DE1027777B - Selbstanlaufender Synchronmotor - Google Patents

Selbstanlaufender Synchronmotor

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DE1027777B
DE1027777B DEL13458A DEL0013458A DE1027777B DE 1027777 B DE1027777 B DE 1027777B DE L13458 A DEL13458 A DE L13458A DE L0013458 A DEL0013458 A DE L0013458A DE 1027777 B DE1027777 B DE 1027777B
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DE
Germany
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armature
poles
self
synchronous motor
stator
Prior art date
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Pending
Application number
DEL13458A
Other languages
English (en)
Inventor
Dr-Ing Helmu Grosse-Brauckmann
Dipl-Ing Klaus Engelbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Licentia Patent Verwaltungs GmbH filed Critical Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Publication of DE1027777B publication Critical patent/DE1027777B/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/02Synchronous motors
    • H02K19/10Synchronous motors for multi-phase current
    • H02K19/103Motors having windings on the stator and a variable reluctance soft-iron rotor without windings

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)

Description

  • Selbstanlaufender Synchronmotor Synchron-Kleinstmotoren gibt es in großer Vielfalt. Die einfachste Form dürfte der Synchronmotor mit ausgeprägten Polen haben, der mit Einphasen-Wechselstrom gespeist wird und kein Drehfeld enthält. Diese Bauart hat jedoch den schwerwiegenden Nachteil, daß der Motor nicht selbst anlaufen kann, sondern in der gewünschten Drehrichtung angeworfen werden muß.
  • Der physikalische Grund zu diesem Verhalten liegt in der Tatsache, daß man das vorhandene Wechselfeld in zwei gleich große, aber entgegengesetzt rotierende Drehfelder zerlegen kann. Ist der Anker erst einmal durch äußere Kräfte auf die synchrone Geschwindigkeit des einen Drehfeldes gebracht, so wird die Mitnahmekraft des entgegengesetzt rotierenden Feldes infolge Streuung bzw. Flußverdrängung so klein, daß praktisch nur die Kraft des vorwärts laufenden Feldes übrigbleibt.
  • Um zu erreichen, daß Synchron-Kleinstmotoren selbst anlaufen, rüstet man sie mit einem echten Drehfeld aus und gibt ihnen einen Anker aus einem Material mit breiter Hystereseschleife. Das Drehfeld wird erzielt durch Aufteilung in zwei Flüsse, von denen einer durch Kurzschlußringe belastet wird und dadurch eine zeitliche Phasenverschiebung erhält. Durch das umlaufende Drehfeld entstehen dann im Anker Hystereseverluste, die man als Ursache für das Entstehen des Drehmomentes ansehen kann. Die Drehmomente solcher Hysteresemotoren sind jedoch relativ klein.
  • Gegenstand der Erfindung ist nun ein durch Einphasen-Wechselstrom ständergespeister Synchronmotor, insbesondere Synchron-Kleinstmotor, der sich durch seine besonders einfache Bauart auszeichnet und selbstanlaufend ist, obgleich er kein eigentliches Drehfeld besitzt. Der Ständer dieses Motors besitzt ausgeprägte Polpaare, deren Felderregerwicklungen durch Gleichrichter mit eindeutiger Stromdurchlaßrichtung so gesteuert werden, daß je zwei am Ständerumfang räumlich aufeinanderfolgende Polpaare abwechselnd nacheinander im Takte der Netzfrequenz des speisenden Netzes erregt werden, d. h., im Ständer wird auf diese Weise ein umlaufendes Gleichstromfeld erzeugt. Erfindungsgemäß ist nun ein uribewickelter Weicheisenanker angeordnet, dessen magnetischer Widerstand zwischen zwei gegenüberliegenden Polen sich möglichst stark und kontinuierlich in Abhängigkeit von seinem Drehwinkel ändert und der durch das umlaufende Ständer-Gleichstromdrehfeld in eine solche Lage gezogen wird, in der der magnetische Widerstand für den magnetischen Fluß der zur Zeit gerade erregten Pole am geringsten ist.
