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Selbstanlaufender Synchronmotor, insbesondere Synchronkleinmotor Selbstanlaufende Synchronkleinmotoren werden für Zwecke verwendet, z. B. als Antrieb für Zeitmessgeräte, Tarifapparate, Zeitschalter, Registrierapparatb usw. Die Anforderungen, denen sie genügen müssen, sind sehr verschiedenartig. So müssen sie für einen billigen und einfachen Bau aus möglichstwenigen und einfach herzustellenden Teilen bestehen und bei ihremEinbau nur wenig Platz benötigen, da besonders in den Apparaten der eingangs beschriebenen Art nur ein sehr kleiner Raum für den Einbau zur Verfügung steht.
Weiter muss das Gewicht ihrer Läufer verhältnismässig klein sein, um das Trägheitsmoment derselben und die von ihnen hervorgerufene Lagerreibung gering zu halten, damit das nutzbare Drehmoment genügend gross wird, um die Synchronkleinmotoren möglichst rasch in Synchronismus zu bringen. Überdies muss ihre Drehzahl derart sein, dass sich die Anwendung von Übersetzungsgetrieben mit grossen Übersetzungsverhältnissen erübrigt, da diese den Herstellungspreis des Synchronkleinmotors beträchtlich erhöhen. zusätzliche Lager- und Schmierprobleme hervorrufen und für ihre Unterbringung in Geräten verhältnismässig viel Raum beanspruchen.
Des weiteren dürfen die Synchronkleinmotoren die Wirkung anderer in ihrer Nähe angebrachter Apparate durch die von ihnen erzeugten magnetischen Felder nicht stören und dürfen auch selber nicht von äusseren magnetischen Feldern in ihrer Wirkung beeinflusst werden. Eine weitere Bedingung, die an sie gestellt wird, ist eine grosse Betriebssicherheit, da sie während langer Zeit ohne Wartung einwandfrei arbeiten müssen.
Die Synchronkleinmotoren kann man aufteilen in solche mit Drehfeld, wie z. B. Hysterese-und synchronisierte Asynchronmotoren, und in solche mit einem stehenden Wechselfeld.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen selbstanlaufenden Synchronmotor, insbesondere Synchrönkleinmotor, mit einem von einem Gleichfeld polarisierten, mit axial gerichteten, Pole bildenden Zähnen versehenen Läufer, einem aus zwei, mit axial verlaufenden, Pole bildenden Zähnen versehenen Ständerteilen bestehenden Ständer und einer gleichachsig zum Läufer und Ständer angeordneten, ein stehendes Wechselfeld erzeugenden Erregerspule. Synchronmotoren dieser Art sind bekannt. Bei einer bekannten Ausführung eines solchen Synchronmotor besteht der Ständer aus zwei Ständerteilen, deren gegensinnig und. achsparallel abgebogene Zähne ineinander greifen und von einer sie umgebenden Erregerspule magnetisiert-werden.
Der Läufer besteht aus zwei, mit gleichsinnig und axial abgebogenen, ineinander greifenden Zähnen versehenen Scheiben, zwischen denen ein axial magnetisierter Dauermagnet angebracht ist, der die Läuferzähne somit wechselweise gegensinnig magnetisiert. Diese Ausführung weist den Nachteil auf, dass eine spezielle Vorrichtung vorgesehen werden muss, welche den Läufer bei ausgeschalteter Erregerspule in eine für denSelbstanlauf erforderliche Lage bringt.
Der Läufer hat nämlich In diesem Fall das Bestreben, sich in eine solche Lage zu stellen, dass der magnetische Widerstand für den Gleichfluss möglichst gering ist, welches der Fall ist, wenn die Läuferzähne genau gegenüber den Ständerzähnen stehen, d. h. bei einer Stellung des Läufers, bei der letzterer nicht anlaufen würde. Überdies kommt bei dieser Ausführung der Wechselfluss nur teilweise für die Drehmomentbildung zur Wirkung, weil die Luftspalte zwischen den ineinander greifenden Ständerzähnen einen Parallelpfad für diesen Wechselfluss bilden, wodurch zur Drehmomentbildung nur der Streufluss zwischen diesen Ständerzähnen beiträgt.
Des weiteren ist der rotierende Dauermagnet dem entmagnetisierenden Einfluss des Wechselfeldes ausgesetzt, so dass mit einer beträchtlichen Schwächung desselben gerechnet werden muss.
