisch nicht verbessern.
Eine solche Uhr benötigt außerdem für den Zeigerwerksantrieb ein besonderes mechanisches Schaltgetriebe.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden (älteres Recht DT-PS 11 81 278), dadurch den Strom in der
Arbeitswicklung eines selbstgesteuerten Uhrenantriebsmotors weitgehend konstant zu halten, daß zwisehen
eine Anzapfung der Antriebsspule des Motors und des die Antriebsspule schaltenden Transistors
eine gleichsinnig zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors gepolte Diode geschaltet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zeigerwerksantrieb für eine batteriegespeiste, selbständige Uhr mit einem kommutatorlosen Motor zu schaffen, der bei einem einfachen und daher preisgünstig herstellbaren Aufbau einen hohen Wirkungsgrad aufweist, dessen Leistungsabgabe in hohem Maß unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen und Änderungen der Betriebsspannung ist, der unempfindlich gegenüber Belastungsschwankungen des Motors ist, der sich sehr gut durch die von dem Frequenznormal gelieferten Synchronisierungsimpulse synchronisieren läßt, wobei er auch bei einer relativ geringen Anzahl von Magnetpolen des Rotors ein sehr gleichmäßiges Antriebsmoment liefert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zeigerwerksantrieb für eine batteriegespeiste, selbständige Uhr mit einem kommutatorlosen Motor zu schaffen, der bei einem einfachen und daher preisgünstig herstellbaren Aufbau einen hohen Wirkungsgrad aufweist, dessen Leistungsabgabe in hohem Maß unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen und Änderungen der Betriebsspannung ist, der unempfindlich gegenüber Belastungsschwankungen des Motors ist, der sich sehr gut durch die von dem Frequenznormal gelieferten Synchronisierungsimpulse synchronisieren läßt, wobei er auch bei einer relativ geringen Anzahl von Magnetpolen des Rotors ein sehr gleichmäßiges Antriebsmoment liefert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerspule, die Antriebsspule und die
Synchronisierungsspule als Luftspulen ausgebildet sind, daß die Synchronisierungsspule und die Antriebsspule
derart angeordnet und gepolt sind, daß auf den Rotor abwechselnd ein Antriebsimpuls der
Synchronisierungsspule und ein Antriebsimpuls der Antriebsspule einwirken, daß zur Erzeugung der impulsförmigen
Synchronisierungsspannung ein mit wenigstens einem Permanentmagneten versehener Schwinger dient, der in einer feststehenden Steuerspule
periodisch Steuerimpulse induziert, die nach Verstärkung in einem Transistor einer den Schwinger
antreibenden Antriebsspule und der hierzu in Reihe geschalteten Synchronisierungsspule des Motors
zugeführt werden und daß zwischen der Basis des Transistors des Schwingers und der Verbindungsleitung
zwischen der Antriebsspule des Schwingers und der Synchronisierungsspule des Motors und
zwischen der Basis des Transistors des Motors und einer Anzapfung der Antriebsspule des Motors je
7 8
eine gleichsinnig zur Basis-Emitter-Strecke des ent- einer derartigen Anordnung eine selbständige Uhr
sprechenden Transistors gepolte Diode geschaltet ist. mittels einer Trockenbatterie von 1,5 Volt langer als
Durch die Verwendung eisenloser Luftspulen so- ein Jahr zu betreiben. Bei der geringen Kapazität
wohl für die Steuer- und Antriebsspule als auch für einer solchen Batterie bedeutet dies, daß für den ge-
die Synchronisierungsspule wird in Verbindung mit 5 meinsamen Betrieb von Motor und Schwinger nur
der Verwendung eines permanentmagnetischen Ro- eine mittlere Leistung von weniger als 1 Milliwatt
tors ein hoher Wirkungsgrad des Motors erzielt. Die benötigt wird.
