Drehfeldmotor mit asynchronem Anlauf und synchronem Lauf. In der letzten Zeit sind legierte Magnet stähle mit hoher Remanenz und Koerzitiv- kraft hergestellt worden. Diese Stähle sind als sogenannte ausscheidungsgehärtete Mag netstähle bekannt. Als für die hohe Güte des Magnetstahls wesentlicher Legierungs zusatz wird dabei zum Beispiel Aluminium oder Titan verwendet. Durch die Entwick lung dieser Stähle ist es möglich geworden, elektrische Generatoren mit permanentem Magnetfeld herzustellen, so dass man die elektrische Erregerleistung erspart.
Gemäss der Erfindung sollen derartige Permanentmagnetstähle, die eine Koerzitiv- kraft von mindestens 60 Oerstedt besitzen, für den Läufer von Drehfeldmotoren, dem eine Mehrphasenspannung zugeführt wird, und die mit asynchronem Anlauf und syn chronem Lauf arbeiten, verwendet worden. Diese hohe Koerzitivkraft des permanenten Magnetstahls bewirkt eine mindestens teil weise hompensierung des Magnetisierungs stromes des Motors. Ein derartiger Motor muss betriebsmässig anlaufen.
Dabei bewegt sich das von der Ständerwicklung ausgehende Drehfeld unter halb der synchronen Geschwindigkeit, also vom Stillstand während der ganzen Hoch laufperiode über den Permanentmagnetläufer hinweg und magnetisiert ihn daher dauernd um. Dadurch wird der ursprünglich etwa vorhandene remanente Magnetismus zerstört.
Abb. 1 der Zeichnung zeigt beispiels weise einen derartigen Motor, bei dem der Läufer aus Magnetstahl mit hoher Remanenz und erheblicher Koerzitivkraft hergestellt ist. Der Läufer ist als einfache zylindrische Trommel dargestellt, an deren Umfang sich die magnetischen Pole ausbilden; Abb. \? stellt eine Reihe von magnetischen Charak teristiken dieses Läufers dar.
Da man beim Anlauf im allgemeinen zunächst eine mässige und erst später bei vollem Lauf eine hohe Feldstärke im Hauptmagnetfeld erreicht, so werden diese Charakteristiken von innen nach aussen fortlaufend durchschritten. Nach Beendigung des Anlaufes fällt der Motor in die Synchrondrehzahl, da die Läu ferpole eben wegen der permanentmagneti schen Eigenschaften seines Eisens eine Ten denz besitzen, an ihrem Platze zu verharren und nicht gegenüber' dem Läufer zu schlüp fen. Ist die Luftspaltfeldstärke oder seine EMg. nach beendetem Anlauf bis zum 'Werte E angestiegen, so arbeitet der Motor mit seinen Polen magnetisch auf dem Punkte P.
Er erfordert hierbei einen Magnetisie- rungsstrom i", der vom Ständer aus dem Netz gedeckt werden muss. Trotz Anwen dung beliebig guten Magnetstahles ist also der Magnetisierungsstrom des Motors nur teilweise kompensiert. Erniedrigt man nun aber die Arbeitsspannung des Motors bis zum Werte E', der dem Durchtritt des ab steigenden Astes der magnetischen Charak teristik von P ab durch den Nullwert des Stromes entspricht, so bleibt durch die Wir kung des permanenten Magnetstahles im Läufer ein Remanenzfeld erhalten, das die Spannung E' induziert.
Der Motor kann da her bei dieser Spannung mit kompensiertem Magnetisierungsstrom arbeiten und erfordert keine weitere Zufuhr desselben aus dem Netze. Erniedrigt man die Spannung noch weiter, etwa bis zum Betrage E", so gibt der Motor sogar Magnetisierungsstrom von der Stärke i"A an das Netz ab und kann dadurch zum Beispiel die Wirkung seiner eigenen magnetischen Streufelder mitkompensieren. Wünscht man jedoch, dass der Motor dauernd mit der Spannung E arbeiten soll, so wird man ihn nach diesen Erläuterungen nach er folgtem Anlauf zunächst mit einer beträcht lich höheren Spannung E" magnetisieren,
so dass er bei Rückkehr auf den Arbeitswert E keinen äussern Magnetisierungsstrom mehr benötigt.