Bei einer andern bekannten Ausführung eines Synchronmotors unterscheidet man zwei axial nebeneinander angeordnete, mit achsparallel abgebogenen, einander zugekehrten Zähnen versehene Ständer,
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die je von einer hohlzylindrischen Erregerspule umgeben sind. Eine der beiden Erregerspulen wird direkt, die andere über ein phasenverschiebendes Element vom Netz gespeist, u. zw. derart, dass die Wechselflüsse in den. beiden Ständern gegeneinander um 900 phasenverschoben sind, Die Ständer wirken mit je einem auf einer gemeinsamen Welle angeordneten Läufer zusammen, der aus zwei mit achsparallel abgebogenen Zähnen versehenen und um eine halbe Zahnteilung gegeneinander versetzten Scheiben besteht.
Die Breite und Anzahl der Läuferzähne sind denen der Ständerzähne gleich. Zwischen den beiden Läufern ist ein axial magnetisierter Dauermagnet eingeklemmt, der die beiden Läufer somit gegensinnig magnetisiert. Damit der magnetische Widerstand für den Gleich- und Wechselfluss in allen Stellungen der beiden Läufer immer der gleiche ist, was insbesondere im Hinblick auf die Schwächung des Dauermagneten von grosser Wichtigkeit ist, sind die Ständerteile derart angeordnet, dass ihre Zähne. in der Verlängerung voneinander liegen, während die beiden Läuferteile um ein Viertel der Zahnteilung gegeneinander versetzt sind.
Dieser Synchronmotor weist den Nachteil auf, dass er, weil die Teile in doppelter Anzahl vorgesehen werden müssen, relativ teuer ist, und für seine Unterbringung verhältnismässig viel Raum beansprucht, wodurch sein Einbau besonders in den eingangs erwähnten Geräten, von denen der Raum schon weitgehend ausgenutzt ist, nicht in Frage kommt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Wechselfluss nur teilweise für die Drehmomentbildung zur Verfügung steht, da ein Teil der Kraftlinien des Wechselflusses über den magnetisch gut leitenden Dauermagneten verläuft, so dass der Wirkungsgrad dieses Synchronmotor verhältnismässig niedrig ist, dies umsomehr, als der Dauermagnet von diesem Wechselflussanteil eine beträchtliche Schwächung erfährt.
Überdies weisen die bekannten Synchronmotoren den Nachteil auf, dass eine Anpassung des Trägheitsmomentes des aus Läufer und zugehörigem Dauermagneten bestehenden drehbeweglichen Systems all das zu liefernde Drehmoment nur beschränkt möglich ist. Diese Anpassung ist deshalb von Bedeutung, da es sich erfahrungsgemäss gezeigt hat, dass der Zusammenhang zwischen dem obengenannten Trägheitsmoment und dem Drehmoment für die Arbeitsweise des Synchronmotors eine wichtige Rolle spielt.
Ist z. B. das drehbewegliche System verhältnismässig schwer oder sind die auf dieses wirkenden magnetischen Kräfte gering, dann ist ein selbsttätiges Anlaufen nicht möglich-ist dagegen das Läufergewicht verhältnismässig niedrig, entsteht bei jeder Opposition der Läuferzähne gegenüber einem Ständerzahn ein seiner Drehbewegung überlagertes Pendeln des Läufers.
Nach der Erfindung werden nun bei selbstanlaufenden Synchronmotoren - insbesondere bei Synchronkleinmotoren - obiger Bauart diese hier erwähnten Nachteile dadurch vermieden, dass zur Erzeugung des den Läufer polarisierenden Gleichfeldes mindestens zwei Dauermagnete vorgesehen sind, deren einer am Läufer befestigt und der andere fest angeordnet ist.
Diese Dauermagnete sollen dabei vorzugsweise eine hohe Koerzitivkraft und eine reversible Permeabilität von mindestens angenähert 1 aufweisen.
Es sei-erwähnt, dass ein selbstanlaufender Synchronmotor mit fest angeordnetem Dauermagneten bekannt ist, der jedoch zum Unterschied von der erfindungsgemässen Ausführungsform aus zwei einander gleichen Hälften besteht, die je einen Läufer, einen Ständer und eine Erregerspule aufweisen, die beide gegensinnig geschaltet sind, so dass sich ihre Wechselfelder im Dauermagneten aufheben ; nur dadurch kann der bei diesem Synchronmotor nachteiligen Schwächung des Dauermagneten durch das Wechselfeld vorgebeugt werden.
