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Geräuscharmer Elektromotor
Die Erfindung betrifft geräuscharme, kleine Wechselstrommotoren, die ein Drehfeld aufweisen. Der- artige Motoren werden für viele Zwecke benutzt. Für viele Anwendungszwecke, insbesondere für den An- trieb von Tonbandgeräten, ist es ausserdem wichtig, dass der Wirkungsgrad der Motoren gut ist.
Das beim Laufen von kleinen Wechselstrommotoren entstehende C "rausch wird vor allem durch zeiti liche Schwankungen des magnetischen Widerstandes hervorgerufen. Zur Vermeidung des Nutengeräusches hat man bereits Motoren hergestellt, deren Statornuten geschlossen sind. Die schmalen, die Nuten über- brückenden Stege stellen dabei jedoch einen unerwünschten magnetischen Nebenschluss für die Kraftlinien des Primärfeldes dar, und man hat deshalb versucht, diese störende Wirkung gering zu machen, indem man bei Histerese-Motoren einen sehr kleinen Luftspalt von etwa 0, 1 mm gewählt hat.
BeiderFabrikation von Motoren mit so kleinem Luftspalt ergeben sich jedoch grosse Schwierigkeiten, da geringe, praktisch unvermeidliche örtliche Schwankungen der Luftspaltlänge bereits erheblichen Kör- perschall und hörbare Störschwingungen verursachen.
Auf Grund von eingehenden Untersuchungen wurde die Erkenntnis gewonnen, dass die magnetische
Wirkungszone um den Nutenschlitz zwischen zwei Zähnen folgenden idealen Bedingungen entsprechen sollte :
1. Die wirksame Zahnfläche im Arbeitsluftspalt soll möglichst so gross wie die Zahnteilung sein ;
2. die Zahnkopfenden oder Ecken sollen aber nicht gesättigt werden ;
3. das Hauptfeld soll auch an den Zahnkopfenden noch ungestört in den Arbeitsluftspalt übertreten können ;
4. es soll daher keine gesättigte Eisenverbindung zwischen den gegenüberliegenden Zahnspitzen oder - enden über deren Länge bestehen ;
5. der Abstand dieser Zahnendensollte nur etwa so gross sein wie etwa die Weite des Arbeitsluftspaltes, damit kein nennenswerter Abfall der Induktion im Luftspalt eintritt, und
6. die ausserordentlich schmale Nutenschlitzöffnung soll schnell divergieren, damit das Streufeld zwischen den Nutenflanken so klein wie möglich ist.
Die Erfindung bezweckt, einen neuartigen elektrischen Kleinmotor sowie ein zur Massenherstellung von derartigen Kleinmotoren geeignetes Herstellungsverfahren anzugeben, wobei die vorstehenden Be- dingungen erfüllt werden, so dass die danach hergestellten Motoren bestmögliche Leistung, geringstmög- liches Geräusch sowie ein Minimum von Verlusten aufweisen, die durch Nutungsoberwellen hervorgerufen werden.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass Motoren dann besonders geräuscharm laufen, wenn die einander benachbartenFlanken der Zähne bis zum Luftspalt hin unter einem spitzen Winkel verlaufen, und wenn ausserdem zwischen den einander zugewendeten Zahnspitzen nur ein sehr geringer Abstand besteht, welcher ungefähr so gross ist wie der Luftspalt zwischen Stator und Rotor.
Die magnetisch wirksamen Eisenkerne derartiger Motoren werden üblicherweise von Blechpaketen gebildet, die aus einzelnen, ausgestanzten Blechen bestehen. Bisher hat es ausserordentliche Schwierigkeiten bereitet, die einzelnen Bleche in solcher Form auszustanzen, dass die im vorstehenden Absatz angegebenen Bedingungen (schräge Flanken bis zum Luftspalt, sehr geringer Abstand benachbarter Zahnspitzen) erfüllt werden.
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halboffenenfläche schräge Flanken aufweisen, wie sieansich bei aus Stanzblechen aufgebauten Keilen für Grossma- schinen bekannt sind, wobei die einander zugewendeten Flanken der Profilteile an der Ankeroberfläche i unter einem höchstens 900 betragenden Winkel bis auf etwa die Grösse des Arbeitsluftspaltes zusammen- laufen und durch kleine, rippenartig geprägte Stege in grösserem Abstand und bzw. oder mittels einer un- magnetischen Lot- bzw. Schweissnaht verbunden sind. Hiebei sind die Aussenflanken der Nutenverschluss- keile an die Form der nutenseitigen Zahnkopfflanken angepasst, wodurch diese Nutenverschlusskeile zur
Ankeroberfläche bündig gehalten werden.
