Elektromechanischer Schrittmotor
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Schrittmotor für elektrische Uhren, mit drehbar gela gertem Anker und Ständer und Anschlagstücken zum Begrenzen der Drehbewegungen des Ankers.
Schrittmotoren, die für tragbare Kleinuhren bestimmt sind, sollen bekanntlich einen guten Wirkungsgrad aufweisen und stosssicher sein.
Insbesondere bei Kleinmotoren bestimmen vielfach die zur Verfügung stehenden wirtschaftlichen Mittel die Grenzen des Wirkungsgrads. Bei elektromechanischen Schrittmotoren für tragbare Kleinuhren bleibt allerdings praktisch immer der konstruktiv erstrebte Wirkungsgrad weit unter dem theoretisch erzielbaren Wirkungsgrad, weil eine zuverlässige Arbeitsweise auch unter störenden Umwelteinflüssen wie stetige Beschleunigungen oder Stössen sicher gestellt sein muss. Die Bedingung der Sicherheit der Funktionsweise konkurriert nämlich gerade bei Schrittmotoren für tragbare Kleinuhren mit der Bedingung des möglichst hohen Wirkungsgrads.
Beispielsweise bei elektronischen Zeitmesssystemen für Armbanduhren müssen in einem elektromechanischen Motor nur ganz geringe Energiemengen von weniger als einem Mikrowatt umgesetzt werden, die für die Zeigerbewegung ausreichen. Anderseits dürfen im Motor einer tragbaren Kleinuhr keine grossen Energiemengen umgesetzt werden, weil der zur Verfügung stehende Raum für elektrochemische Batterien als Energiequellen sehr beschränkt ist, die Batterien ausser dem Motor noch Schaltungen mit erheblichem Energieverbrauch speisen müssen und üblicherweise eine Gangautonomie von mehr als einem Jahr für eine Uhr erwartet wird.
Demgegenüber sind gerade tragbare Kleinuhren wie Armbanduhren besonders heftigen Stössen ausgesetzt, die die mechanischen Bewegungen im Motor und im nachgeschalteten Getriebe störend beeinflussen können.
Bei Schrittmotoren führt ein Anker niederfrequente, nicht resonante Wechselbewegungen aus, deren FreJ quenz von der Folge gleichgerichteter Stromstösse oder wechselnder Stromstösse abhängt. Die Amplitude der Wechselbewegungen des Ankers wird üblicherweise durch Anschlagstücke bestimmt, an die der Anker bei jedem Anschlag seine restliche Bewegungsenergie abgibt. Die nahezu steifen Anschlagstücke haben aber nicht nur den Nachteil, dass in ihnen ein grosser Teil der umgesetzten Energie verlorengeht, sondern auch den, dass sie von aussen einwirkende Stösse oder andere Be schleunigungen unverzüglich auf den Anker weiterleiten und eine unerwünschte Relativbewegung desselben veranlassen können.
In Motoren der genannten Art sind vielfach magnetisch wirksame Halteglieder am Anker angeordnet, die Stösse von aussen unwirksam machen sollen. Allerdings geht durch die Halteglieder ein erheblicher Teil der umgesetzten Energie verloren, da der Anker bei Beginn jeder Wechselbewegung aus einem Haltebereich durch Zufuhr von Energie herausgeführt werden muss, die am Ende derselben Wechselbewegung wieder verlorengeht.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu überwinden und einen elektromechanischen Schrittmotor insbesondere für tragbare Kleinuhren zu schaffen, der bei sehr geringem Energieumsatz einen hohen Wirkungsgrad aufweist und selbst unter störenden äusseren Einflüssen wie Stö ssen oder regelmässigen Beschleunigungen zuverlässig im Takt der treibenden elektrischen Stromstösse arbeitet.