Ausser, dass ein solcher Synchronmotor relativ grosse Abmessungen bedingt, wodurch er nur für Apparate mit verhältnismässig grossem für seinen Einbau verfügbaren Raum in Betracht kommen kann, weist er noch den Nachteil auf, dass bei seiner Demontage der remanente Magnetismus des Dauermagneten stark geschwächt wird, wodurch sein Drehmoment erheblich abnimmt und der Anlauf nunmehr im günstigsten Fall nur verzögert, erfolgen kann.
Weiters ist auch ein selbstanlaufender Synchronkleinmotor bekannt, der einen durch ein Gleichfeld polarisierten Läufer, zwei Ständerteile und eine gleichachsig zu Läufer und Ständer angeordnete Erregerspule aufweist ; bei dieser Ausführungsform wird jedoch das Gleichfeld nur durch einen fest angeordneten, nicht hochkoerzitiven Dauermagneten erzeugt, dessen magnetische Leitfähigkeit somit grösser ist als diejenige der Luft, so dass sich der von der Erregerspule erzeugte Wechselfluss nicht gleichmässig über die Luftspalte zwischen Läufer und oberem bzw. unterem Ständerteil verteilt und dadurch der Motor unruhig läuft.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Synchronkleinmotors darge- stellt, u. zw. in Fig, 1 und 2 im Mittelschnitt bzw. in einem abgesetzten Querschnitt A-A der Fig. l ; weiters zeigen : Fig. 3 den Verlauf des Gleichflusses-hervorgerufen von den den Läufer polarisierenden Dauermagneten und schliesslich Fig. 4 den Verlauf des von einer Erregerspule erzeugten Wechselflusses.
In Fig. 1 bedeutet 1 einen aus einer Weicheisenscheibe hergestellten Läufer, der mit achsparallel
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und wechselweise gegensinnig abgebogenen Läufcrzähnen 2,3 versehen ist und auf einer, aus nicht magnetischem Material bestehenden Nabe 4 angeordnet ist. An den Läufer 1 ist ein ringförmiger Dauermagnet 27 angeklebt, der aus hochkoerzitivem Oxyd-Magnetwerkstoff hergestellt ist, wie z. B. dem unter dem Markenwort Ferroxdure bekannten Oxyd-Werkstoff, dessen Koerzitivkraft zirka 1500 Oersted und dessen reversible Permeabilität etwa 1 beträgt. Die Nabe 4 sitzt auf einer Welle 5, die in Radiallagern 6, 7 gelagert ist und sich mit ihrem rechten Ende gegen ein Axiallager 8 abstützt.
Zwecks Schmierung der Welle 5 sind zwischen den Radiallagern 6 bzw. dem Radiallager 7 und dem Axiallager 8 Schmierfilze 9 und 10 vorgesehen. Die Radiallager 6 sind in einer Bohrung 11 einer Buchse 12 untergebracht, deren linkes Ende umgebördelt und mit dem mit axial vorspringenden Ständerzähnen 14 versehenen Ständerteil 13 an dem Gehäusedeckel 15 befestigt ist. Das Radiallager 7 und das Axiallager 8 sind in einer Buchse 16 angeordnet, die ebenfalls durch Umbördclung an ein m zweiten, dem Gehäusedeckel 15 gleichen Gehäusedeckel 17 befestigt ist. Auf der Buchse 16 ist axial neben dem Läufer 1 ein zweiter, ringförmiger Dauermagnet 18 fest angebracht, der aus demselben Magnetwerkstoff hergestellt ist, wie der Dauermagnet 27.
Die Dauermagnete 18 und 27 sind axial magnetisiert, und das von ihnen erzeugte Gleichfeld magnetisiert alle Läuferzähne 2, 3 gleichsinnig. Zwischen dem Dauermagneten. 18 und dem Gehäuse-
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13 gleicher Ständerteil 19Gleichfluss unterscheidet man nun zwei magnetische Kreise (s. Fig. 3), u. zw.
einerseits einen magneti- schen Kreis, verlaufend von dem mit N bezeichneten Nordpol des Dauermagneten 27 über die Zähne 3 des Läufers l, die Ständerzähne 20, den zwischen den Dauermagneten 18 und dem Gehäusedeckel 17 eingeklemmten Teil des Ständerteiles 19 und den Dauermagneten 18 zum Südpol Sdes Dauermagne- ten 27, und-anderseits einen zweiten magnetischen Kreis, verlaufend vom Nordpol N des Dauermagne- ten 27 über die Läuferzähne 2, die Ständerzähne 14. die Gehäusedeckel 15, 17, den Ständertei119 und' den Dauermagneten 18 zum Südpol S des Dauermagneten 27.