Die Anwendung der Erfindung bringt in der Praxis einen grossen Fortschritt in bezug auf den Wirkungs- grad, das Anzugmoment und eine ausserordentlich weitgehende Geräuschverminderung. Die sehr enge
Schlitzweite hat bei dem Vorbeigang der Zähne von Stator und Rotor nur winzige Schwankungen des ma- gnetischen Widerstandes zur Folge. Die bisherigen Feldschwankungen durch die Nutung werden somit ausserordentlich vermindert. Die Geräuschuntersuchung zeigt, dass alle hohen, bekanntlich sehr lästigen
Geräuschfrequenzen im Bereich der grössten Ohrempfindlichkeit durch diese Massnahme fast vollig zum
Verschwinden gebracht werden. Der beispielsweise in dem bekannten Grundig-Diktiergerät "Stenorette" verwendeteMotor ist auf diese Weise ausgebildet.
Er muss auch während der Diktierpausen ständig laufen, um die momentane Betriebsbereitschaft des Gerätes mit Hilfe der Schwungmasse ohne Silbenverlust bei. der Wiedergabe zu erzielen. Das Geräusch dieser Motoren liegt im eingebauten Zustande unter 30 Phon.
Ohne die Anordnung nach der Erfindung wäre das nicht erreichbar, denn der Motor kann dabei schwin- gungstechnisch nicht hinreichend isoliert werden, weil der Reibradwechselantrieb sonst durch das Aus- weichen der Gummiteile keine Funktionssicherheit mehr hätte.
Bei der Fabrikation von Ankern mit Nutenverschlusskeilen ist es zweckmässig, zuerst das Doppelpro- fil der Nutenverschlusskeile aus Flachdraht mittels Pressen bzw. Walzen derart herzustellen, dass beim
Pressen bzw. Walzen eine durchlaufende, schwache mechanische Verbindung der schräg zueinander lau- fenden Innenflanken bestehen bleibt, sodann die Nuten des Ankers durch aus diesem Doppelprofil gebildete
Nutenkeile zu verschliessen und hierauf durch nachträgliche Überarbeitung (z. B. Überschleifen) des mit der Wicklung versehenenAnkerblechpaktes durch eine dabei entstehende schmale. Fuge zwischen den Pro-
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die unmagnetische Naht mechanisch zusammengehalten bleiben.
. Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn die Nutenschlitze sowohl des Rotors als auch des Stators etwa die Weite des Luftspaltes aufweisen. Dies rührt davon her, dass die magnetisch wirksame Zahnbreite im Luftspalt einen Maximalwert erreicht, ohne dass dabei die Streuung zwischen benachbarten Zahnkopfflanken ein störendes Mass erreicht.
Im nachstehenden wird die Erfindung in Verbindung mit den Ausführungsbeispiele darstellenden Figuren näher beschrieben. Hiebei sind alle für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Einzelheiten der besseren Übersicht halber fortgelassen worden. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit dergleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigt : Fig. 1 im Querschnitt die obere Hälfte eines erfindungsgemäss ausgeführten Stators mit zwei Varianten der Rotorkonstruktion, Fig. 2 in perspektivischer Ansicht die erfindungsgemässe Ausbildung der Zahnköpfe, Fig. 3 die perspektiyische Ansicht eines AusfUhrungsbeispiels der Erfindung mit zwei Varianten der Rotorkonstruktion, Fig. 4 den Rotor zu Fig. 3 links, Fig. 5 den Querschnitt durch die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform eines Nutenverschlusskeiles mit Stegen, Fig. 6 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der Nutenverschlusskeile mit eingelötetem Draht, Fig. 7 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der Nutenverschlusskeile mit eingeschweisstem Draht, Fig.
8 eine schematische Skizze zur Erläuterung der Verbindung der beiden Zahnverbreiterungen durch Einschmelzen von unmagnetischem Metalldraht, Fig. 9 eine schematische Skizze zur Erläuterung des Einschweissens eines unmagnetischen Metalldrahtes mit Hilfe vonRollenelektroden und Fig. 10 schematisch den Anschluss des Motors über einen Transformator.