Es ergibt sich aus diesen Gesichtspunk ten als Regel für den Betrieb eines durch Permanentmagnete kompensierten Drehfeld- mbtors, dass man ihn zunächst um ein solches Mass übermagnetisieren soll, dass sein Feld bei der gewünschten Betriebsspannung bis auf den Remanenzwert oder in dessen Nähe fallen kann. Diese Übermagnetisierung ist durch Anzapfungen der Motorwicklung oder des speisenden Transformators, durch Stern dreieckschaltung oder ähnliche Schaltkombi nation am Ende des Anlaufprozesses leicht zu erreichen.
Ein gewisses Mass von -Über magnetisierung tritt auch ein, wenn man den Motor zunächst leer anlaufen lässt und ihn alsdann belastet, denn im Leerlauf wirkt die volle Netzspannung feldbilden im Läufer, während mit zunehmender Belastung die Spannungsabfälle durch Streuung und Wi derstand von der Netzspannung in Abzug kommen, so dass die Luftfeldstärke sinkt.
Sollte der Motor während seines Laufes durch mechanische Erschütterungen einen Teil seiner Remanentfeldstärke verlieren, so genügt es, ihn kurzzeitig wieder auf die höhere Feldstärke zu erregen und alsdann auf die Remanenz zurückfallen zu lassen.
Um derartige Motoren mit permanentem Magnetstahl im Läufer anlaufen zu lassen, kann man sie mit der üblichen Schleifring- oder Kurzschlusswicklung versehen. Man kann sie auch mit einer Wicklung ausrüsten, die durch Wirbelströme oder Stromverdrän gung verbesserte Anlaufverhältnisse ergibt. Da man im allgemeinen einen zylindrischen oder hohlzylindrischen Magnetläufer ver wenden wird, so genügt es manchmal, diese massive Trommel mit einem dünnen Kupfer belag zu versehen, der beim Synchronlauf gleichzeitig als Dämpfer etwaiger Schwan kungen wirken kann.
Ob es zweckmässiger ist, den Läuferstahl mit hoher Koerzitivkraft und mässiger Re manenz oder mit hoher Remanenz und mässi ger fioerzitivkraft oder aber mit hoher Re manenz und hoher Koerzitivkraft zu ver sehen, richtet sich einerseits nach dem Ver hältnis von Luftspalt zu Polteilung des Mo tors, da hiervon die entmagnetisierende Wir kung auf den Permanentstahl abhängt, und anderseits nach den Preisverhältnissen die ser Materialien, so dass man für Motoren grosser oder kleiner Leistung,
hoher oder niedriger Drehzahl<B>*</B> mit ihren unterschied lichen Verhältnissen von Luftspalt und Pol- teilung jeweils das technisch geeignetste und wirtschaftlich zweckmässigste Material aus wählen muss. Ist der Luftspalt des Motors relativ gross und die Polteilung relativ klein, dann bedarf es einer hohen Koerzitivkraft des Magnetstahles, um noch eine genügende Luftinduktion aufrecht zu erhalten.
Man wird dann also einen Stahl mit hoher Koerzi- tivkraft und entsprechend geringerer Rema- nenz wählen. Man- kann das Material hin sichtlich Remanenz und Koerzitivkraft am besten nach den folgenden Gesichtspunkten auswählen.
Nennt man die Polteilung des Motors z und den Luftspalt zwischen Stän der und Läufer unter Einschluss der magne tischen Widerstände der Zähne und des Schlussjoches 8, so ergibt das magnetische Grundgesetz für eine Polteilung des Motors, die in Fig. 3 herausgezeichnet ist, als Linien integral der magnetischen Kräfte
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Darin ist die linke Seite durch die Luft induktion B bedingt, die sinusartig über den Umfang verlaufend angenommen ist, und die rechte Seite wird durch die treibende Feldstärke H verursacht, die im Läufer ebenfalls sinusförmig verteilt angenommen ist,
so dass nur ihr Mittelwert entsprechend dem Faktor 2/n zur Wirkung kommt. B und H stellen also die zusammengehörigen maximalen Luftinduktionen und maximalen biagnetstahlfeldstärken dar, die im Läufer auftreten. Bei anderer räumlicher Gestal tung des Permanentmagnetläufers ändert sich der Zahlenfaktor ein wenig. Zu jeder gewünschten Luftinduktion ergibt sich aus G1. (1) die erforderliche Feldstärke
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In Fig. 4 sind nun für drei verschiedene Magnetstähle die Magnetisierungskennlinien eingetragen.
