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Drehfeldmaschine mit hysteretischer Wirkung Die Erfindung betrifft
Drehfeldmaschinen, wie Drehfeldmotoren, -kupplungen und -bremsen mit Hysteresewirkung
und strebt an, den hysteretischen Körper auf möglichst billige und einfache Verarbeitungsweise
möglichst wirkungsvoll herzustellen. Dabei soll vor allem eine teuere langwierige
Schleifbearbeitung von gehärteten Hohlzylindem vermieden oder auf eine geringfügige
Nachbearbeitung beschränkt werden. Aber auch der bei den bekannten Hysteresemotoren
vorhandene Nachteil der unbestimmten Phasenlage während des Laufes kann nach der
Erfindung behoben werden.
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Eine andere nachteilige Erscheinung ist der schleichende Schlupf,
welcher sich derart auswirkt, daß übliche Hystereseläufer bei Belastung ein wesentlich
geringeres Synchronmoment halten als das maximale Moment.
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Man ist bei der Herstellung von hohlzylindrischen Hystereseläufern
auf Schmiedestücke oder gepreßte oder gewalzte Rohre angewiesen. Bei diesen Vorformen
benötigt man wegen des Materialverlustes durch die Bearbeitung etwa das doppelte
Einsatzgewicht gegenüber dem einbaufertigen Zylinder. Außerdem zwingt der Härteverzug
bei dünnwandigen Hohlzylindern zu einer sehr umständlichen Nachbearbeitung durch
mehrfaches Schleifen an der Innen-und Außenseite. Der hierdurch bedingte hohe Preis
solcher Motoren hindert ihre Anwendung.
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Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Schwierigkeiten und Mängel
durch Aufbau der hysteretischen Materialschicht aus Bogenstücken. Danach werden
die bogenförnügen hysteretischen Teile derart aus gewalztem oder gezogenem flachem
Rohmaterial getrennt, daß die magnetisch bevorzugte Walz-, Preß- oder Ziehstruktur
vorwiegend in die Lauf- oder Zylinderumfangsrichtung zu liegen kommt.
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Zur Erzielung eines phasengenauen Synchronlaufes kann der hysteretische
Ringkörper z. B. aus so viel Bogenstücken oder Segmenten zusammengesetzt sein, wie
Pole im Primärteil vorhanden sind. Die Segmente bilden an den Stoßstellen magnetische
Engpässe, die erforderlichenfalls besonders ausgeprägt sein oder regelrechte Unterbrechungen
des magnetischen Flusses bilden können. Solche Einschnürungen bzw. Unterbrechungen
stützen den Synchronlauf des Motors dadurch, daß sich das Drehfeld nur dann voll
ausbilden kann, wenn diese Engstellen jeweils in dessen Polachsen liegen. Diese
Lage stellt sich beim Lauf des Motors nach Möglichkeit ein. Diese Wirkung unterstützt
die hysteretische Synchronwirkung wesentlich, so daß man zwei Synchronisierwirkungen
erhält. Konstruktiv schafft man im allgemeinen so viel Engstellen, wie Pole vorhanden
sind. Die Zahl der Engstellen kann auch z. B. die Hälfte der primären Polzahl sein.
Die Bogenstücke können auch durch Einkerbungen in Richtung der Zylindermantellinie
magnetisch unterteilt werden.
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Durch die Fertigung aus Walzmaterial erhalten die Zylinderbogenstücke
gleiche Wandstärke. Sollen je-
doch die Segmentbogen überall gleichmäßige
Kraftflußdichte haben, wird man die Wandstärke an den Enden, mit denen sie zusammenstoßen,
vermindern.
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Um die Synchronlaufeigenschaften zu verbessern, kann man die Bogenstücke
etwas kürzer halten und unmagnetische Spalte oder Keile vorsehen, so daß sich im
eingebauten Zustand Engstellen für den magnetischen Fluß in Umfangsrichtung entsprechend
der Polteilung ergeben.
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Der aus Bogenstücken zusammengesetzte hysteretische Sekundärteil kann
sowohl Motorinnen- als auch -außenteil sein. Ein aus nichtmagnetischem Material
bestehender, zylindrischer Körper, beispielsweise aus Aluminium, hält die Bogenstücke
im Kreise zusammen.
