DE1147307B - Synchrone Drehfeldmaschine mit einem durch einen Dauermagnetwerkstoff erregten Induktor - Google Patents

Synchrone Drehfeldmaschine mit einem durch einen Dauermagnetwerkstoff erregten Induktor

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DE1147307B
DE1147307B DEW19381A DEW0019381A DE1147307B DE 1147307 B DE1147307 B DE 1147307B DE W19381 A DEW19381 A DE W19381A DE W0019381 A DEW0019381 A DE W0019381A DE 1147307 B DE1147307 B DE 1147307B
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Kurt Westphalen
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706Inner rotors
    • H02K1/2713Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being axial, e.g. claw-pole type

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Description

  • Synchrone Drehfeldmaschine mit einem durch einen Dauermagnetwerkstoff erregten Induktor Es ist bekannt, bei synchronen Drehfeldgeneratoren den Induktor durch einen Dauerinagnetwerkstoff zu erregen. Es ist ferner bekannt, dafür einen zweipoligen Mag gneten zu verwenden und die Pole der Maschine aus klauenartig ineinandergreifenden Polschuhen aus magnetisch weichem Werkstoff zu bilden.
  • Die Induktoren derartiger Maschinen haben die unangenehme Eigenschaft, daß sie sich beim Ausbauen, d. h., wenn der magnetische Kreis unterbrochen wird, stark entmagnetisieren. Aus diesem Grunde ist es heute bei Dauermagnetinduktoren noch üblich, den Versand in eigens für den Transport bestimmten Jochen vorzunehmen, aus denen sie, ohne daß der magnetische Kreis unterbrochen werden darf, in den Magnetkreis der Maschine einzufügen sind.
  • Bei Generatoren ist die höchste entmagnetisierende Beanspruchung diejenige, die beim Ausbau des Polrades aus dem Ständer, also bei Unterbrechung des magnetischen Kreises auftritt.
  • Bei Motoren dagegen treten höhere entmagnetisierende Beanspruchungen in dem Augenblick auf, wo der Motor eingeschaltet wird. Dann fließt der Kurzschlußstrom in der Ständerwicklung, der den vier- bis fünffachen Wert des normalen Stromes hat, so daß die gegen den Magneten wirkende Ständererregung auch den vier- bis fünffachen Wert der normalen Erregung erreicht. Aus diesem Grunde hat man daher keine Drehfeldmotoren mit permanentmagnetischen Induktoren bauen können, weil Magnetwerkstoffe mit hoher Remanenz, die für die Herstellung wirtschaftlicher Motoren geeignet wären, bei Einhaltung der üblichen Bemessungsregeln für den Motor durch die Erregung beim Anlauf zu stark entmagnetisiert würden.
  • Um diese Vorgänge verständlich zu machen, soll etwas näher auf die besonderen Eigenschaften der Dauennagnetwerkstoffe eingegaugen werden.
  • Dauerinagnetwerkstoffe haben im Gegensatz zu magnetisch weichen Stoffen eine sehr breite Magnetisierungsschleife. Die nach Erreichen der Sättigung bei wieder abnehmender Feldstärke und Gegenmagnetisierung durchlaufene Remanenzkurve nennt man die äußerste Hysteresisschleife. Von dieser interessiert nur der in Fig. 1 dargestellte zweite Quadrant, da der Arbeitspunkt eines Dauermagneten in fast allen praktischen Fällen in diesem Quadranten liegt.