Bei einem elektromechanischen Schrittmotor der anfangs beschriebenen Art ist die genannte Aufgabe erfindungsgemäss durch elastische Glieder in den Bereichen der Anschlagstücke zum elastischen Abfangen der Bewegungen des Ankers und durch Leerstellen in den nicht funktionellen Massen in den Aussenbereichen des Ankers zum Mindern seines Trägheitsmoments gelöst.
Durch die Erfindung werden also gleichzeitig zwei Erkenntnisse technisch ausgewertet, nämlich die Erkenntnis, dass elastische Glieder zwischen den Anschlagstücken und dem Anker Relativbewegungen des einen gegenüber dem anderen Teil bei Stössen abzufangen vermögen, und die Erkenntnis, dass der störende Einfluss von Beschleunigungen und die dabei auftretenden Kräfte umso geringer sind, je geringer das Trägheitsmoment des der Beschleunigung unterliegenden Ankers bezogen auf seine Drehachse ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Schrittmotor dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagsstücke als elastische Glieder ausgebildet sind.
Man könnte zwar die elastischen Glieder auch am Anker anordnen. Dessen Trägheitsmoment würde dabei jedoch entsprechend den zusätzlichen Massen vergrössert sein. Die Anschlagsstücke können elastische Lamellen aufweisen, die vorzugsweise einstückig in einen gemeinsamen Befestigungsfuss übergehen. Das ganze Stück lässt sich dann durch einen einzigen Arbeitsvorgang, beispielsweise durch Stanzen, herstellen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Schrittmotors mit einer im Magnetfeld des Ständers drehbar gelagerten Spule als Anker ist gekennzeichnet durch einen rahmenförmigen Spulenkörper mit zwei rahmenförmig in sich geschlossenen Lateralwänden und zwei die Lateralwände verbindenden Böden an den zur Drehachse etwa senkrechten Seiten des Spulenkörpers.
Dabei ist der Spulenkörper also gerade in den von der Drehachse am weitesten entfernten Bereichen besonders leicht ausgebildet, so dass das Trägheitsmoment des Spulenkörpers besonders gering ist. Man könnte zwar vielleicht meinen, ein derartiger Spulenkörper sei zu unstabil.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass er die beim Wickeln der Spule auftretenden Kräfte ebenso wie die während des Betriebs auftretenden Kräfte ohne weiteres aufzunehmen vermag. Ein weiterer Vorteil eines mit einem derartigen Spulenkörper im Anker ausgerüsteten Schritts motors besteht darin, dass im Ständer des Motors die Spalte, in denen sich der Anker bewegt, sehr schmal und demgemäss die darin bestehenden Magnetfelder sehr homogen und stark sein können. Da also kein nutzloses Material des Spulenkörpers mehr Raum im konstruktiv wertvollen Magnetfeld einnimmt, kann also der eleLtro- mechanische Wirkungsgrad des Motors sehr hoch sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 schematisch die wesentlichen Bestandteile eines elektromechanischen Schrittmotors,
Fig. 2 schematisch die wesentlichen Bestandteile einer abgewandelten Ausführungsform des Schrittmotors nach Fig. 1 im Zusammenhang mit typischen Elementen eines Bewegungswandlers aus der Uhrentechnik,
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch den Motor nach Fig. 2, bei dem jedoch unwesentliche Einzelteile verändert sind, und
Fig. 4 die perspektivische Ansicht eines Spulenkörpers für einen Anker des Motors nach Fig. 3.
In Fig. 1 ist eine Spule 1 erkennbar, an der Achszapfen 2 befestigt sind. Die durch die Achszapfen 2 bestimmte Drehachse für die rahmenförmige Spule verläuft also teilweise parallel zu den Drahtschleifen. Die Spule lässt sich um die Drehachse um einen Winkel verschwenken, dessen Grösse durch einen Doppelpfeil zwischen zwei strichpunktierten Linien in Fig. 1 angegeben ist. Die strichpunktierten Linien geben mittlere Ebenen der Spule in zwei Endstellungen an, die durch zwei Anschlagsstücke 3 und 4 und zwei abgewinkelte Federlamellen 5 und 6 bestimmt sind.