Parallelschaltung einer gleichsinnig zu der Emitter- Schutz begehrt wird nur für die Gesamtheit der
Basis-Strecke des Transistors gepolten Diode zwi- Merkmale des Anspruchs 1 sowie für die Merkmale
sehen der Basis des Transistors und einer Anzap- 10 des Anspruchs 2 in Verbindung mit ihrer Rückbezie-
fung der Antriebsspule ergibt oberhalb einer vorgege- hung auf Anspruch 1.
benen unteren Grenzspannung der Spannungsquelle Die Erfindung wird an Hand von in den Zeicheinen
relativ niederohmigen Nebenschluß zu der nungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher
Emitter-Basis-Strecke des Transistors, was bewirkt. erläutert. Es zeigt
daß die durch die Selbststeuerung erzielte Antriebs- 15 Fig. 1 eine Seitenansicht eines mit einem Motor
leistung des Motors auf eine praktisch nicht ver- und einem Unruhschwinger als Gangordner versehe-
größerbare Leistung beschränkt bleibt. Bei der durch nen elektrischen Uhrwerkes nach der Erfindung,
das Zeigerwerk der Uhr vorgegebenen Belastung Fig. 2 einen Querschnitt nach II-II in Fig. 1
kann er daher so ausgelegt werden, daß die von ihm durch den Motor,
selbst erzeugte Leistung eine Drehzahl des Rotors 20 F i g. 3 die elektrische Schaltung des Uhrwerkes
ergibt, die von vornherein etwa der synchronen Dreh- nach Fig. 1,
zahl entspricht. Fig. 4 eine Variante des Motors nach Fig. 1
Die Verwendung eines Schwingers, bei dem par- und 2 mit einem sechspoligen Rotor,
allel zur Steuer- und Antriebsspule eine in Durch- F i g. 5 und 6 eine weitere Variante des Motors
laßrichtung zur Basis-Emitter-Strecke gepolte Diode 25 nach F i g. 1 und 2 mit einem vierpoligen Rotor,
geschaltet ist, ergibt, daß dieser auch bei größeren F i g. 7 eine andere Ausführungsform des Motors
Schwankungen von Temperatur und Betriebsspan- nach der Erfindung.
nung eine konstante Antriebsleistung erzeugt, die zu In F i g. 1 ist mit 1 eine vordere Werkplatte beeinem
Teil zum Antrieb des Schwingers selbst und zeichnet, die mit Aussparungen 2, die zur Befestizum
anderen Teil zur Synchronisierung des Zeiger- 30 gung des Uhrwerkes dienen, versehen ist. Die Werkwerksmotors
dient. Durch die vorgesehene Serien- platte 1 weist zwei nach hinten abgebogene Lappen 3
schaltung der Synchronisierungsspule zu der An- auf, auf denen eine Welle 4 gelagert ist, auf welcher
triebsspule des Schwingers außerhalb des durch die ein zylindrischer, zweipoliger, diametral magnetisier-Diode
vorgesehenen Nebenschlusses ergibt sich fer- ter Dauermagnetanker 5 (Fig. 1, 2) eines kommuner,
daß die Belastungsschwankungen des Motors, 35 tatorlosen Motors befestigt ist. Zur Einstellung der
die sich als Ankerrückwirkungen auf die Synchroni- Lage der Welle 4 ist in den unteren Lappen 3 eine
sierungsspule und damit auf den Synchronisierungs- Lagerschraube 6 eingeschraubt. Der Motor weist
Stromkreis auswirken, im vorliegenden Fall sich nicht weiterhin eine eisenlose Statorwicklung 7 auf, die aus
auf den Schwinger auswirken können. Der Schwin- einer Steuerspule 8, einer Antriebsspule 9 und einer
ger zeigt daher eine sehr große Frequenzkonstanz, 40 Synchronisierungsspule 10 besteht. In F i g. 2 sind
wodurch auch der Zeigerwerksmotor mit der gleichen die Statorspulen 8, 9, 10 als getrennte Wicklungen
großen Drehzahlkonstanz umläuft. dargestellt, sie können jedoch auch ineinander-