Da der Synchronkleinmotor in beiden Rich- tungen laufen kann, ist ein nicht dargestelltes Rücklaufgesperre vorgesehen, das nur eine Drehung im
Sinne des in Fig. 2 gezeichneten Pfeiles erlaubt. Die Bauform und Wirkungsweise solcher Rücklaufge- sperre sind bekannt und sollen deshalb nicht näher erläutert werden. Die ganz oben beschriebene, aus
Läufer 1, Ständerteilen 13,19 und Dauermagneten 18 und 27 bestehende Anordnung befindet sich in dem von einer Erregerspule 25 gebildeten Hohlraum 26.
Der beschriebene Synchronkleinmotor arbeitet nun folgendermassen : Steht die Erregerspule 25 nicht unter Spannung, dann befindet sich der Läufer 1 unter Einfluss der Dauermagneten 18,27 und, weil die
Ständerzähne 14,20 in der Verlängerung voneinander liegen, in der in Fig. 2 gezeichneten Lage, in wel- cher die magnetischen Widerstände der beiden oben beschriebenen magnetischen Kreise einander gleich sind. Wird nun die Erregerspule 25 an Spannung gelegt, dann wird ein Wechselfeld erzeugt, von dem in der Fig. 4 eine Kraftlinie strichpunktiert eingezeichnet ist, hie über die Läuferzähne 2,3, die Ständer- zähne 20, die Gehäusedeckel 17, 15 und die Ständerzähne 14 verläuft.
Da die reversible Permeabilität der Dauermagnete 18,27 naaezu 1 beträgt, bilden sie keinen oder praktisch keinen Parallelpfad für die von der Erregerspule 25 hervorgerufenen und über die Läufer-und Ständerzähne 3 bzw. 20 verlaufenden Kraftlinien. Hiedurch wird die magnetische Induktion des Wechselfeldes in den Läufer- und Ständerzähnen 3 bzw. 20 nicht gegenüber derjenigen in den Läufer-und Ständerzähnen 2 bzw. 14 herabgesetzt, in welch letzterem Fall die Wirkung des Synchronmotors, wie sich aus Versuchen ergeben hat, beeinträchtigt oder sogar unmöglich gemacht würde.
Bei der in der Fig. 1 durch die Pfeilrichtung angegebenen Phase des Wechselfeldes wird nun der magnetische Kraftfluss in den Läufer- und Ständerzähnen 3 bzw. 20 verstärkt und derjenige in den Läufer-und Ständerzähnen 2 bzw. 14 geschwächt.. Der Läufer 1 wird dadurch in einewinkellage bewegt, in der die Läuferzähne 3 und die Ständerzähne 20 einander symmetrisch gegenüberstehen. Für die angenommene Phase des Wechselfeldes bedeutet dies somit, dass der Läufer 1 im Uhrzeigersinn zu laufen anfängt. Eine spezielle Vorrichtung, welche den Läufer l in einer für den Selbstanlauf erforderlichen Stellung hält, wenn die Erregerspule 25 vom Netz abgeschaltet ist, erübrigt sich hiebei.
Wäre die Phase des Wechselfeldes beim Einschalten der Erregerspule 25 entgegengesetzt gerichtet gewesen, dann wäre der Läufer 1 im Gegenuhrzeigersinn angelaufen. In diesem Fall kommt aber das Rücklaufgesperre zur Wirkung, so dass der Läufer 1 zum Stillstand kommt und erst wieder anläuft, sobald die Phase des Wechselfeldes umkehrt. Obwohl im beschriebenen Arsführungsbeispiel nur zwei Dauermagnete 18, 27 verwendet werden, ist es ebenfalls möglich, zwei weitere, den Dauermagneten 18 bzw. 27 gleiche, aber spiegelbildlich bezüglich diesen angeordnete Dauermagnete zur linken Seite des Läufers 1 in derselben Weise, wie dies für die Dauermagnete 18,27 beschrieben worden ist, vorzusehen.
Bei
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einer solchen Anordnung heben dann die von beiden Paaren Dauermagnete herrührenden Gleichflüsse einander in den Gehäusedeckeln 15, 17 auf, und Wechsel- und Gleichfluss laufen nur noch in den Ständerzähnen 14,20, den Läuferzähnen 2,3 und den Luftspalten zwischen Ständer- und Läuferzähner1 gleich. Weiter kann statt der beschriebenen Ausführung des Läufers derselbe auch aus einem magnetisch leitenden und kreisförmig umgebogenen Band aufgebaut sein, welches am Umfang mindestens einer, auf der Achse 5 angebrachten Scheibe angeordnet ist und, z. B. durch eine Stanzbearbeitung, mit wechselweise gegensinnig und axial gerichteten Zähnen versehen ist.