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Aus Fertigungsgründen und zum Streufeldschutz kann dieses Gehäuse
mit einer dritten Schicht aus ferromagnetischem Werkstoff versehen sein.
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Wahlweise wird vorgeschlagen, zwischen die Segmente aus hysteretischern
Material abwechselnd Segmente aus Weicheisen hoher Perrneabilität einzufügen, welche
das Feld im Lu#ftspalt als Polschuhe aufnehmen. Die Hystereseteile werden dann hauptsächlich
als Jochflußstücke magnetisiert.
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Die die hysteretische Schicht aufnehmenden Segmente können durch die
Scher- oder Stanzvorgänge aus dem Walzmaterial in gleicher Stärke mit solch ausreichender
Genauigkeit hergestellt werden, daß sie ohne wesentliche Nachbearbeitung einbaufertig
sind.
Die Segmente werden aus dem Flachmaterial vorteilhaft derart
ausgestanzt, daß die Gefügestruktur in Umfangsrichtung des zusammengesetzten hysteretischen
Zylinders zu liegen kommt. Die durch den Walz- oder Ziehvorgang erzeugte Richtstruktur
wird bei der Biegung der Seginente berücksichtigt. Außer Walz- und Ziehmaterial
kommt für die Bogensegmente auch solcher Werkstoff in Betracht, der auf Grund anderer
metallurgischer Verfahren handelsüblich hergestellt wird, beispielsweise Sintermetall
oder pulvermetallurgisches Preßmaterial, Material in Kunstharzbindung mit entsprechender
Preßrichtung od. dgl.
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Um die für die Wirkungsweise des Motors günstigste Dicke der hysteretischen
Schicht beispielsweise mit Federstahlband zu erzielen, können die Seginente auch
konzentrisch geschichtet sein.
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An Hand der Zeichnung seien einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt den innenliegenden Sekundärteil eines Hysteresemotors.
Die Bogenstücke 1 bilden die hysteretische Schicht, die dem beispielsweise
aus Leichtmetall bestehenden Tragkörper 2 aufliegt. Nut 16 ist die Motorwelle
bezeichnet. In Fig. 1 sind sechs hysteretische Segmente 1
a, 1 b, 1 c, 1 d, 1 e und 1
vorgesehen.
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Die Segmente la bis lf der hysteretischen Schicht 1 können
auf den Tragkörper 2 aufgeschraubt, aufgekittet oder auf irgendeine andere bekannte
Art befestigt sein. Nach Fig. 2a werden sie durch schwalbenschwanzförmige Ausbildung
auf dem Umfang des innenhegenden Stützteils 2 unverrückbar festgehalten.
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Fig. 2a zeigt den Sekundärteil im Längsschnitt, Fig. 2 b in
der Aufsicht. Die Motorwelle 16 hält den Rotor durch Naben 17 in den
Teilen 2 und 2' zu-
sammen. Schwalbenschwanzförmige Aussparungen
18 halten die Zylinderbogenstücke 1 aus hysteretischem Werkstoff seitlich
fest.
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Die Seginente 1 der Fig. 1 und 2 a sind mit gleichmäßiger
Wandstärke dargestellt. Sie können aber auch im Querschnitt veränderlich sein, z.
B., daß sie sich bei den magnetischen Engstellen 11 verjüngen.
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In Fig. 3 a ist der hysteretische Sekundärteil Motoraußenteil.
Die gestrichelten Kurven deuten die magnetischen Kraftflüsse an. Die Segmente
1 bilden wieder die hysteretische Schicht, welche von der magnetisch nichtleitenden
Schicht 2, beispielsweise aus Aluminium, umspannend getragen wird. Die folgende
Schicht ist eine ferromagnetische hochpermeable Schicht 3, der mehrfache
Bedeutung zukommt.
