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Geräuscharmer elektrischer Kleinmotor
DieErfindung bezieht sich auf geräuscharme elektrische Kleinmotoren. Derartige Motoren werden für viele Zwecke benützt. Für manche Anwendungszwecke, insbesondere für Tonbandantrieb, ist es wichtig, dass die Motoren mit möglichst wenig Geräusch laufen. Ausserdem ist es für manche Zwecke wichtig, dass der Wirkungsgrad der Motoren gut ist.
Das beim Laufen von kleinen Wechselstrommotoren entstehende Geräusch wird vor allem von den
Nuten, in welche die das Drehfeld erzeugende Wicklung eingelegt ist, durch Oberfelder hervorgerufen.
Zur Vermeidung des Nutengeräusches hat man bereits Motoren hergestellt, deren Statornuten geschlos- sen sind. Diese schmalen, die Nuten überbrückenden Stege stellen jedoch einen unerwünschten magne- tischen Nebenschluss für die Kraftlinien des Primärfeldes dar, und man hat deshalb versucht, diese stö- rende Wirkung gering zu machen, indem man einen sehr kleinen Luftspalt von etwa 0, 1 mm gewählt hat.
Bei der Fabrikation 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.
Bei der'Herstellung elektrischer Maschinen ist es an sich bekannt, zur Verhütung eines zu grossen Streuflusses bei geschlossenen Nuten die Stege zwischen den Zähnen dünn zu gestalten oder aber die Nuten in einem zusätzlichen Arbeitsgang zu öffnen, indem man nach dem Einbau der Ankerwicklung die Ankerbleche überdreht und dadurch die vorstehend erwähnten Stege entfernt. Aber auch dieses Herstellungsverfahren bot keine ausreichende Gewähr für ein wirklich geräuscharmes Laufen der Motoren.
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 Zahnenden sollte nur etwa so gross sein wie etwa die Weite des Arbeitsluftspaltes, damit kein nennenswerter Abfall der Induktion im Luftspalt eintritt ;
6. die ausserordentlich schmale Nutenschlitzöffnung soll schnell divergieren, damit das Streufeld zwischen den Nutenflanken so klein wie möglich ist.
Die Erfindung bezweckt, eine zur Massenherstellung von Kleinmotoren geeignete Ausführungsform anzugeben, bei welcher die vorstehenden Bedingungen erfüllt werden, so dass die derart hergestellten Motoren bestmögliche Leistung, geringstmögliches Geräusch sowie ein Minimum an Verlusten aufweisen, die durch Nutungsoberwellen hervorgerufen werden.
Es werden daher bei einem geräuscharmen elektrischen Kleinmotor, bei dem das Stanzen der Ankerbleche und die Herstellung der Nutenschlitze in getrennten Arbeitsgängen erfolgt und die Nutenschlitze nicht durch Nutenverschlusskeile geschlossen sind, die einander zugewendeten Flanken der Zahnköpfe
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derart ausgebildet, dass sie an der Ankeroberfläche unter einem höchstens 900, vorzugsweise 600 betragenden Winkel bis auf einen Abstand zusammenlaufen, der gleich dem Arbeitsluftspalt zwischen Stator und Rotor ist.
Es ist in vielen Fällen zweckmässig,-sowohl beim Rotor als auch beim Stator die Zahnköpfe in der vorstehend angegebenen Art auszubilden. Das durch Nutungsoberwellen hervorgerufene Geräusch lässt sich noch weiter vermindern, wenn Rotor oder Stator an der dem Luftspalt zugewendeten Seite eine geschlossene glatte Oberfläche besitzt, also keine Nuten hat.
Es wurde gefunden, dass derartige Motoren durch sehr kleine Nutenschlitze bzw. gerade eben geöffnete Nuten bis zu einer Breite von etwa der Länge des Luftspaltes noch dazu erheblich an Leistungsfähigkeit gewinnen, weil der Magnetisierungsstrom durch die volle Ausnutzung der Luftspaltfläche sehr stark verringert wird. Die höhere Nutfüllung mit Kupfer hat für eine höhere Ausnutzung des Motors auch eine höhere Stromaufnahme zur Voraussetzung. Um dann die notwendige Überlastungsfähigkeit des Motors gemäss den Normbedingungen zu erhalten, muss man die Anzahl der Nuten erhöhen.