  • Befindet sich ein Magnet in einer Magnetisiervorrichtung, deren Erregung nach Erreichen der Sättigung abgeschaltet wurde, und ist deren magnetischer Widerstand praktisch gleich Null, so hat die remanente Induktion, kurz Remanenz genannt, den Wert B, entsprechend einer äußeren Feldstärke H=O. Wird nun in immer stärkerem Maße gegenmagnetisiert, so nimmt die Induktion ün Magneten, der äußersten Hysteresisschleife folgend, bis auf Null ab. Die zum Erreichen der Induktion 0 erforderliche Gegenfeldstärke nennt man die Koerzitivkraft H,. Treibt man die Gegenmagnetisierung nicht so weit, sondern beispielsweise nur bis zur Feldstärke H,' so sinkt die Induktion von B, auf BV Nach Aufhören der Gegenfeldstärke steigt B wieder an, folgt aber nicht mehr der äußersten Hysteresisschleife, sondern läuft auf einer flacher liegenden, ein wenig nach unten gewölbten Kurve a und erreicht bei H= 0 die Ordinate bei Punkt Pl. Bei neuer Gegenmagnetisierung bis H, läuft B auf einer nach oben gewölbten Kurve b nach B, zu- rück. Die beiden Kurven a und b bilden eine Lanzette, die, da sie sehr schmal ist, durch eine Gerade Bi P13 die sogenannte »permanentmacnetische g , Zustandsgerade« ersetzt werden kann. Genau genommen wird eine konstante Lage von B.Pl erst nach mehrmaligem Durchlaufen des beschriebenen Vorganges erreicht. Der Magnet ist dann bis zur GegenfeldstärkeH, »stabilisiert«. Die Induktion im PunktP, nennt man die Permanenz P, die sich im Schnittpunkt der Verlängerung von B.p. über B, hinaus mit der Abszisse ergebende Feldstärke Hle die »eingeprägte magnetische Feldstärke«. Die Neigungu"#v von B,P, gegen die Abszisse heißt »reversible Permeabilität«. Wiederholt man den eben beschriebenen Vorgang mit einer größeren GegenfeldstärkeH2, so stabilisiert sich der Magnet auf der permanenten ZustandsgeradenB,P" die bei den modernen Werkstoffen fast genau parallel zu B,P" aber tiefer als diese liegt, was bedeutet, daß die Neigung p"" praktisch eine Materialkonstante ist. Die Werte von P2 und H,-' sind aber erheblich kleiner als bei der Stabilisierung mit Hi.
  • Bis zu welcher Gegenfeldstärke ein Dauermagnet stabilisiert werden muß, um einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten, hängt ganz davon ab, wie groß die größte bei diesem Betrieb auftretende Gegenfeldstärke ist. Bei einigen der modernen Dauermagnetwerkstoffe ist eine Stabilisierung -überhaupt nicht nötig, da der Magnet bei allen in der Praxis auftretenden Beanspruchungen stabil bleibt, wie dies die Fig. 2 zeigt (H,=He, P=B,). Diese Werkstoffe liegen aber alle in der Remanenz so niedrig, daß bei ihrer Verwendung in elektrischen Maschinen unnötig große Modelle entstehen würden.
  • Will man kleine Maschinenmodelle erhalten, so muß man Werkstoffe mit hoher Remanenz verwenden. Derartige Dauennagnetwerkstoffe haben im allgemeinen wieder eine geringe Koerzitivkraft (ähnlich Fig. 1) und fallen von einem bestimmten Wert an bei größer werdender Stabilisierungsfeldstärke sehr schnell in die ]Luduktion. Besonders ausgeprägt ist dieses Verhalten z. B. bei bekannten keramischen Dauermagnetwerkstoffen. In Fig. 3 ist das Diagramm eines solchen Werkstoffes dargestellt. Bei überschreiten einer kritischen Feldstärke Hk fällt bei einem solchen Magneten die Induktion praktisch senkrecht auf Null, während er unterhalb dieser Grenzfeldstärke bei hoher Remanenz absolut stabil ist. Will man den großen Vorteil dieser hochwertigen Magnetstoffe ausnutzen, so muß man dafür sorgen, daß diese für die verschiedenen Magnetstoffe unterschiedliche Grenzfeldstärke in keinem Betriebszustand überschritten wird. Andererseits ist anzustreben, daß man bis in die Nähe der Grenzfeldstärke gelangt, da dann der Magnetwerkstoff am besten ausgenutzt wird.
  • Bei Synchronmotoren mit elektromagnetisch erregten Polrädem ist man bestrebt, die Streuung so weit wie möglich herabzusetzen. Wollte man Synchronmotoren mit permanentmagnetischen Polrädem nach dem gleichen Prinzip bemessen, wärde die kritische Grenzfeldstärke überschritten werden. Es würden die vorerwähnten Nachteile eintreten.