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Da die Schicht 2 (Leichtmetall od. dgl.) im allgemeinen einen anderen
Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als die Schicht 1, tritt bei wechselnden
Betriebstemperaturen leicht ein Arbeiten der Schichten gegeneinander auf. Da nun
der Sekundärteil bei dieser Anordnung stillstehen oder umlaufen kann, kann die Leichtmetallschicht
2 die mechanischen Beansprachungen, die durch das Einpressen der Segmente
1 sowie durch die auftretenden Zentrifugalkräfte verursacht sind, unter Umständen
allein nicht aufnehmen. In diesem Falle dient der Mantel 3 als Festigkeitsstütze,
die die Schicht 2 pressend umschließt. Zugleich dient die Masse des Mantels
3 als zusätzliche Schwungmasse für den Motor, wenn der Sekundärteil den Rotor
darstellt. Seine wichtigste Eigenschaft ist jedoch seine Abschirmwirkung gegen Streufelder,
die parallel zu den Segmenten 1 sich in den Außenraum ausbreiten würden.
Auf Grund seiner hohen Penneabilität saugt der Mantel 3 das sonst um das
Gehäuse 2 auftretende Streufeld auf. Ein solcher Motor kann dann auch in Geräten
Verwendung finden, die gegen Streufelder störempfind-]ich sind, wie Magnettongeräte
oder Geräte mit Elektronenstrahlröhren.
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Nach Fig. 3 b besteht die hysteretische Schicht 1
abwechselnd
aus den hysteretischen Segmenten 1 und den weichmagnetischen Segmenten 4.
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Fig. 4 stellt eine Abwicklung der Zylinderfläche nach Fig.
3 a, die Fig. 5 eine solche nach Fig. 3 b dar. Die Segtnente
sind in Fig. 4 als keilförmige Ab-
schnitte 1 dargestellt, welche mit
den Gegenkeilstücken l! gepreßt gehalten sind. Der Gehäusering 2 weist einen
Schulterrand 7 auf, an dem die Seg-
mente 1 beim Verspannen
anliegen.
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In Fig. 5 wechseln die Seginente 1 aus hysteretischem
Material mit Segmenten 4 aus hochperrneablem Material. Die Weicheisensegmente 4
wirken als Polschuhe zum Aufsammeln des Kraftlinienflusses, der die Segmente
1 in Umfangsrichtung durchsetzt.
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Die Weicheisenseginente 4 können zusätzliche Einkerbungen oder Aussparungen
bzw. Ausschnitte 10
erhalten, um durch Teilung des Kraftlinienflusses die
Spaltung des Feldflusses in der Mitte 10 der Polstücke und stabilisierende
Wirkung auf den Synchronlauf zu erzeugen.
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Der Keilwinkel ß kann so spitz gewählt werden, daß die Segmente
nach dem Eindrücken durch die Keilreibung in ihrer Lage gehalten werden. Dies kann
zusätzlich durch Kitt oder Kleben unterstützt werden. Es können auch zylindrische
Stücke mit Parallelkanten bei genauer Teilung verwendet werden.
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In Fig. 6 sind die aus Walzmaterial herausgestanzten Segmente
1 an ihren Enden unbearbeitet, so daß sie durch ihre Krümmung und Materialeinschnürung
Engstellen 11 für die zusätzliche Synchronwirkung für den magnetischen Fluß
bilden.
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In Fig. 6 liegen die Polachsen in den magnetischen Engstellen,
und jeder Flußteil tritt in ein lediglich von ihm durchsetzten Segment ein und wieder
aus. Die Anzahl der Segmente in der hysteretischen Schicht ist gleich der primären
Polzahl.
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Diese Engstellen sind nach Fig. 7 zu magnetischen Unterbrechungsstellen
ausgebildet. Hierbei sind zwischen die hysteretischen Teile 1 trennende Stäbe
12 aus magnetisch nichtleitendem Material eingefügt. Jedes Segment wird hier von
zwei Flußkreisen aus dem nicht dargestellten Primärteil durchsetzt. Dies ist bei
einem polumschaltbaren Motor bei der höheren Polzahl gegeben.
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Fig. 8 zeigt im Diagramm den mittels magnetischer Unterbrechungsstellen
im hysteretischen Zylinder zu
erzielenden Effekt. Ein Hysteresemotor mit solchen
Engstellen wird bei zunehmender Belastung nicht vor dem gestrichelt gezeichneten
Kurvenstück außer Tritt fallen, sondern entsprechend der ausgezogenen Eckkurve erst
bei wesentlich höherer Belastung.
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Zur Erzielung eines ruhigen Laufes können die Nutenschlitze des das
Drehfeld erzeugenden Teils durch magnetische Keile geschlossen sein.