Auch ist es möglich, einen der Dauermagnete derart anzuordnen, dass seine senkrecht zu der Achse 5 des Läufers stehende Symmetrieebene mindestens angenähert mit derjenigen des Läufers zusammenfällt, vorausgesetzt, dass die Magnete derart radial polarisiert sind, dass alle am Aussenumfang den gleichen Magnetismus aufweisen. Der Läufer kann hiebei z. B. aus zwei, mit axial und gleichsinnig umgebogenen Zähnen versehenen und um eine halbe-Zahnteilung gegeneinander versetzten Scheiben bestehen oder aus dem berts bp chnebeneH, mit Zähnen versehenen Band aufgebaut sein, welches am Umfang zweier, auf der Achse 5 angebrachter Scheiben angeordnet ist. Bei den beiden letzteren Ausführungsmöglichkeiten kann entweder nur eine der beiden Scheiben des Läufers oder beide mit einem Dauermagneten versehen werden.
Die beschriebene Ausführung des Synchronkleinmotors ermöglicht in einfacher Weise durch Verteilung des Gewichtes des permanentmagnetischen Systems über einen fest-und einen drehbeweglich. angeordneten Dauermagneten, eine Anpassung des Trägheitsmomentes des aus Läufer und zugehörigen Dauermagneten bestehenden drehbeweglichen Systems an das Drehmoment vorzunehmen, damit ein einwandfreier Lauf des Motors gewährleistet ist. Man kann dabei die Amplitude des Wechselfeldes im Luftspalt immer gleich jener des Gleichflusses wählen, wobei für eine bestimmte Baugrösse des Synchronmotor das grösstmögliche Drehmoment erzielt wird.
Einen weiteren Vorteil bilden die relativ sehr geringen Abmessungen des Motors, da Ständer und Läufer nur in einfacher Anzahl vorgesehen zu werden brauchen und lediglich den durch die Erregerspule gebildeten Hohlraum beanspruchen, ohne dass durch diese Anordnung des Dauermagneten der für einen hohen Wirkungsgrad erforderliche Feldverlauf gestört oder der Magnetsmus dieses Dauermagneten unter Einfluss des Wechselfeldes nachteilig geschwächt wird. Der beschriebene Synchronmotor besteht weiter aus wenigen und einfach herzustellenden Teilen und eignet sich somit sehr gut für eine Massenfertigung.
Da der Abstand der Ständerzähne 14,20 im Verhältnis zu den Luftspalten zwischen den Läuferzähnen 2, 3 und den Ständerzähnen 14 bzw. 20 sehr gross ist und ferner die reversible Permeabilität des verwendeten Magnetwerkstoffes nahezu 1 beträgt, werden praktisch nur wenige Kraftlinien des Wechselfeldes über die Luftspalte zwischen den Ständerzähnen 14,20 bzw. die Dauermagnete 18, 27 verlaufen, so dass praktisch der ganze Wechcelfluss zur Drehmomentbildung beiträgt. Des weiteren kann der Dauermagnet vor seiner Montage magnetisiert werden, da er weitgehend unempfindlich für entmagnetisierende Einflüsse ist, was die Fabrikation erheblich vereinfacht. Aus demselben Grunde kann der Synchronmotor, ohne dass eine Schwächung der Dauermagnete hervorgerufen wird, demontiert werden.
Vorteilhaft ist weiter noch, dass in den Dauermagneten praktisch keine Wirbelstromverluste auftreten, da der verwendete Magnetwerkstoff einen sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Selbstanlaufender Synchronmotor-insbesondere Synchronkleinmotor-mit einem von einem Gleichfeld polarisierten Läufer mit axialen, zahnförmigen Polen, einem Ständer aus zwei, mit axialen zahnförmigen Polen versehenen Teilen sowie einer zu Läufer und Ständer gleichachsig angeordneten, ein stehendes Wechselfeld erzeugenden Erregerspule, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des den Läufer (1) polarisierenden Gleichfeld es mindestens zwei Dauermagnete (18, 27) vorgesehen sind, deren einer (27) am Läufer (l) befestigt und der andere (18). fest angeordnet ist.