  • Die Erfindung geht aus von einer synchronen Drehfeldmaschine mit einem durch einen Dauermagnetwerkstoff erregten Induktor, bei dem der Magnet zweipolig ist und die Pole der Maschine durch klauenartig ineinandergreifende Polschuhe aus magnetisch weichem Werkstoff gebildet sind. Erfindungsgemäß erhalten bei Ausbildung als Motor die gegenüberliegenden Flächen der Induktolpolschuhe eine solche Größe und einen solchen Abstand, daß die Streuung so groß wird, daß die für die Entmagnetisierung des gewählten Dauermagnetwerkstoffes kritische Gegenfeldstärke beim Schlupf des Induktors im Drehfeld des Ankers nahezu, jedoch nicht ganz, erreicht ist, der Magnet also bei bester Ausnutzung des Werkstoffes stabil bleibt.
  • Die Verwendung dauermagnetischer Werkstoffe ist bei Hysteresemotoren bekannt. Für die Bemessung i der Streuwege und die Wahl des Magnetwerkstoffes sind dort jedoch andere Gesichtspunkte als bei einem synchronen Drehfeldmotor maßgebend. Beim Hysteresemotor muß die im Ständer erreichbare Feldstärke. beträchtlich größer sein als die Koerzitivkraft des Läufermaterials, damit eine vollständige Ummagnetisierung des Läufers möglich ist, denn dadurch wird bei dieser Motorart erst das für den Hochlauf erforderliche Moment entwickelt. Der erfindungsgemäße Motor hingegen wird nur im zweiten Quadranten der Magnetisierungskennlinie betrieben.
  • In praktischer Ausgestaltung der Erfindung wird, damit die bei Öffnung des magnetischen Kreises im Magneten selber entstehende entmagnetisierende Zusatzfeldstärke nicht zu groß wird, in bekannter Weise bei einem 2p-poligen Induktor der Magnetkörper nicht 2p-polig, sondern nur 2polig magnetisiert. Der Magnetkörper besteht hierbei aus einem Ring, der in Achsrichtung magnetisiert ist. Dieser Ring ist innerhalb zweier schalenförmiger Körper angeordnet, die am Umfang mit sich axial erstreckenden klauenartig ineinandergreifenden Polschuhen versehen sind, Bei einer solchen Magnetanordnung kann noch der Vorteil ausgenutzt werden, daß in an sich bekannter Weise Magnetwerkstoffe mit einer Vorzugsrichtung verwendet werden können.
  • Die in der eingangs gegebenen Erläuterung der Eigenschaften der Magnetstoffe erwähnte reversible Permeabilität,u"" also die Neigung der permanentmagnetischen Zustandsgeraden, ist ein Maß dafür, inwieweit eine Änderung des Widerstandes im magnetischen Kreis eine Induktionsänderung hervorruft. Eine solche Änderung des magnetischen Widerstandes tritt aber mit hoher Frequenz durch die sich dauernd ändernde Lage der Induktorpole zu den Zähnen des Ankers auf. Durch die Verwendung eines Magnetstoffes mit kleinem It, werden die Flußpulsationen klein gehalten. Die keramischen Dauennagnetstoffe haben praktisch ein ji, von nahezu 1, verhalten sich im Wechselfeld also wie Luft. Der hohe elektrische Widerstand dieser Stoffe bietet außerdem den Vorteil, daß keine Wirbelströme bei Flußschwankungen auftreten. Pulsationsverluste im Stator werden daher verhältnismäßig klein. Es ist die Verwendung eines großen Luftspaltes möglich, so daß auch die Rüttelkräfte klein werden, was von besonderer Wichtigkeit bei Motoren für Magnettongeräte u. dgl. ist. Es empfiehlt sich daher die Verwendung eines Werkstoffes mit kleiner reversibler Permeabilität, vorzugsweise eines im Elektromaschinenbau an sich bekannten keramischen Dauermagnetwerkstoffes.