Der Stahl I besitzt zum Bei spiel eine Remanenz von 10 000 Gauss und eine Koerzitivkraft von 60 Oerstedt, Stahl II besitzt eine Remanenz von 8000 Gauss- und eine Koerzitivkraft von 190 Oerstedt- und Stahl III eine Remanenz von 6000 Gauss und eine Koerzitivkraft von 450 Oerstedt. Will man einen Motor bauen mit dem gro ssen Luftspalt von 1,5 mm bei einer Polt6i- lung von 10 cm,
so ist der Zusammenhang von H und b nach G1. (2)
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Dies ist als Linie A gestrichelt in Fig. 4 eingetragen. Man sieht, dass man hierfür am zweckmässigsten den Magnetstahl IH ver wendet, der eine Luftinduktion von 4200 zu erreichen gestattet. Besitzt der Motor jedoch nur 0,3 mm Luftspalt bei 10 cm Polteilung, so erhält man
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Dies liefert die gestrichelte Linie B.
Hier bei erreicht man die höchste Induktion von <B>6100</B> im Motor durch Verwendung des-Mag- netstahles II, während die andern Stähle eine geringere Luftinduktion ergeben wür den. Besitzt der Motor schliesslich bei 0,3 mm Luftspalt eine Polteilung von 45 cm, so ist
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und die gestrichelte Linie C zeigt, dass man nunmehr am günstigsten mit dem Magnet material I arbeitet, das eine Luftinduktion von 8300 Gauss erzielen lässt.
Da die Mate rialien mit hoher Koerzitivkraft im allge meinen teurer sind als die mit hoher Rema- nenz, so ist es zweckmässig, derartige Mo toren mit möglichst kleinem Luftspalt zwi schen Ständer und Läufer herzustellen, und dies ist wieder zulässig, weil man im all gemeinen eine massive geschliffene Läufer fläche verwenden wird, die leicht zum sau beren und zentrischen Rundlaufen zu brin gen ist.
Man kann die Überlegungen für dieses Auswahlprinzip formelmässig darstellen. Be zeichnet man mit R die Remanenz und mit K die Koerzitivkraft, so ist die Charakte- ristik des Permanentmagnetmaterials nach Abb. 4
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Dabei würde das Gleichheitszeichen für eine geradlinig absinkende Kennlinie gelten, im allgemeinen ist die Kennlinie jedoch nach oben gekrümmt.
Setzt man hierin die Feld stärke H nach G1. (2) für den Motor ein, so erhält man
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Daraus sieht man, dass es zur Erzielung einer hohen Luftinduktion B im Motor darauf an kommt, bei an sich möglichst hoher Rema- nenz das zweite Glied des Nenners der G1. (7) möglichst klein zu machen.
Im all gemeinen wird man eine günstige Ausnut zung des Magnetstahles erreichen, wenn man das Produkt von
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ausführt: Bei nicht rein zylindrischer Ge staltung des Magnetkörpers tritt darin statt der Zahl n ein anderer Zahlenfaktor auf. Stets besteht dieses Produkt jedoch aus den beiden Faktoren: Äquivalenter Luftspalt im Verhältnis zur äquivalenten Magnetlänge und Remanenz im Verhältnis zur Koerzitiv- kraft.
Wählt man. die Verhältnisse gemäss der Bemessungsgleichung (8), entweder durch Auswahl geeigneten Magnetmaterials oder durch Ausführung eines kleinen Luftspaltes oder durch Aufbau des Motors mit grosser Pölteilung, so wird das im Motor auftretende Remanenzfeld stets grösser als die $älfte der magnetischen Remaneriz des Peimanent- stahlmaterials.
Da alle diese Materialien eine relativ grosse Hysteresisfläche haben, so ist das 11y- steresis-Drehmoment derartiger Motoren recht beträchtlich. Es unterstützt und be- schleunigt den Anlauf sehr erheblich und bewirkt beim vollen Lauf ein Festhalten der Pole in ihrer einmal erhaltenen Lage.
Zur Unterstützung dieses Festhaltens kann es zweckmässig sein, den permanentmagneti schen Läufer mit ausgeprägten Polstücken zu versehen, da dann das Reaktionsmoment zu diesen Festhaltekräften hinzukommt, das durch den Unterschied der magnetischen Leitfähigkeit der Polstücke und der Pol lücken hervorgerufen wird. Der Läufer des Drehfeldmotors kann auch aus einzelnen Ble chen, die aus Permanentmagnetstahl be stehen, zusammengesetzt sein.