Durch das Merkmal, den selbst erzeugten An- gewickelt sein, d. h., beim Wickeln können die
triebsimpuls des Motors und den Synchronisierungs- Drähte parallel geführt sein. Die O-förmige, den
impuls gegenphasig auf den Rotor einwirken zu las- 45 Rotor S umschließende Statorwicklung 7 ist an der
sen, ergibt sich ferner ein gleichmäßiger Antrieb des oberen und unteren Stirnseite nach hinten abgekröpft
Rotors, so daß dessen Trägheitsmoment klein gehal- und an der Welle 4 vorbeigeführt, so daß die Welle 4
ten werden kann. bei ihrer Drehung durch die Statorwicklung 7 nicht
Gegenüber den selbständigen batteriegespeisten behindert ist. Auf der Welle 4 des Motors ist eine
Uhren mit einem Schwingermotor und mechanischer 50 Schnecke 11 befestigt, welche mit einem Zahnrad
Zeigerwerksfortschaltung ergibt sich der Vorteil der 12, das auf der vorderen Werkplatte 1 und einer hinpraktisch
völligen Geräuschlosigkeit. Gegenüber den teren Werkplatte 13 gelagert ist, im Eingriff steht,
bekannten Vorschlägen, den Zeigerwerksmotor als Die vordere Werkplatte 1 und die hintere Werkplatte
reinen von dem Frequenznormal gesteuerten Impuls- 13 sind durch zwei Pfeiler 14 miteinander verbunmotor
auszubilden, ergibt sich der Vorteil, daß auch 55 den. Durch das Zahnrad 12 erfolgt über weitere,
durch eine allmähliche oder plötzliche Belastungs- nicht sichtbare Untersetzungsräder der Antrieb des
zunähme der Motor nicht zum Stillstand gebracht Zeigerwerkes.
werden kann. Ein Zeigerstellen von Minuten- und Auf zwei Lagerschrauben 15, die in zwei nach
Stundenzeiger entgegen der Zeigerdrehrichtung ist hinten abgewinkelte Lappen 16 der Werkplatte 1
daher möglich, ohne daß die Uhr stehenbleibt. 60 eingeschraubt sind, ist eine Welle 17 eines Unruh-
Es wurde gefunden, daß der Wirkungsgrad des Schwingers gelagert, an der eine Spiralfeder 27 ankommutatorlosen
Motors seinen Maximalwert dann greift. Der Unruhschwinger weist zwei Polbleche 18
erreicht, wenn seine Bauglieder so ausgelegt sind, auf, an deren einen Enden zwei tablettenförmige
daß die Pendelfrequenz des vom Magnetfeld der Permanentmagnete 19 und an deren anderen Enden
Synchronisierungsspule durchsetzten Rotors etwa 65 zwei Ausgleichsmassen 20 befestigt sind. Ein weichgleich der Frequenz der Synchronisierungsspannung magnetischer Distanzbolzen 21 dient als magnetiist.
scher Rückschluß für das Feld der Magnete 19. Das
Die Praxis hat gezeigt, daß es möglich ist, mit Feld der Magnete 19 wird von einer feststehenden
Wicklung 22 geschnitten, die aus einer Steuerspule
23 und einer Antriebsspule 24 (F i g. 3) besteht. Die Wicklung 22 ist in eine aus Isolierstoff bestehende
Trägerplatte 25 eingesetzt, auf welcher elektrische Schaltelemente D1, C1, T1 für den Schwinger und
D2, C2, T2 für den Motor befestigt sind und an die
die Statorwicklung 7 des Motors angeklebt ist. Die Trägerplatte 25 ist durch einen Ansatz 26, der in
eine entsprechende Öffnung der Werkplatte 13 ragt und durch weitere nicht sichtbare Ansätze, die in iq
Öffnungen der Werkplatte 1 ragen, gehaltert.
In der Schaltung nach F i g. 3 sind im linken umrandeten Teil die dem Schwinger zugeordneten elekirischen
Schaltelemente und im rechten umrandeten Teil die dem Motor zugeordneten Schaltelemente
dargestellt. Die Transistoren T1 für den Schwinger
und T2 für den Motor arbeiten in Emitterschaltung.