WeitereEinzelheiten der Erfindung werden im nachstehenden 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
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Es zeigt : Fig. l im Querschnitt die obere Hälfte eines gemäss der Erfindung hergestellten Stators, Fig. 2 als weitere Ausführungsform im Querschnitt die obere Hälfte eines Stators mit zwei Varianten des Rotors, Fig. 3 im Querschnitt eine Ausführungsform ähnlich Fig. 2, jedoch mit äusserem Sekundärteil (Aussenläufer), Fig. 4 die Form einer herzustellenden Nut und Fig. 5 eine Illustration zur Verdeutlichung des Herstellungsverfahrens.
Der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Teil des Stators eines sogenannten Hysteresesynchronmotors besteht im wesentlichen aus den mit Nuten versehenen, zu einem Paket verbundenen Statorblechen 1, die von einem äusseren Jochring 2 umgeben sind. Der gestrichelt gezeichnete Kreis 3 deutet an, dass das Blechpaket ursprünglich grösser war und bis zu dieser gestrichelten Linie reichte, also die Zähne 4 ursprünglich miteinander zusammenhingen. Die in die Nuten eingelegte Wicklung ist mit 5 bezeichnet ; die Nuten sind aussen durch Keilstücke 6 verschlossen. Diese Keilstücke werden bei der Herstellung mit Druck eingepresst, so dass die Bleche bzw. die Zähne 4 in den Jochring 2 fest eingespannt sind und sich wie die Teile eines Gewölbes gegenseitig stützen.
Die Keilstücke 6 bestehen beispielsweise aus oxydiertem Aluminium oder einem druckfesten Isolierstoff, wie Duroplast oder Keramik. Die Wicklung wird sodann mit einem aushärtbaren Lack getränkt und vergossen und zu einem festen Körper verbacken, den man z. B. überschleifen kann. Danach werden die Jochringe aufgesetzt, welche man insbesondere über die glattgeschliffene Fläche mit Spannung leicht aufbringen kann. Eine nochmalige Imprägnierung verbindet das gesamte Blechpaket zu einem kompakten Körper. Dieser lässt sich dann ohne Ausbildung schädlicher Schleifgrate überschleifen, wobei man ihn auf einem Dorn in der gestanzten Bohrung aufnimmt.
Die innere Bezugsfläche wird somit nach aussen übertragen, so dass man das Blechpaket mit der eingebackenen Wicklung nun auf eine Drehbank nehmen kann, um das Blechpaket so weit auszudrehen oder zu schleifen, dass die Verbindung zwischen den einzelnen Zähnen gerade eben auf etwa die Luftspaltweite geöffnet wird. Die Öffnungsfuge der Nut ist etwa gleich dem vorgesehenen Arbeitsluftspalt. Man ist in der Lage, den Luftspalt nun nach den übrigen Bedingungen frei zu bestimmen.
Natürlich wird man für einen grösseren Luftspalt mehr Erreger-Amperewindungen aufzuwenden haben, aber man ist nicht mehr gezwungen, einen ganz extrem kleinen Luftspalt anzuwenden, der zu übertriebenen Forderungen hinsichtlich der
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Bei ausgeführten Motoren mit Aussendurchmesser 70 mm, Ständerpaketlänge 30 mm, Motordurchmesser 30 mm, Luftspaltweite 0,2 mm, Nutteilung im Luftspalt etwa 8 mm, betrug die Induktion B im Luftspalt etwa 4500, die mittlere Zahninduktion etwa 12000 und die maximale Jochinduktion 14000 Gauss.
Fig. 2 zeigt eine etwas abgeänderte Ausführungsform. Die Nuten 7 haben an dem Ende, welches dem Rotor zugewendet ist, V-förmige Flanken 15. Beim Ausstanzen der Nuten werden die Flanken so geschnitten, dass zwischen benachbarten Zähnen nur ein ganz schmaler Schlitz geöffnet wird. Die Wicklung 5 wird bei dieser Ausführungsform in an sich bekannter Weise eingefädelt, und man ist in der Lage, eine sehr grosse Anzahl von Nuten vorzusehen, was für die Überlastbarkeit und die andern Betriebseigenschaften eines Induktions- oder Hysteresemotors sehr günstig ist. In der rechten Hälfte der Figur ist der Läufer 12 als Käfigläufer dargestellt, in der linken Hälfte als Hystereseläufer. Der Eisenkern ist mit 16, die hysteretische Schicht mit 17 bezeichnet, ihre Dicke beträgt 6 mm bei einem Rotordurchmesser von 30 mm.
