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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.