  • An sich ist es bereits bekannt, bei Motoren ein Gleichstromerregerfeld auf die obenerwähnte oder ähnliche Art und Weise zu erzeugen, jedoch dient ein solches Drehfeld bei diesen nicht zur Erzielung des Selbstanlaufes, sondern zu ganz anderen Zwecken. So ist beispielsweise ein drehstromgespeister Motorantrieb für Lasthebemaschinen bekannt, bei dem, um vor dem Stillsetzen der Lasthebemaschine eine geringere Einfahrgeschwindigkeit zu erzielen, der laufende Motor vom Drehstromnetz ab- und auf eine Einrichtung umgeschaltet wird, die im Motor ein umlaufendes Gleichstromerregerfeld erzeugt. Diese Einrichtung besteht beispielsweise aus einer umlaufenden Schaltvorrichtung oder einem Kommutator. Durch Regelung der Umlaufgeschwindigkeit dieser Einrichtung hat man es in der Hand, die Umlaufgeschwindigkeit des Gleichstromerregerfeldes und damit die Drehzahl des Antriebsmotors zu verändern.
  • Bei einem bekannten Verfahren zum Betrieb von Synchronmaschinen wird ein umlaufendes Magnetfeld dadurch erzeugt, daß der Erregergleichstrom den Polwicklungen des umlaufenden Ankers über Schleifringe und über einen ebenfalls umlaufenden und vom Anker selbst mittels veränderlicher Zahnradübersetzungen angetriebenen Bürstensatz zugeführt wird. Die Ständerwi.cklungen dieses Motors werden aus einem Drehstromnetz gespeist und können erst dann an das Netz geschaltet werden, wenn die Bürstenbrücke die dem Ständerdrehfeld entsprechende synchrone Drehzahl erreicht hat. Zu diesem Zweck wird entweder die Bürstenbrücke durch eine in beiden Drehrichtungen betriebsfähige Hilfsmaschine auf synchrone Drehzahl oder aber der Anker über einen besonderen Anwurfmotor auf eine solche Drehzahl gebracht, daß die mit ihm über eine Zahnradübersetzung gekuppelte Bürstenbrücke die synchrone Drehzahl erreicht. Im Gegensatz zu dem Gegenstand der Erfindung wird durch diese Anordnung ebenfalls kein Selbstanlauf des Motors erreicht, sondern man ist hier auf Hilfsmotoren angewiesen, die aber eine Herstellung verteuern und nur für größere Motorantriebe geeignet sind.
  • Schließlich ist die Erzeugung eines umlaufenden Gleichstromdrehfeldes bei einem Repulsionsmotor bekannt, dessen umlaufender Anker über Schleifringe aus dem Wechselstromnetz erregt wird und dadurch ein umlaufendes Feld erzeugt. das in der Ständerwicklung einen Strom induziert, der durch gittergesteuerte Entledungsgefäße in eindeutiger Stromdurchlaßrich tun- gesteuert wird. Die Zündung der Entladungsstrecken erfolgt dadurch, daß ein mit der Welle des Ankers gekuppeltes Steuergerät die Gitter der Entladungsgefäße nacheinander an eine Spannung schaltet, d. h daß die Umlaufgeschwindigkeit des rotierenden Gleichstromfeldes mit der Drehzahl des Ankers veränderlich ist.
  • Es ist zwar schon ein selbstanlaufender Synchronmotor mit einem urbewickelten, mit ausgeprägten Polen versehener Anker vorgeschlagen worden, bei dem die Erregerwicklungen des Ständereisens über Gleichrichter Halbwellenimpulse ein und derselben Stromrichtung erhalten; jedoch ist der Anker dieses Synchronmotors so ausgebildet, daß die in Abhängigkeit vom Drehwinkel erfolgende Änderung des magnetischen Widerstandes zwischen zwei gegenüberliegenden Polen verhältnismäßig schwach ist, so daß auch das entstehende Drehmoment klein bleibt. Außerdem sind besondere Mittel zur eindeutigen Festlegung der Drehrichtung des Ankers erforderlich.
  • In der Zeichnung ist in Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf einen vierpoligen Motor dargestellt; Fig. 2 zeigt die zugehörige Schaltung; Fig. 3 biss 5 zeugen Ausführungen des Ankers.
