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Selbstanlaufender Synchronmotor, insbesondere
Synchron-Kleinmotor
Die Erfindung betrifft selbstanlaufende Synchronmotoren, insbesondere Synchron-Kleinmotoren ohne
Hilfsphase, mit einem von einem fest angeordneten Dauermagneten magnetisierten Läufer mit gleich polarisierten Zähnen, einem zweiteiligen Ständer und einer den Dauermagneten umgebenden, mit Läufer und Ständer koaxialen, ein stehendes Wechselfeld erzeugenden Erregerspule.
Selbstanlaufende Synchron-Kleinmotoren werden für verschiedene Zwecke verwendet, z. B. zum An- trieb von Zeit-Messgeräten usw., und müssen sehr unterschiedlichen Anforderungen genügen. So müssen sie aus möglichst wenigen und einfachen Teilen billig und mit Rücksicht auf den meist nur geringen für den Einbau verfügbaren Platz raumsparend aufgebaut sein ; weiters müssen ihre Läufer ein geringes Gewicht aufweisen, um Trägheitsmoment und Lagerreibung klein und damit das nutzbare Drehmoment zur raschen
Synchronisierung gross zu halten ; überdies müssen durch geeignete Bemessung der Drehzahl Getriebe mit grossen Übersetzungen wegen ihrer Kostspieligkeit, schwierigen Unterbringung und zusätzlichen Wartung vermieden werden.
Synchron-Kleinmotoren dürfen einerseits auch durch ihre magnetischen Felder die Wirkung anderer benachbarter Apparate nicht stören, müssen anderseits auch selbst gegen äussere Felder abgeschirmt sein sowie schliesslich während langer Zeit mit grosser Betriebssicherheit ohne Wartung einwandfrei arbeiten.
Zu den Synchron-Kleinmotoren gehören solche mit Drehfeld, wie z. B. Hysterese-Motoren sowie synchronisierte Asynchron-Motoren, und weiters solche mit stehendem Wechselfeld.
Synchronmotoren der eingangs beschriebenen Bauart mit stehendem Wechselfeld, wie ein solcher z. B. in der USA-Patentschrift Nr. 2,442, 316 beschrieben ist, weisen einen durch ein Gleichfeld polarisierten Läufer, zwei Ständerteile sowie gleichachsig zu Läufer und Ständer angeordnete Erregerspulen auf, wobei das Gleichfeld von einem axial neben dem Läufer fest angeordneten Dauermagneten erzeugt wird.
Da die magnetische Leitfähigkeit des verwendeten Magnetmateriales grösser ist als diejenige der Luft, verteilt sich bei dieser Anordnung der von der Erregerspule erzeugte Wechselfluss nicht gleichmässig über die Luftspalte zwischen Läufer und oberem bzw. unterem Ständerteil, sondern ein Teil des Wechselflusses verläuft über den magnetisch gut leitenden Dauermagneten, wodurch einerseits dieser geschwächt wird und anderseits die Kraftlinien-Dichte des Wechselflusses im Luftspalt zwischen dem einen Ständerteil und dem Läufer geringer ist als diejenige zwischen letzterem und dem andern Ständerteil. Das auf den Läufer ausgeübte Drehmoment ist dann auch für beide Halbwellen-Perioden des speisenden Wechselstromes verschieden, was einen unruhigen Lauf des Motors ergibt.
Bei diesem bekannten Synchronmotor wird zwar durch ein Schwungrad eine gewisse Beruhigung des Laufes erreicht, jedoch beeinträchtigt dieses den erwünschen raschen Anlauf.
Nach der Erfindung werden nun bei selbstanlaufenden Synchronmotoren der eingangs beschriebenen Bauart, insbesondere bei Synchron-Kleinmotoren ohne Hilfsphase, diese oben beschriebenen Nachteile dadurch wirksam behoben, dass der Dauermagnet eine hohe Koerzitivkraft und eine reversible Permeabilität von mindestens angenähert 1 aufweist.
Weiters ist auch ein selbstanlaufender Synchron-Kleinmotor bekannt, bei dem das Gleichfeld von einem Dauermagneten aus Oxyd-Magnetwerkstoff erzeugt wird, der jedoch nicht fest angeordnet ist, sondern als Läufer dient und wegen seines verhältnismässig grossen Gewichtes nur mit relativ grossem Drehmoment rasch anlaufen kann.