Die Steuerspule 23 des Schwingers liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors T1. Zwisehen
dem Kollektor und dem Emitter des Transi- ao stors T1 liegt die Reihenschaltung aus der Arbeitespüle
24 des Schwingers, der Synchronisierungsspule 10 und einer Gleichspannungsquelle U. Die Gleichspannungsquelle
U ist gleichzeitig auch an den KoI-lektor und über die Motorantriebsspule 9 an den
Emitter des Transistors T2 angeschlossen. Die Steuerspule 8 des Motors liegt zwischen der Basis
und dem Emitter des Transistors T2. Zwischen der Basis und dem Kollektor der Transistoren T1 und T2
liegen die zur Vermeidung des Selbstschwingens der beiden Transistor-Schaltverstärker dienenden Kondensatoren
C1 und C2. Zwei Dioden D1, D2 dienen
zur Kompensation des Einflusses von Spannungsschwankungen der Gleichspannungsquelle U auf die
beiden Transistor-Schaltverstärker. '
In der Motorsteuerspule 8 wird bei einer vollen Umdrehung des Rotors 4, 5 eine impulsförmige
Steuerspannung mit einer positiven und einer negativen Halbwelle induziert. Bei den Transistoren T1,
T2 handelt es sich um pnp-Transistoren, so daß die negative Halbwelle der in der Steuerspule 8 induzierten
Steuerspannung im Transistor T2 verstärkt wird und die Antriebsspule 9 als Antriebsimpuls
durchfließt. Der Rotor 4, 5 erhält somit einen durch seine Drehbewegung gesteuerten Antriebsimpuls pro
Umdrehung. An Stelle von zwei pnp-Transistoren können selbstverständlich auch zwei npn-Transistoren
oder ein pnp- und ein npn-Transistor Verwendung finden, wobei sich die Polarität der Impulse
bzw. der Spannungsquelle U entsprechend ändert.
Der Unruhschwinger 17 bis 21 induziert in bekannter Weise bei jeder Halbschwingung in der
Steuerspule 23 einen Steuerimpuls, wobei jeweils zwei aufeinanderfolgende Steuerimpulse entgegengesetzte
Polarität haben, so daß in gleicher Weise, wie für den Motor oben bereits beschrieben, bei
jeder Vollschwingung der Unruh in der Arbeitsspule
24 ein Antriebsimpuls erzeugt wird.
Da die Synchronisierungsspule 10 in Reihe mit der Antriebsspule 24 der Unruh liegt, liegt auch an ihr
ein Teil der Arbeitsspannung der Unruh. Die Höhe dieser Spannung hängt vom Widerstandsverhältnis
der Spulen 10 und 24 ab. Die Antriebsimpulse der Unruh wirken somit über die Synchronisierungsspule
10 als weitere Antriebsimpulse auf den Rotor 4, 5 ein. Die Motordrehzahl ist hierbei in weiten Grenzen
unabhängig von Belastungs-, Temperatur- und Speisespannungsschwankungen.
Die Polung und Anordnung der Motor- und Unruhspulen und die Phasenlage der Synchronisierungsspannung
in bezug auf die Motor-Arbeitsspannung kann so gewählt sein, daß der Synchronisierungsimpuls
gegenüber dem Antriebsimpuls in der Spule 9 um 180° phasenverschoben ist. Die Spulen 9 und 10
müssen in diesem Fall so gepolt sein, daß das Magnetfeld der Synchronisierangsspule 10 gegenüber
dem Magnetfeld der Antriebsspule 9 entgegengesetzte Polarität hat. Hierbei wirkt auf den Rotor 4, 5 nach
jeweils einer halben Umdrehung abwechselnd der Synchronisierungsimpuls in der Spule 10 und der
Antriebsimpuls in der Spule 9 im antreibenden Sinn ein.
In der Synchronisierungsspule 10 kann, abgesehen von einem sehr geringen Ruhestrom, nur Strom fließen,
wenn die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T1 leitend ist, d. h., wenn in der Steuerspule 23
des Unruhschwingers ein Steuerimpuls erzeugt wird. Der Motor hat somit keinerlei Rückwirkung auf die
Unruh, welche von Fortschalt- und Auslösearbeit befreit ist. Das Isochronismusverhalten der Unruh wird
gegenüber den bekannten elektrischen Uhrenantrieben entscheidend verbessert.