Der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Teil des Stators eines Kleinmotors besteht im wesentlichen aus den mit Nuten versehenen, zu einem Paket verbundenen Statorblechen 1 mit Zähnen 4. Die Wicklung 5 ist in die zwischen den Zähnen befindlichen Nuten 7 eingelegt. An die Köpfe der lamellierten Zähne sind beiderseits Zahnspitzen 8 angesetzt, die als Polschuhe des Zahnes wirken. Nähere Einzelheiten sind aus Fig. 2 ersichtlich, die in vergrössertem Massstab die Zähne 4 sowie eine Ausführungsform der angesetzten Zahnspitzen 8 zeigt. Diese Zahnspitzen 8, die als magnetische Polschuhe der Zähne 4 wirken, sind aus einem Profileisenstab bzw. -draht durch Prägen, Pressen oder Walzen hergestellt. Die beiden
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einander zugewendeten Zahnspitzen benachbarter Zähne sind hiebei durch schmale Stege 18 miteinander verbunden.
Zwischen den Stegen ist eine V-förmige Nut mit einem Schlitz, dessen Breite 6'gleich der radialen Länge des Luftspaltes ist. Verschiedene Methoden zur Herstellung der unmagnetischen Verbindung der Zahnspitzen 8 werden später in Verbindung mit den Figuren 5-9 beschrieben.
In Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemässen Motors dargestellt. Der linke Teil der Zeichnung zeigt einen Käfigmotor gemäss Fig. l, während der rechte Teil einen Hysterese-Motor darstellt. Das im Schnitt dargestellte Lagerschild 19 trägt gemeinsam mit dem rückwärtigen Lagerdeckel 20 die Welle. Fig. 3 zeigt links die Wicklung im Schnitt durch den Statorwickelkopf 21 sowie durch einen Läuferstirnring 22. Fig. 4 gibt den Läufer des Hysterese-Motors gemäss Fig. 3 (rechts) wieder. Der Läufer besteht in der Mitte aus einer vollen Walze von Hysteresewerkstoff 17, an die Stummel 23 aus unma- gnetischem Werkstoff aufgeschweisst oder aufgekittet sind, an die sich die Wellenzapfen 24 anschliessen.
Die Wellenzapfen können in den unmagnetischen Werkstoff eingepresst sein.
Fig. 5 zeigt einen keilförmigen Nutenverschluss gemäss Fig. 2, wobei die zwei Profilteile, welche die Zahnspitzen 8 bilden, bis auf den Spalt 6* einander genähert sind und stellenweise durch Stege 18 zusammenhängend hergestellt sind. Sie schliessen sich den Flanken der Zahnköpfe gut an.
In Fig. 6 ist die Fuge zwischen den beiden Zahnspitzen durch Einlöten eines Drahtes mit einem unmagnetischen Metall 32 erfüllt.
Hg. 7 zeigt einen Keil für eine schmale halbgeschlossene Nut in ähnlicher Ausbildung wie Fig. 6, jedoch ist hier ein Draht eingelötet oder eingeschweisst.
InFig. 8 ist links angedeutet, wie ein Draht 33 aus unmagnetischem Metall, z. B. Messing, zwischen
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singdraht geschmolzen und füllt, wie in Fig. 8 rechts angedeutet, die Fuge zwischen den beiden Zahnspitzen 8 aus und fixiert gleichzeitig deren Abstand.
Fig. 9 erläutert schematisch eine Variante des zuletzt genannten Verfahrens. Die Zahnspitzen und der Draht werden hiebei fest miteinander verschweisst, indem sie zwischen den Rollenelektroden 34 einer Schweissmaschine hindurchgeführt werden.
Es hat sich als günstig erwiesen, die Zahnspitzen 8 aus weichmagnetischem Werkstoff (z. B. Nickeleisen) mit verhältnismässig hohem elektrischem Widerstand, also geringen Wirbelstromverlusten herzustellen.