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Demgegenüber verteilt sich jedoch beim erfindungsgemäss aufgebauten Synchronmotor dadurch, dass die magnetische Leitfähigkeit des verwendeten Materials praktisch gleich derjenigen der Luft ist, der Wechselfluss nunmehr gleichmässig auf beide Ständerteile, wodurch eine nachteilige Schwächung des Dauermagneten vermieden wird. Durch die erfindungsgemässe Massnahme wird somit bei erhöhtem Wirkungsgrad des Synchronmotors auch ein einwandfrei ruhiger Lauf erreicht, so dass kein Schwungrad mehr erforderlich ist, das den Anlauf des Motors unerwünscht verzögern würde ; infolge der leichten Ausführung des Läufers ergibt sich weiters ein optimales Verhältnis zwischen Gewicht und Drehmoment der rotierenden Teile, wodurch ein besonders rascher Lauf des Synchronmotor erreicht wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Synchron-Kleinmotors in Fig. 1 im axialen Mittelschnitt und in Fig. 2 im Querschnitt A - Ader Fig. 1 dargestellt : weiters zeigen Fig. 3 und 4 an Radialschnitten den Verlauf des von dem den Läufer polarisierenden Dauermagneten hervorgerufenen Gleichflusses bzw. den Verlauf des von einer Erregerspule erzeugten Wechselflusses.
In Fig. 1 bedeutet 1 einen aus einer Weicheisenscheibe hergestellten Läufer, der mit achsparallel und wechselweise gegensinnig abgebogenen Läuferzähnen 2,3 versehen ist und auf einer aus nichtmagnetischem Material bestehenden Nabe 4 angeordnet ist. Die Nabe 4 sitzt auf einer Welle 5, die in Radiallagern 6 und 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 Umbördelung an einem zweiten, dem Gehäusedeckel 15 gleichen Gehäusedeckel 17 befestigt ist. Auf der Buchse 16 ist axial neben dem Läufer 1 ein ringförmiger, alle Läuferzähne gleichsinnig magnetisierender Dauermagnet 18 fest angebracht, der aus
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nahezu 1 beträgt. Zwischen dem Dauermagneten 18 und dem Gehäusedeckel 17 ist ein zweiter, dem Ständerteil 13 gleicher Ständerteil 19 derart angeordnet, dass dessen Ständerzähne 20 in der Verlängerung der Ständerzähne 14 liegen. Die Anzahl der Zähne 14,20 beider Ständerteile 13 und 19 entspricht der des Läufers 1. Für den von dem Dauermagneten 18 hervorgerufenen Gleichfluss unterscheidet man nun zwei magnetische Kreise (s.
Fig. 3), von denen einer von dem mit N bezeichneten Nordpol über die Zähne 3 des Läufers 1, die Ständerzähne 20 und über den zwischen dem Dauermagneten 18 und dem Gehäusedeckel 17 eingeklemmten Teil des Ständerteils 19 zum Südpol S des Dauermagneten 18 und
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ist ein nicht dargestelltes Rücklaufgesperre vorgesehen, das nur eine Drehung im Sinne des in Fig. 2 gezeichneten Pfeiles erlaubt. Die Bauform und Wirkungsweise solcher Rücklaufgesperre sind bekannt und sollen deshalb nicht näher erläutert werden. Die ganze oben beschriebene, aus Läufer 1, Ständerteilen 13,19 und Dauermagnet 18 bestehende Anordnung befindet sich in dem von einer Erregerspule 25 gebildeten Hohlraum 26.
Der beschriebene Synchron-Kleinmotor arbeitet nun folgendermassen :
Steht die Erregerspule 25 nicht unter Spannung, dann befindet sich der Läufer 1 unter dem Einfluss des Dauermagneten 18 in der in Fig. 2 gezeichneten Lage, weil die Ständerzähne 14,20 der Ständer- teile 13, 19 in der Verlängerung voneinander liegen, in welcher 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, die über die Läuferzähne 2 und 3, die Ständerzähne 20, die Gehäusedeckel 17 und 15 und die Ständerzähne 14 verläuft. Da die reversible Permeabilität des Dauermagneten 18 praktisch 1 beträgt, bildet er keinen oder nahezu 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 gegenüber derjenigen in den Läufer-und Ständerzähnen 2 bzw. 14 nicht herabgesetzt, was die Funktion des Synchron-Kleinmotors, wie sich aus Versuchen ergeben hat, beeinträchtigen könnte. Bei der in der Fig. 4 durch die Pfeilrichtung angegebenen Phase des Wechselfeldes wird nun der magnetische Kraftfluss in den Läufer- und Ständerzähnen 3 bzw. 20 verstärkt und der in den Läufer- und Ständerzähnen 2 bzw. 14 geschwächt. Der Läufer 1 wird dadurch in eine Winkellage bewegt, in der die Läuferzähne 3 und die Ständerzähne 20 einander symmetrisch gegenüberstehen.