Die Federlamellen 5 und 6 können an Lateralwänden 7 und 8 eines Spulenkörpers angeklebt sein, auf dem sich Drahtschleifen 9 befinden. In der Uhrentechnik werden auch die Achszapfen 2 sowohl mit den Drahtschleifen 9 als auch mit den Lateralwänden 7 und 8 des Spulenkörpers verklebt.
Wenn unter dem Einfluss eines äusseren Stosses die Anschlagstücke 3 und 4 gegenüber der Spule 1 einer Beschleunigung unterliegen und eines der Anschlagstücke gegen die entsprechende Federlamelle 5 oder 6 anstösst, wird diese Federlamelle zunächst nur vorgespannt und überträgt eine verhältnismässig geringe Kraft auf die Spule. Bevor noch die Spule relativ beschleunigt wird, unterliegen im allgemeinen die Anschlagstücke bei Stössen bereits entgegengesetzten Beschleunigungen, so dass die auf die entsprechende Fedeflamelle ausgeübte Kraft bereits im Abklingen oder ganze weggefallen ist. So treten also unter dem Einfluss äusserer Stösse keine erheblichen Relativbewegungen zwischen dem Spulenkörper und den Anschlagstücken auf.
Beim Motor nach Fig. 2 besteht der Anker im wesentlichen aus einer Spule 10, die mit Achszapfen 11 so gelagert ist, dass sie sich im Magnetfeld zwischen zwei Polschuhen 12 und 13 eines nicht näher dargestellten Ständers schwenken lässt. Die Spule 10 ist ebenso wie die Spule 1 rechteckig, rahmenförmig ausgebildet und umschliesst einen kreiszylindrischen Zen tralmagneten 14, der das Magnetfeld zwischen den beiden Polschuhen 12 und 13 verstärkt. Zwischen den beiden Polschuhen und dem Zentralmagneten befinden sich also zwei freie Spalte 15 und 16, in denen sich Längsseiten der Spule 10 bewegen lassen.
Die Spule 10 besteht im wesentlichen aus einer Drahtwicklung 19 auf einem Spulenkörper 20. Einzelheiten des Spulenkörpers 20 sind insbesondere in Fig. 4 der Zeichnungen erkennbar. Im Zusammenhang mit Fig. 2 sei lediglich auf zwei durchgehend in sich geschlossene Lateralwände 21 und 22, auf einen einstückig mit der Laterakvand 22 verbundenen Schaltfinger 23 und auf zwei einstückig mit der Lateralwand 21 verbundene Auswuchtmassen 24 und 25 hingewiesen. Die Auswuchtmassen können Weicheisenstücke 26 und 26' aufweisen, von denen jeweils ein Stück sich bei einer Endstellung der Spule 10 in der Nähe eines der Polschuhe 12 oder 13 des Ständers befindet und die Spule durch Magnetkraft gegen Stösse von aussen in der Endstellung hält.
Aufgrund der Erfindung kann die Magnetkraft beispielsweise zwischen dem Polschuh 12 und dem Weicheisenstück 26 sehr gering sein und soll lediglich gegen sehr hohe Beschleunigungen schützen. Am Schaltfinger 23 befindet sich ein Stift 27, der in die Klaue 28 eines der bekannten Uhrenankers 29 eingreift. Der Uhrenanker ist um eine Drehachse 30 schwenkbar gelagert und überträgt in bekannter Weise die Bewegung der Spule 10 auf ein Ankerrad, das periodisch gleichgerichtete Bewegungen ausführt.
Ein im Sinne der Erfindung wesentlicher Bestandteil des Motors nach Fig. 2 ist ein Anschlagstück 32, das zwei Federlamellen 33 und 34 aufweist.