Natürlich kann man derartige Motoren mit allen nützlichen Anlauf- und Betriebs vorkehrungen ausrüsten, wie sie für gewöhn liche Synchron- und Asynchron-Drehfeld- motoren üblich sind. Beispielsweise kann man sie einphasig betreiben, indem man durch Kunstschaltungen ein Mehrphasen magnetfeld erzeugt.
Rotary field motor with asynchronous starting and synchronous running. Recently, alloyed magnetic steels with high remanence and coercive force have been produced. These steels are known as precipitation-hardened magnetic steels. Aluminum or titanium, for example, are used as an alloy additive, which is essential for the high quality of the magnetic steel. The development of these steels has made it possible to manufacture electrical generators with a permanent magnetic field, so that the electrical excitation power is saved.
According to the invention, permanent magnet steels of this type, which have a coercive force of at least 60 Oerstedt, are to be used for the rotor of rotary field motors to which a multi-phase voltage is supplied and which work with asynchronous starting and synchronous running. This high coercive force of the permanent magnetic steel causes at least a partial compensation of the magnetizing current of the motor. Such a motor must start operationally.
The rotating field emanating from the stator winding moves below half the synchronous speed, i.e. from standstill during the entire run-up period over the permanent magnet rotor and therefore permanently magnetizes it. This destroys any remanent magnetism that was originally present.
Fig. 1 of the drawing shows an example of such a motor in which the rotor is made of magnetic steel with high remanence and considerable coercive force. The rotor is shown as a simple cylindrical drum, on the circumference of which the magnetic poles are formed; Fig. \? represents a number of magnetic characteristics of this rotor.
Since a moderate field strength is generally achieved in the main magnetic field during start-up and a high field strength only later during full operation, these characteristics are continuously passed through from the inside to the outside. After the start-up, the motor falls into synchronous speed, because the rotor poles have a tendency, precisely because of the permanent magnetic properties of its iron, to remain in place and not slip towards the rotor. Is the air gap field strength or its EMg. after the start-up has risen to the value E, the motor works with its poles magnetically on point P.
It requires a magnetizing current i ", which must be covered by the stator from the mains. Despite the use of any good magnetic steel, the magnetizing current of the motor is only partially compensated. However, if the working voltage of the motor is now reduced to the value E ', which corresponds to the passage of the ascending branch of the magnetic charac teristics of P ab through the zero value of the current, a remanence field is retained by the action of the permanent magnetic steel in the rotor, which induces the voltage E '.
The motor can therefore work with a compensated magnetizing current at this voltage and does not require any further supply of the same from the network. If the voltage is reduced further, for example to the amount E ", the motor even delivers magnetizing current of magnitude i" A to the network and can thereby compensate for the effect of its own magnetic stray fields, for example. However, if you want the motor to work continuously with the voltage E, you will first magnetize it with a considerably higher voltage E "according to these explanations after it has started up,
so that when it returns to the work value E it no longer needs an external magnetizing current.
From these points of view, as a rule for the operation of a rotating field motor compensated by permanent magnets, it should first be over-magnetized by such an amount that its field can drop to or close to the remanence value at the desired operating voltage. This over-magnetization can easily be achieved at the end of the start-up process by tapping the motor winding or the feeding transformer, star-delta connection or similar switching combinations.
A certain amount of over-magnetization also occurs when the motor is initially allowed to run idle and then loaded, because when the motor is idling, the full line voltage creates fields in the rotor, while with increasing load the voltage drops due to scattering and resistance from the line voltage Deduction so that the air field strength drops.
Should the motor lose part of its remanent field strength due to mechanical vibrations during its operation, it is sufficient to briefly excite it again to the higher field strength and then to let it fall back to the remanence.
In order to start such motors with permanent magnetic steel in the rotor, they can be provided with the usual slip ring or short-circuit winding. You can also equip them with a winding that results in improved starting conditions due to eddy currents or current displacement. Since you will generally use a cylindrical or hollow cylindrical magnet rotor, it is sometimes sufficient to provide this massive drum with a thin copper coating that can act simultaneously as a damper of any fluctuations in synchronism.