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Während in den Fig. 1 und 2 Motoren mit Innenläufer dargestellt sind, zeigt Fig. 3 eine Bauart als
Aussenläufer. Es ist hier also gegenüber Fig. 2 die Lage von Stator und Rotor vertauscht. In der linken
Hälfte der Fig. 3 ist der Aussenläufermotor als Hysteresemotor, in der rechten Hälfte als Käfigläufermotor, dargestellt. Es rotiert hier also das Gehäuse 16a mit der hysteretischen Schicht 17. DieStatornutensind i verhältnismässig tief und schmal, ihre Zahl ist gegenüber Fig. 1 vergrössert. Es ist besonders für den in der linken Hälfte der Fig. 3 dargestellten Hysteresemotor von Vorteil, wenn die Nutenzahl pro Pol recht hoch ist, weil der treppenförmige Verlauf der Feldkurve für das Hysteresematerial jeweils einen plötzlichen
Magnetisierungssprung an jeder Treppenstufe bedeutet. Durch Erhöhung der Nutenzahl wird der Sprung gemildert.
Eine Verdopplung der Nutenzahl bringt ungefähr 50 yo Mehrleistung.
Fig. 4 stellt vergrössert eine Rotornut 25 des Aussenläufermotors gemäss Fig. 3 dar. Die Flanken der sehr schmalen Nutöffnung von etwa Luftspaltweite sind hier mittels eines Nutenstempels hergestellt, der aus einem Stück besteht und aus dem Vollen geschliffen ist. Zwei Flanken sind entsprechend dem Radius r abgerundet ; die Flanken schneiden sich nahe der Rotorinnenfläche, also im Bereiche des Luftspaltes, unter einem Winkel von 600.
Fig. 5 zeigt in weiter vergrössertem Massstab, wie aus dem Blech 30 die Nuten herausgestanzt werden, so dass sich nur ein geringer Abstand 6'bzw. 6"zwischen den benachbarten Zahnspitzen ergibt. Die vor- dersteKante des schraffiert gezeichneten Nu1 : enstempels31 kommt hiebei in einen Bereich des Bleches 30, welcher nachher in einem weiteren Arbeitsgang entfernt wird. Nach Entfernung des Materials für den
Luftspalt 6 ergeben sich Schlitze bzw. Zahnabstände 6'und ö", die etwa gleich gross sind wie die axiale
Luftspaltlänge 6.
In Fig. 3 und 4 ist die Wicklung aus starken Drähten gebildet, so dass diese Statorwicklung nur mit einer geringen Primärspannung betrieben werden kann.
Es ist daher zum Anschluss an die üblichen Starkstromnetze ein Transformator nützlich, den man vorteilhafterweise mit einer Primärwicklung aus Isolier-Aluminiumfolie herstellt. Dann erreicht man eine mehrfache Belastbarkeit dieser Motoren gegenüber 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.
Bei den erfindungsgemäss hergestellten Motoren weisen die durch Stanzen der Bleche erzeugten, fast geschlossenen Nuten Flankenflächen auf, die bis zu den Luftspaltflächen durchgehend einen Winkel von etwa 900 und weniger einschliessen. Diese Flankenform ermöglicht standfeste Schnittstempel mit einer fast scharf auslaufenden Spitze, wobei die Nutenspitzen zwischen diesen Flanken mittels des Folgestem- pels im Werkzeuge oder durch eine nachträgliche Bearbeitung des mit der Wicklung versehenen Blech- körpers geöffnet werden, so dass die entstehenden Nutenöffnungen in der Grösse der bei Induktionsmotoren angewendeten sehr kleinen Luftspalte von etwa 0, 3 mm bis zu etwa 0, 6 mm liegen, also etwa in der
Grössenordnung der gewöhnlich verwendeten Dynamoblechdicke.
DieseAusbildung derKutenflanken mit der in einem besonderen Arbeitsgang erfolgenden Öffnung der
Nuten unter spitzem Winkel durch ganz schmale Schlitze ermöglicht erst bei Kleinmotoren die wirt- schaftliche Herstellbarkeit der theoretisch gewünschten fast geschlossenen Nuten durch Stanzen. Sowohl eingegossene als auch eingefädelte Wickeldrähte oder eingesteckte Stableiter sind für diese fast geschlos- senen Nuten geeignet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Geräuscharmer elektrischer Kleinmotor, bei dem das Stanzen der Ankerbleche und die Herstellung der Nutenschlitze in getrennten Arbeitsgängen erfolgt, und die Nutenschlitze nicht durch Nutenverschlusskeile geschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewendeten Flanken der Zahnköpfe an der Ankeroberfläche unter einem höchstens 900, vorzugsweise 600 betragenden Winkel bis auf einen Abstand zusammenlaufen, der gleich dem Arbeitsluftspalt zwischen Stator und Rotor ist.