Es hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Zahnköpfe das übertragbare Drehmoment und damit die übertragbare Leistung gegenüber vergleichbaren Motoren bisheriger Ausführung wesentlich erhöht worden ist. Diese Zunahme betrug für laufende Motoren bei Induktionsmotoren mit nutenlosem Rotor etwa30%, beiHysterese-Motoren mehr als 100'%. Auch bei stillstehendemMotor wurde das Anzugsmoment in ähnlicher Weise sehr bedeutend vergrössert. Bemerkenswert ist, dass die Zunahme der Leistung bei einer Verringerung der Stromaufnahme erfolgte.
Es wurden ferner bei elektrischen Maschinen mit genutetem Stator und genutetem Rotor die von der jeweiligen Zahnstellung abhängigen Schwankungen des Anzugmoments weitgehend verringert.
Die erfindungsgemässe Ausbildung der Zahnköpfe bzw. Nutenverschlusskeile ergibt (im Luftspalt gemessen) eine nahezu ideale treppenförmig ansteigende Feldkurve, ohne dass zwischen den einzelnen Treppenstufen unerwünschte störende Verringerungen der Feldstärke (hervorgerufen durch die Nutenschlitze) auftreten. Bei bisher üblichen Ausführungsformen zeigt der Feldstärkeverlauf unmittelbar vor jeder Treppenstufe eine sehr tiefe Einsattelung. Diese bewirkt
1. im gegenüberliegenden Eisen (z. B. des Rotors) höhere örtliche Wirbelstromverluste,
2. im gegenüberliegenden Eisen (z.
B. des Rotors) höhere örtliche Hystereseverluste,
3. verringertes Drehmoment (denn es wird ja im Bereich verringerter Feldstärke fast kein Drehmoment erzeugt), und
4. der magnetische Widerstand des Luftspaltes ist um den sogenannten Carter* sehen Faktor vergrössert.
Die vorstehend genannten höheren Verluste sind beträchtlich, weil jede Zahnlücke bei der Rotation des Rotors an der ganzen Oberfläche des gegenüberliegenden Eisenkörpers vorbeistreicht.
Die Erfindung kann sinngemäss auch für kleine Gleichstrommotoren und Gleichstromgeneratoren Anwendung finden, falls auf besonders geringe örtliche Schwankungen und Gesamtschwankungen des magnetischen Widerstandes im Luftspalt Wert gelegt wird.
Die Erfindung ist wichtig tür Kleinmotoren unter 1500 W Leistung, insbesondere für Kleinstmotoren von weniger als 100 W Leistung, die einen besonders ruhigen Lauf haben sollen.
Ist die Wicklung aus starken Drähten gebildet, so dass sie nur mit einer geringen Primärspannung be-
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trieben werden kann, dann ist, wie in Fig. 10 schematisch angedeutet, zum Anschluss an die üblichen
Starkstromnetze ein Transformator notwendig, den man vorteilhafterweise mit einer Primärwicklung aus
Isolier-Aluminiumfolie herstellt. Dann erreicht man eine mehrfache Belastbarkeit dieser Motoren gegen- über der üblichen Ausführung, die mit Netzspannung direkt gespeist wird.
Der durch das Hinzukommen eines Transformators (zwei oder drei Phasen) entstehende Mehraufwand ist durch die höhere Motorleistung mehr als aufgewogen.
Die spezielle Nutenform bzw. Ausbildung der Zahnspitzen begünstigt die Wirkung dieser mit Trans- formatoren gespeisten Motoren in besonderem Masse.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Geräuscharmer elektrischer Kleinmotormit halboffenen Nuten, insbesondere Hysterese-Motor, für
Tonbandantrieb od. dgl., gekennzeichnet durch die Verwendung von Nutenverschlusskeilen, die aus zwei
Langprofilhälften bestehen, welche beide zur Ankeroberfläche schräge Flanken aufweisen, wie sie an sich bei aus Stanzblechen aufgebauten Keilen für Grossmaschinen bekannt sind, wobei die einander zugewen- deten Flanken der Profilteile an der Ankeroberfläche unter einem höchstens 900 betragenden Winkel bis auf etwa die Grösse des Arbeitsluftspaltes zusammenlaufen und durch kleine, rippenartig geprägte Stege in grösserem Abstand und bzw. oder mittels einer unmagnetischen Lot-bzw.
Schweissnaht verbunden sind und deren Aussenflanken an die Form der nutenseitigen Zahnkopfflanken angepasst sind, wodurch diese
Nutenverschlusskeile zur Ankeroberfläche bündig gehalten werden.