  • In Fig. 1 bedeutet 1 einen vorzugsweise aus Lamellen aufgebauten Stator mit vier ausgeprägten Polen. Diese vier Pole tragen die Wicklungen 2, 3, 4 und 5, von denen die Wicklungen 2 und 4 sowie 3 und 5 unmittelbar hintereinandergeschaltet sind. In der Mitte befindet sich ein Z-förmig ausgebildeter Anker 6, der aus Weicheisen besteht. Wird nun durch das senkrechte Wicklungspaar ein Strom geschickt (Wechsel- oder Gleichstrom), so wird der Anker durch den entstehenden magnetischem Fluß in die gezeichnete Lage gezogen. Wird im nächsten Augenblick das senkrechte Wicklungspaar abgeschaltet und dafür das waagerechte Wicklungspaar mit Strom beschickt, so wird der Anker um 90° gedreht, und zwar in Pfeilrichtung, weil die überstehenden Enden 7 und 8 des Ankers von den Polen 3 und 5 erfaßt werden.
  • Bei jedem Umschalten von einem zum anderen Wicklungspaar macht also der Anker eine 90°-Drehung in der gleichen Richtung. Legt man nun gemäß Fig. 2 in Reihe mit dem Wicklungspaar die beiden Gleichrichter 9 und 10, die entgegengesetzte Polarität haben, so wird. die positive Halbwelle durch das eine Wicklungspaar und die negative Halbwelle durch das andere Wicklungspaar fließen. Die Folge wird also sein, daß sich der Anker genau im Rhythmus der zu- und abgeschalteten Halbwellen, also im Rhythmus der angelegten Wechselspannung, dreht. Der Motor läuft somit als Synchronmotor.
  • Damit dieser Motor auch von selbst anläuft, d. h. ohne äußere Kräfte in den Synchronismus hineinläuft, muß allerdings eine Bedingung erfüllt sein: Die Trägheit des Ankers darf nicht zu groß sein, oder - genauer ausgedrückt - der Anker muß am Ende der einen Halbwelle seine Endlage zum mindesten angenähert eingenommen haben. Hat er diese Endlage noch nicht in genügendem Maße erreicht, bevor die ' andere Halbwelle eingeschaltet wird, so kann es sein, daß der Anker nicht vorwärts, sondern vielmehr rückwärts gezogen wird. In diesem Fall würde der Anker lediglich um einen gewissen Winkelbetrag hin und her pendeln.
  • Dieses Verhalten besagt, daß der Motor nur bis zu einer bestimmten Frequenz von selbst anläuft. Wie hoch diese Grenzfrequenz ist, ist lediglich eine Frage des Verhältnisses der antreibenden Kraft zum Trägheitsmoment des Ankers. Befindet sich der Anker erst einmal im Synchronismus, so läuft der Motor bei theoretisch beliebig hohe Frequenzen weiter.
  • Bei Verwendung eines Stators mit vier Polen nimmt der Motor eine Drehzahl von 1500 U/min an. Die Drehzahl wird bei höherer Polzahl entsprechend kleiner.
  • Der Anker möchte sich immer so einstellen, daß der magnetische Widerstand zwischen den gegenüberliegenden Polen möglichst klein ist. Damit ein Drehmoment zustande kommt, muß sich der magnetisch Widerstand P in Abhängigkeit vom Drehwinkel a ändern, und zwar möglichst stark und kontinuierlich. Es läßt sich zeigen, daß das Drehmoment, welches von einem Polpaar auf den Anker ausgeübt wird, folgender Gleichung gehorcht: Hierin ist allerdings C keine Konstante, sondern eine Größe, die sich mit der Zeit t im Rhythmus von sin2 ot ändert.
  • Die erforderliche Änderung des magnetischen Widerstandes in Abhängigkeit vom Drehwinkel kann man auf verschiedenen Wegen erreichen, z. B. dadurch, daß man den Luftspalt ö am Anfang und Ende des Ankers verschieden groß macht (Fig. 3), oder dadurch, daß man dem Anker bei gleichmäßigem Luftspalt verschiedene Breite gibt (Fig. 4 und 5). Der Anker braucht auch nicht Z-förmig ausgebildet zu sein, sondern er kann aus einem lamellierten oder massiven Klotz bestehen. Damit der Anker leicht genug ist, um der antreibenden Kraft während der Dauer einer Halbwelle um einen genügend großen Betrag folgen zu können, wird in an sich bekannter Weise sein Trägheitsmoment dadurch klein gehalten, daß man ihm bei geringem Durchmesser eine möglichst große axiale Länge gibt.
  • Der Gleichrichter-Synchronmotor zeichnet sich gegenüber den üblichen Hysteresemotoren bei gleichen äußeren Abmessungen durch ein merklich größeres Drehmoment aus. Er benötigt ferner kein hochwertiges Kernmaterial.