Da die Steuerspule 23 und die Arbeitsspule 24 des Unruh sch wingers sowie die Steuerspule 8 und
die Arbeitsspule 9 des Motors jeweils räumlich nebeneinander angeordnet und damit induktiv miteinander
gekoppelt sind, können die beiden Transistor-Schaltverstärker unter Umständen als Schwingungsgeneratoren
arbeiten. Um die induktive Rückkopplung zu kompensieren und damit die Schwingneigung
der Verstärker herabzusetzen, sind die Transistoren T1, T2, wie schon erwähnt, über die Kondensatoren
C1, C2 kapazitiv rückgekoppelt. An Stelle
der Kondensatoren C1, C2 können auch zwei Widerstände R1, R2 vorgesehen sein, welche in F i g. 3 gestrichelt
eingezeichnet sind. Durch die Widerstände R1, R2 wird ebenfalls ein Selbstschwingen der beiden
Transistor-Schaltverstärker vermieden.
Zur Kompensation des Einflusses der Spannungs-Schwankungen der Gleichspannungsquelle U auf den
Kollektorstrom der Transistoren T1, T2 ist die
Diode D1 an das mit der Synchronisierungsspule 10 verbundene Ende der Arbeitsspule 24 des Schwingers
und an die Basis des Transistors T1 und die Diode D2
an eine Anzapfung der Antriebsspule 9 des Motors und an die Basis des Transistors T2 angeschlossen.
Die gleichsinnig zur Emitter-Basis-Strecke des entsprechenden Transistors T1, T2 gepolten Dioden D1,
D2 liegen somit jeweils zwischen der Basis eines der Transistoren T1, T2 und einem im Arbeitskreis dieses
Transistors T1 bzw. T2 vorgesehenen Spannungsteilers. Beim Durchschalten eines der Transistoren
T1, T2 wird an dem entsprechenden, im Arbeitskreis
liegenden Spannungsteiler ein Spannungsgefälle erzeugt, wobei an einen definierten Punkt dieses Spannungsgefälles
ein mit der Basis verbundener, nichtlinearer Widerstand (Dioden D1, D2) gelegt ist. Der
nichtlineare Widerstand bildet oberhalb einer bestimmten Klemmenspannung und damit oberhalb
einer vorgegebenen Betriebsspannung einen relativ niederohmigen Nebenschluß zu dem Widerstand der
Basis-Emitter-Diode des entsprechenden Transistors T1, T2. Die Basisvorspannung der Transistoren T1,
T2 wird durch die Dioden D1, D2 somit so geregelt,
daß der Kollektorstrom der Transistoren T1, T2 oberhalb
einer vorgegebenen Betriebsspannung und damit
bis zu einer vorgegebenen unteren Grenzspannung der Speisespannungsquelle U praktisch konstant ist.
Bei der in F i g. 4 dargestellten Variante des Motors mit einem sechspoligen Dauermagnetanker 5 ist
die Statorwicklung in gleicher Weise ausgebildet wie bei dem Motor nach Fig. 1 bis 3, d. h., die Steuerspule
8, die Antriebsspule 9 und die Synchronisierungsspule 10 können entweder, wie dargestellt,
räumlich voneinander getrennt angeordnet oder ineinandergewickelt sein. Im Gegensatz hierzu müssen
bei dem in F i g. 5 und 6 dargestellten vierpoligen Anker 5 die Spulen 8, 9, 10 so angeordnet werden,
daß sie den Dauermagnetanker S nur teilweise umschließen, so daß sie dessen Kraftlinienfluß senkrecht
schneiden. Die Steuerspule 8 und die Arbeitsspule 9 sind hierbei auf der einen Seite und die Synchronisierungsspule
10 ist auf der anderen Seite des Ankers 5 angeordnet.
Die in F i g. 7 dargestellte Ausführungsform des Motors nach der Erfindung weist in gleicher Weise
wie der Schwinger in F i g. 1 zwei Polbleche 28, 29 auf, die durch einen weichmagnetischen Distanzbolzen
30, der auf der Welle 4 befestigt ist, miteinander verbunden sind. Der Distanzbolzen 30 dient
gleichzeitig als Rückschluß für den magnetischen Fluß von an den einen Enden der Polbleche 28, 29
befestigten tablettenförmigen Dauermagneten 31, 32. An den anderen Enden der Polbleche 28, 29 sind
hierbei Ausgleichsmassen 33, 34 angeordnet. Die Steuerspule 8 und die Antriebsspule 9 sind auf der
einen Seite und die Synchronisierungsspule 10 gegenüberliegend auf der anderen Seite der Welle 4 angeordnet.