Für die angenommene Phase des Wechselfeldes bedeutet dies
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somit, dass der Läufer 1 im Uhrzeigersinn zu laufen anfängt. Dadurch, dass die Ständerzähne 14,20 in der
Verlängerung voneinander liegen, erübrigt sich somit eine spezielle Vorrichtung, welche den Läufer l in einer für den Selbstanlauf erforderlichen Stellung hält, wenn die Erregerspule 25 vom Netz abgeschaltet ist. Wäre die Phase des Wechselfeldes beim Unterspannungbringen der Erregerspule 25 anders 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 sich die Phase des Wechselfeldes umkehrt.
Statt der beschriebenen Ausführung des Läufers kann derselbe auch aus einem magnetisch leitenden und kreisförmig umgebogenen Band aufgebaut sein, welches am Umfang einer auf der Achse 5 ange- brachten Scheibe angeordnet ist und, z. B. durch eine Stanzbearbeitung, mit wechselweise gegensinnig und axial gerichteten Zähnen versehen ist. Ausserdem braucht der Dauermagnet nicht axial neben dem Läufer angeordnet zu werden, sondern kann auch so vorgesehen werden, dass seine senkrecht zu der Achse 5 stehende Symmetrieebene mindestens angenähert mit derjenigen des Läufers zusammenfällt. In diesem
Fall muss der Dauermagnet derart radial polarisiert werden, dass er am Aussenumfang nur Magnetismus von einer Polarität und am Innenumfang nur von der andern aufweist.
Der Läufer kann in diesem Fall aus zwei mit axial umgebogenen Zähnen versehenen und um eine halbe Zahnteilung gegeneinander ver- setzten Scheiben bestehen oder aus einem mit wechselweise gegensinnig und axial gerichteten Zähnen versehenen, magnetisch leitenden und kreisförmig umgebogenen Band aufgebaut sein, welches am Um- fang von zwei auf der Achse 5 angebrachten Scheiben angeordnet ist.
Der beschriebene selbstanlaufende Synchron-Kleinmotor eignet sich durch seinen äusserst leichten Läufer besonders für solche Zwecke, bei welchen eine möglichst kurze Zeit zum Erreichen des Synchronismus mit relativ geringem Drehmoment Bedingung ist, ohne dass dadurch der für den Anlauf des Läufers bedingte Drehmomentanteil verhältnismässig gross ausfällt. Überdies weist er relativ sehr geringe Ab- messungen auf, da Ständer, Läufer und Dauermagnet nur einfach 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 Magnetismus dieses Dauermagneten unter Einfluss des Wechselfeldes nachteilig geschwächt wird.
Dadurch, dass die Ständerzähne 14 bzw. 20 nicht aus den Gehäusedeckeln 15 bzw. 17 herausgebogen sind, sondern zu den einzelnen vorgesehenen Ständerteilen 13 bzw. 19 gehören, ist ihre Breite, obwohl der Durchmesser des Synchron-Kleinmotors relativ gering ist, verhältnismässig gross. Dadurch wird ein grösserer magnetischer Kraftfluss zulässig, ohne dass eine magnetische Sättigung auftritt. Letztere würde starke magnetische Streufelder zur Folge haben, was den Wirkungsgrad des Motors herabsetzen würde. Der Aufbau des beschriebenen Synchron-Kleinmotors ist verhältnismässig einfach, besonders auch deshalb, weil er ohne Hilfsphase arbeitet. Er eignet sich daher gut für die Massenanfertigung.
Ferner ist er nach aussen magnetisch vollständig abgeschirmt, so dass er weder durch äussere Felder gestört werden kann, noch selbst störende Wirkungen ausübt. Da der Abstand der Ständerzähne 14 und 20, im Verhältnis zu den Luftspalten zwischen den Läuierzähnen 2,3 und den Ständerzähnen 14 bzw. 20, sehr gross ist und ferner die reversible Permeabilität des verwendeten Magnetwerkstoffes nahezu 1 beträgt, werden praktisch keine Kraftlinien des Wechselfeldes über die Luftspalte zwischen den Ständerzähnen 14 und 20 bzw. den Dauermagneten 18 verlaufen, so dass sozusagen der ganze Wechselfluss der Drehmomentbildung zugute kommt.
Des weiteren wird der Dauermagnet vor seiner Montage magnetisiert, da er weitgehend unempfindlich für entmagnetisierende Einflüsse ist, welches die Fabrikation erheblich vereinfacht. Aus demselben Grunde kann der Synchron-Kleinmotor ohne weiteres demontiert werden.