Whether it is more appropriate to provide the rotor steel with high coercive force and moderate remanence or with high remanence and moderate fioercive force or with high remanence and high coercive force depends on the one hand on the ratio of air gap to pole pitch of the motor, since the demagnetizing effect on the permanent steel depends on this, and on the other hand, on the price ratios of these materials, so that motors with high or low power,
high or low speed <B> * </B> with their different ratios of air gap and pole pitch must select the technically most suitable and economically most practical material. If the air gap of the motor is relatively large and the pole pitch is relatively small, a high coercive force of the magnetic steel is required to maintain sufficient air induction.
You will then choose a steel with a high coercive force and a correspondingly lower remanence. With regard to remanence and coercive force, the material can best be selected according to the following criteria.
If one calls the pole pitch of the motor z and the air gap between the stator and rotor including the magnetic resistances of the teeth and the final yoke 8, the basic magnetic law for a pole pitch of the motor, which is shown in Fig. 3, is integral as lines of magnetic forces
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The left side is caused by the air induction B, which is assumed to run sinusoidally over the circumference, and the right side is caused by the driving field strength H, which is also assumed to be sinusoidally distributed in the rotor,
so that only their mean value has an effect corresponding to the factor 2 / n. B and H therefore represent the associated maximum air induction and maximum biagnetic steel field strengths that occur in the rotor. With a different spatial arrangement of the permanent magnet rotor, the number factor changes a little. For every desired air induction, we get from G1. (1) the required field strength
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In Fig. 4, the magnetization characteristics are now plotted for three different magnetic steels.
For example, steel I has a remanence of 10,000 gauss and a coercive force of 60 oerstedt, steel II has a remanence of 8,000 gauss and a coercive force of 190 oerstedt and steel III a remanence of 6,000 gauss and a coercive force of 450 oerstedt . If you want to build a motor with the large air gap of 1.5 mm with a pole pitch of 10 cm,
so is the relationship between H and b according to Eq. (2)
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This is entered in dashed lines as line A in FIG. It can be seen that the most practical use for this is the magnetic steel IH, which allows an air induction of 4200 to be achieved. However, if the motor has an air gap of only 0.3 mm with a pole pitch of 10 cm, one obtains
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This gives the dashed line B.
Here, the highest induction of <B> 6100 </B> in the motor is achieved by using magnetic steel II, while the other steels would result in a lower air induction. If the motor finally has a pole pitch of 45 cm with an air gap of 0.3 mm, then
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and the dashed line C shows that it is now best to work with the magnet material I, which can achieve an air induction of 8300 Gauss.
Since the materials with high coercive force are generally more expensive than those with high remanence, it is advisable to manufacture such motors with the smallest possible air gap between the stator and rotor, and this is again permissible because one generally A solid, ground runner surface will be used, which is easy to bring to a clean and centric runout.
The considerations for this selection principle can be represented by a formula. If R denotes the remanence and K denotes the coercive force, then the characteristics of the permanent magnet material are shown in Fig. 4
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The equals sign would apply to a linearly descending characteristic curve, but in general the characteristic curve is curved upwards.
If one sets the field strength H according to G1. (2) for the engine, one obtains
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From this you can see that in order to achieve a high air induction B in the engine it is important to use the second term of the denominator of G1 with the highest possible remanence. (7) to make it as small as possible.
In general you will achieve a favorable utilization of the magnetic steel if you use the product of
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executes: If the magnet body is not purely cylindrical, it uses a different number factor instead of the number n. However, this product always consists of the two factors: equivalent air gap in relation to the equivalent magnet length and remanence in relation to the coercive force.
One chooses. the conditions according to the design equation (8), either by selecting a suitable magnetic material or by creating a small air gap or by designing the motor with a large pole division, the remanence field occurring in the motor is always greater than half the magnetic remanence of the Peimanent steel material.
Since all of these materials have a relatively large hysteresis area, the 11ysteresis torque of such motors is quite considerable. It supports and accelerates the run-up very considerably and, when fully running, causes the poles to be held in their position once they were in place.
To support this retention, it can be useful to provide the permanent magneti's rotor with pronounced pole pieces, since then the reaction torque is added to these holding forces, which is caused by the difference in the magnetic conductivity of the pole pieces and the pole gaps. The rotor of the rotating field motor can also be composed of individual sheets made of permanent magnet steel.
It goes without saying that such motors can be equipped with all the useful start-up and operating precautions that are usual for conventional synchronous and asynchronous rotary field motors. For example, they can be operated in single phase by generating a multi-phase magnetic field through artificial circuits.