Bei den Ausführungsformen nach F i g. 2 bis 7 des Motors ist die Polung und Anordnung der Spulen 8,
9, 10 und die Phasenlage der Synchronisierungsspannung in bezug auf die Motorarbeitsspannung so gewählt,
daß auf den Rotor 4, S abwechselnd der Synchronisierungsimpuls bzw. der Antriebsimpuls der
Spule 9 antreibend einwirkt.
Versuche haben gezeigt, daß der in den F i g. 1 bis 3 dargestellte elektrische Uhrenantrieb in vorteilhafter
Weise so ausgelegt wird, daß der im Arbeitskreis des den Schwinger steuernden Transistors T1
fließende Strom etwa gleich dem im Arbeitskreis des Motortransistors T2 fließenden Stroms ist. Die Antriebsspule
24 des Schwingers und die Synchronisierungsspule 10 werden zweckmäßig so dimensioniert,
daß ihre Widerstände gleich groß sind, so daß die Synchronisierungsimpulse der Synchronisierungsspule
10 halb so stark sind wie die Antriebsiirpulse der
Motorantriebsspule 9.
Es hat sich gezeigt, daß der Wirkungsgrad des Zeigerwerksantriebs nach der Erfindung einerseits
von der Frequenz der Synchronisierungsspannung und andererseits von der Bemessung der Synchronisierungsspule
10 sowie des Rotors 4, 5 bzw. 28 bis 34 hinsichtlich seiner geometrischen Abmessungen,
seines Trägheitsmomentes und seines magnetischen Flusses abhängig ist. Wird angenommen, daß an der
Synchronisierungsspule 10 eine konstante Gleichspannung liegt, deren Höhe gleich dem Effektivwert
der Synchronisierungsspannung ist, so pendelt der Rotor um seine Ruhelage, wenn er mechanisch angestoßen
wird. Für kleine Drehwinkel und bei verschwindend kleiner Winkelrichtgröße der Aufhängung
ist hierbei die Schwingungsdauer T des schwingenden Rotors
T = 2π
Mmn ■ H
wobei J das Trägheitsmoment des Rotors, H die magnetische
Feldstärke der Synchronisierungsspule und Mmgn das magnetische Moment des Rotors ist.
Für das magnetische Moment gilt:
Für das magnetische Moment gilt:
Mmsn = B
V.
Hierbei ist B die magnetische Induktion und V das Volumen des Rotors.
Um einen guten Wirkungsgrad des Motors zu erhalten, müssen der Rotor und die Synchronisierungsspule
so bemessen sein, daß die Pendelfrequenz (-ψ)
des im Magnetfeld der Synchronisierungsspule pendelnden Rotors etwa gleich der Frequenz der Synchronisierungsspannung
ist. Der Frequenzbereich, in dem der optimale Wirkungsgrad erreicht wird, ist hierbei relativ groß, so daß es genügt, wenn der Motor
so dimensioniert wird, daß die beiden obengenannten Frequenzen ungefähr übereinstimmen.
Zur Synchronisierung des Motors dient bei dem
Zur Synchronisierung des Motors dient bei dem
beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Unruhschwinger; es können jedoch auch andere Zeit- bzw. Frequenznormale
Verwendung finden. Geeignet sind insbesondere auch Torsions-, Blattfeder- oder piezoelektrische
Schwinger. Da die Frequenz der Synchronisierungsspannung in manchen Fällen, insbesondere
bei der Verwendung von piezoelektrischen Schwingern, relativ hoch liegt, ist es in diesem Fall vorteilhaft,
den Motor mit einem mehrpoligen Anker nach F i g. 4 bis 6 zu versehen. Hierdurch wird die Motordrehzahl
niedrig gehalten, so daß auch die Getriebeverluste klein sind.
Der Motor fällt nicht außer Tritt, wenn sich die Frequenz der Synchronisierungsspannung innerhalb
von relativ weit auseinanderliegenden Grenzen ändert. Durch Änderung der Frequenz der Synchronisierungsspannung
ist es damit möglich, die Motordrehzahl zu steuern.