Das Anschlagstück ist durch zwei Schrauben 35 und 36 auf einer Grundplatte befestigt, mit der auch der Ständer des Motors in Verbindung steht. Die Federlamellen ragen von zwei Seiten in den Bewegungsbereich der Spule 10 und begrenzen deren Drehbewegung durch Anschlag gegen die Lateralwand 22. Die Spule 10 wird also bei jeder Bewegung von einer der Federlamel- len 33 und 34 federnd aufgefangen und zum Stillstand gebracht.
Gemäss der Darstellung in Fig. 3 besteht der Stator eines Motors im wesentlichen aus einem Joch 39, aus ferromagnetischem Material, aus zwei Permanentmagneten 40 und 41 und aus einem Zentralmagneten 42.
Der magnetische Kreis des Ständers ist in zwei Schlitzen 43 und 44 offen, deren Wände einer gleichen Drehachse 45 zugeordnete Zylindermäntel bilden.
In den Schlitzen 43 und 44 befinden sich die Längsseiten einer rahmenförmigen Spule 46, die etwa der Spule 10 des Motors nach Fig. 2 oder der Spule 1 des Motors nach Fig. 1 gleicht. Sie weist eine Wicklung 47 und einen Spulenkörper mit zwei rahmenförmig in sich geschlossenen Lateralwänden 48 und 49 auf. In Fig. 3 ist erkennbar, dass am Spulenkörper in den Bereichen seiner Längs seiten keine Böden angeordnet sind, so dass die Wicklung 47 über Böden an den Breitseiten des Spulenkörpers frei zwischen den Schlitzen 43 und 44 gespannt ist.
In Fig. 3 wird ein Boden 50 zum grössten Teil durch den Zentralmagneten 42 abgedeckt. Aufgrund der besonderen Form des Spulenkörpers lassen sich also die Spalte 43 und 44 besonders günstig im Sinne der Erhöhung des Wirkungsgrads mit der Wicklung 47 ausfüllen.
Am Spulenkörper der Spule 46 befindet sich ein Schaltfinger 51, der beispielsweise zusammen mit einem zweiten Schaltfinger direkt in die Zähne eines Schaltrads eingreifen könnte. Am Schaltfinger 51 ist aller dings ein Stift 52 angeordnet, der bestimmungsgemäss in die Klaue eines nicht dargestellten Uhrenankers eingreift.
Gleiche Teile des Spulenkörpers nach Fig. 3 sind in Fig. 4 durch gleiche Bezugsziffern gekennzeichnet. Dem Boden 50 auf der einen Breitseite des Spulenkörpers entspricht ein Boden 53 auf der anderen Breitseite des Spulenkörpers. Zwischen den Boden 50 und 53 ist die Wicklung 47 in den Bereichen der Längsseiten der Spule 46 frei gespannt. Die Lateralwände 48 und 49 bestimmen in den Bereichen der Längsseiten des Spulenkörpers die Distanz zwischen den beiden Böden.
Mit den Bezugsziffern 54 und 55 sind zylindrische Einbuchtungen in den Lateralwänden 48 und 49 gekennzeichnet.
Diese Einbuchtungen bilden Befestigungswände für einen der Achszapfen, die die Drehachse 45 der Spule bestimmen.
Die Ausführungsbeispiele zeigen selbstverständlich nicht alle Möglichkeiten, die durch die Erfindung geschaffen wurden. So könnten beispielsweise an Stelle von elastischen Lamellen Schraubenfedern als elastische Glieder angewendet werden. Es wäre auch möglich, an dem Anker nur eine Federiamelle als elastisches Glied anzuordnen, das sich zwischen zwei festen Anschlagstücken bewegt und gegen diese stösst. An Stelle einer schwenkbaren Rahmenspule könnte auch jeder andere, dem jeweiligen Motortyp angepasste Anker treten, der wechselnde Bewegungen ausführt.