Claims (4)

1. Selbstanlaufender. durch Eimphasen-Wechselstrom ständergespeister Synchronmotor, insbesondere Synchron-Kleinstmator mit ausgeprägten Polen, dessen Felderregerwicklungen durch. Gleichrichter mit Gleichrichter mit eindeutiger Stromdurchlaßrichtung so gesteuert werden, daß je zwei am Ständerumfang räumlich au£einanderfolgende Polpaare nacheinander erregt werden, ein urbewickelter Wei,cheisengekennzeichnet, a Widerstand zwischen anker, dessen n Polen sich möglichst zwei ge enül rliegend in Abhängigkeit vom stark und seinem ändert und dessen Gestalt seine durch das umlaufende Gleichstromfeld dies Ständers in eine solche Lage hineingezogen wird, in der der magnetische Widerstand für den magnetischen Fluß der zur Zeit gerade erregten Pole am geringsten ist.
2. Selbstanlaufender Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker so ausgebildet ist, daß sich eine über den Drehwinkel des Ankers gleichmäßig ändernde Größe des wirksamen Luftspaltes zwischen dem Anker und den Polen ergibt.
3. Selbstanlaufender Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß der Anker so ausgebildet ist, daß sich bei über dem Drehwinkel des Ankers gleichmäßig großem Luftspalt zwischen dem Anker und den Polen eine mit dem Drehwinkel veränderliche Breite des Ankers ergibt.
4. Selbstanlaufender Synchronmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ständer und Anker aus gepreßtem Material hergestellt sindt In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 676 668, 656 155, 614335. Entgegengehaltene ältere Rechte: Deutsches Patent Nr. 904 071.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4622501A (en) * 1985-05-10 1986-11-11 North American Philips Corporation Ultrasonic sector scanner

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE614335C (de) * 1931-12-11 1935-11-12 Jakob Lell Dr Ing Verfahren zum Betrieb von elektrischen Wechselstromsynchronmaschinen mit veraenderlicher Drehzahl
DE656155C (de) * 1932-09-07 1938-02-02 Aeg Durch Entladungsstrecken mit eindeutiger Stromdurchlassrichtung gesteuerter Repulsionsmotor
DE676668C (de) * 1935-04-30 1939-06-09 Siemens Schuckertwerke Akt Ges Kraftbremssteuerung fuer Drehstrommotoren mit zeitweiliger Gleichstromerregung zum Antrieb von Lasthebemaschinen
DE904071C (de) * 1943-07-18 1954-02-15 Siemens Ag Elektrische Maschine mit Wechselstromspeisung

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