Der erfindungsgemäße Antrieb kann überall dort Verwendung finden, wo ein hoher Wirkungsgrad gefordert
ist und wo nur wenig Platz für den Motor zur Verfügung steht, z. B. auch als Antrieb für
Kofferplattenspieler, welche als Spannungsquelle ebenfalls eine Trockenbatterie enthalten.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Zeigerwerksantrieb für eine batteriege- meist aus lamelliertem Weicheisen bestehenden Staspeiste,
selbständige Uhr mit einem kommutator- 5 tor mit einer Erregerspule aufweisen. Dieser Erregerlosen
Motor, welcher einen permanentmagnet!- spule werden von einem Frequenznormal herrührende
sehen Rotor, eine von dem Rotor beeinflußte elektrische Impulse gleicher oder wechselnder PoIa-Steuerspule,
die über einen als Schalter arbei- rität zugeführt. Wird der Rotor dieses Motors auf
tenden Transistor eine den Rotor antreibende synchrone Drehzahl gebracht, so läuft er mit kon-Antriebsspule
periodisch an die Batterie legt, und yo stanter Drehzahl weiter, so daß er das Zeigerwerk
wenigstens eine gleichfalls auf den Rotor einwir- einer Nebenuhr antreiben kann. Bei auch nur kurzkende
Synchronisierungsspule aufweist, an wel- zeitigem Ausfall der zugeführten Spannungsimpulse
eher eine von einem Frequenznormal erzeugte, bleibt die Uhr stehen. Um dies zu verhindern, ist es
impulsförmige Synchronisierungsspannung liegt, bekannt, solche Nebenuhren mit Zusatzeinrichtungen
dadurch gekennzeichnet, daß die 15 zu versehen, welche es ermöglichen sollen, diese über
Steuerspule (8), die Antriebsspule (9) und die eine mehr oder weniger lange Zeitspanne als selb-Synchronisierungsspule
(10) als Luftspulen aus- ständige Uhr weiter zu betreiben.
gebildet sind, daß die Synchronisierungsspule Es ist bekannt (FR-Zusatz-PS 68 406, Fig. 18),
(10) und die Antriebsspule (9) derart angeordnet für eine solche Nebenuhr mit Gangreserve für den
und gepolt sind, daß auf den Rotor (5 bzw. 28 bis 20 Zeigerwerksantrieb einen kommutatorlosen Motor
34) abwechselnd ein Antriebsimpuls der Syn- mit einem permanentmagnetischen Rotor einzuchronisierungsspule
(10) und ein Antriebsimpuls setzen, dessen Stator im wesentlichen aus einer eisender
Antriebsspule (9) einwirken, daß zur Erzeu- losen Spule im Feld dieses Rotors besteht. In dem
gung der impulsförmigen Synchronisierungsspan- Feldbereich des Rotors ist an geeigneter Stelle eine
nung ein mit wenigstens einem Permanentmagne- 25 ebenfalls als Luftspule ausgebildete Induktionsspule
ten versehener Schwinger dient, der in einer fest- vorgesehen, in der bei Drehung des Rotors Spanstehenden Steuerspule (23) periodisch Steuerim- nungsimpulse erzeugt werden. Diese Erreger- bzw.
pulse induziert, die nach Verstärkung in einem Steuerspule liegt im Eingangskreis eines Transistor-Transistor
(T1) einer den Schwinger antreibenden Schaltverstärkers, in dessen Ausgangskreis in Reihe
Antriebsspule (24) und der hierzu in Reihe ge- 30 mit einer niedergespannten Gleichstromquelle (Akkuschalteten
Synchronisierungsspule (10) des Motors miilator) die Antriebsspule des Motors gelegen ist.
zugeführt werden, und daß zwischen der Basis des Wird der Rotor in Umdrehungen versetzt, so werden
Transistors (T1) des Schwingers und der Verbin- über die Steuerspule und den Transistorschaltverstärdungsleitung
zwischen der Antriebsspule (24) des ker verstärkte Impulse in der Antriebsspule erzeugt,
Schwingers und der Synchronisierungsspule (10) 35 die die Drehung des Rotors in Gang halten,
des Motors und zwischen der Basis des Tran- Zur Synchronisierung der Drehzahl dieses Impulssistdrs (T2) des Motors und einer Anzapfung der motors ist in Reihe zu der Steuerspule des Trahsi-Antriebsspule (9) des Motors je eine gleichsinnig storschaltverstärkers eine weitere Spule geschalteten zur Basis-Emitter-Strecke des entsprechenden der ein Weicheisenkern liegt, auf den ein permanent-Transistors (T11T2) gepolte Diode (D1, D2) ge- 40 magnetischer Rotor einwirkt, der von einem durch schaltet ist. das Wechselstromnetz angetriebenen Synchronmotor
des Motors und zwischen der Basis des Tran- Zur Synchronisierung der Drehzahl dieses Impulssistdrs (T2) des Motors und einer Anzapfung der motors ist in Reihe zu der Steuerspule des Trahsi-Antriebsspule (9) des Motors je eine gleichsinnig storschaltverstärkers eine weitere Spule geschalteten zur Basis-Emitter-Strecke des entsprechenden der ein Weicheisenkern liegt, auf den ein permanent-Transistors (T11T2) gepolte Diode (D1, D2) ge- 40 magnetischer Rotor einwirkt, der von einem durch schaltet ist. das Wechselstromnetz angetriebenen Synchronmotor
2. Zeigerwerksantrieb nach Anspruch 1, da- in Umdrehungen versetzt wird. Dadurch wird der
durch gekennzeichnet, daß der Rotor (S bzw. 2B von dem Rotor des Zeigerwerksmotors erzeugten
bis 34) hinsichtlich seiner geometrischen Abmes- Wechselspannung eine mit der Frequenz des Wechsungen,
seines Trägheitsmomentes und seines ma- 45 selstromnetzes synchronisierte Wechselspannung
gnetischen Flusses und die Synchronisierungs- überlagert. Über dem Rotor des Zeigerwerksmotors
spule (10) so bemessen sind, daß die Pendelfre- ist ferner ein Blattfederschwinger befestigt, der an
quenz des vom Magnetfeld der Synchronisierungs- seinem freien Ende einen Permanentmagneten trägt,
spule (1®) durchsetzten Rotors (4, 5 bzw. 28 bis der bei Drehung des Rotors infolge der magnetischen
34) etwa gleich der Frequenz der Synchronisie- 50 Kopplung den Blattfederschwinger zu Schwingbswerungsspannung
ist. gungen anregt.
Um die Einrichtung als Nebenuhr betreiben zu
_____ können, muß der Zeigerwerksmotor so ausgelegt werden, daß die von ihm erzeugte Antriebsleistung grö-
55 ßer als seine Belastung ist. Ohne die zugeführte Syn-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Zeigerwerks- chronisierungsspannung würde er dadurch mit einer
antrieb für eine batteriegespeiste, selbständige Uhr höheren Drehzahl als der synchronen Drehzahl ummit
einem kommutatorlosen Motor, welcher einen. laufen. Die mit konstanter Frequenz zugeführte Synpermanentmagnetischen
Rotor, eine von dem Rotor chronisierungsspannung bewirkt hierbei eine Bebeeinflußte
Steuerspule, die über einen als Schalter 60 schneidung der Breite der dem Transistor zugeführarbeitenden
Transistor eine den Rotor antreibende ten Steuerimpulse, wodurch die Antriebsleistung des
Antriebsspule periodisch an die Batterie legt, und Motors auf das notwendige Maß reduziert wird. Bei
wenigstens eine gleichfalls auf den Rotor einwirkende Ausfall der Netzspannung fallen diese Synchronisie-Synchronisierungsspule
aufweist, an welcher eine von rungsimpulse jedoch fort. Den synchronen Weitereinem
Frequenznormal erzeugte, impulsförmige Syn- 65 lauf des Zeigerwerksmotors muß jetzt der mit dem
chronisierungsspannung liegt. Ein derartiger Zeiger- Rotor magnetisch gekoppelte Blattfederschwinger
werksantrieb ist aus der FR-Zusatz-PS 67 134 be- übernehmen,
kannt. Abgesehen von dem erheblichen Aufwand eines
kannt. Abgesehen von dem erheblichen Aufwand eines
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