  • Die vorerwähnten Erkenntnisse sind von besonderer Bedeutung für den Bau von polumschaltbaren Drehfeld-Synchronmotoren. Bei den bisher bekanntgewordenen Maschinen dieser Art ist der Induktor mit einer polumschaltbaren Erregerwicklung versehen, welche für die hleiche Polpaarzahl umschaltbar ist, wie die zugehörige Ankerwicklung. Für die Zuführung des Erregerstromes sind hierbei Schleifringe und Bürstensätze erforderlich. Weiter ist bekannt, Polräder aus Dauermagnetstahl zu verwenden. Die fremderregten Polräder haben den Nachteil des zu- sätzlichen Aufwandes für Schleifringe und Bürstensätze. Die Magtieträder aus Magnetstahl werden durch das durchlaufende Feld wegen der dann entstehenden hohen Wirbelströme und Hysteresisverhiste erhitzt und entmagnetisiert. Wenn jedoch der Induktor in diesem Falle einen keramischen Dauerniagnetwerkstoff aufweist, entstehen trotz des durchlaufenden Feldes keine Wirbelstromverluste, da dieser Werkstoff einen hohen elektrischen Widerstand hat. Ebenso sind die Hysteresisverluste zu vernachlässigen, da die reversible Permeabilität dieser Stoffe nahezu 1 ist.
  • Ein solcher polumschaltbarer Motor läßt sich in der Weise ausführen, daß für jede Polzahl ein Polrad vorgesehen ist. Es ist jedoch auch möglich, in an sich bekannter Weise nur ein Polrad zu verwenden, welches für jede durch die Ankerwicklung einschaltbare Polzahl eine Polgruppe oder mehrere Polgruppen besitzt. Die Abwicklung des Umfangs eines solchen Polrades eines Induktors mit klauenartig ineinandergreifenden Polschuhen ist in der Fig. 4 veranschaulicht. Die Polschuhe des Induktorteils 1 greifen in die von den Polschuhen des Induktorteils 2 gebildeten Hohlräume und umgekehrt ein. Die Polgruppe 3 ist der Statorwicklung mit der niedrigeren Polzahl, die Polgruppen 4 sind der Statorwicklung mit der höheren Polzahl zugeordnet.
  • Wie die Fig. 5 zeigt, die den Induktor schematisch veranschaulicht, sind z. B. die Quadranten 16 mit der größeren Polzahl versehen, also der hochpoligen Wicklung zugeordnet, während die Quadranten 8, die eine niedrigere Polzahl aufweisen, der Wicklung mit der niedrigem Polzahl zugeordnet sind. Die Polpaarzahl muß durch die Sektorenzahl teilbar sein; die Sektorenzahl muß darüber hinaus durch zwei teilbar sein.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Synchrone Drehfeldmaschine mit einem durch einen Dauermagnetwerkstoff erregten Induktor, bei dem der Magnet 2polig ist und die Pole der Maschine durch klauenartig ineinandergreifende Polschuhe aus magnetisch weichem Werkstoff gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung als Motor die gegenüberliegenden Flächen der Induktorpolschuhe eine solche Größe und einen solchen Abstand erhalten, daß die Streuung so groß wird, daß die für die Entmagnetisierung des gewählten Dauermagnetwerkstoffes kritische Gegenfeldstärke beim Schlupf des Induktors im Drehfeld des Ankers nahezu, jedoch nicht ganz erreicht ist, der Magnet also bei bester Ausnutzung des Werkstoffes stabil bleibt.
  2. 2. Synchroner Drehfeldmotor, insbesondere polumschaltbarer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregung des Induktors ein keramischer Dauennagnetwerkstoff dient. 3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetwerkstoff mit einer Vorzugsrichtung verwendet ist, der in seiner Vorzugsrichtung magnetisiert ist. 4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Welle des Induktors ein Kurzschlußläufer im Drehfeld des Ankers vorgesehen ist. 5. Polumschaltbarer Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Polzahl ein Polrad vorgesehen ist. 6. Polumschaltbarer Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Polrad vorgesehen ist, welches für jede durch die Ankerwicklung einschaltbare Polzahl eine Polgruppe oder mehrere Polgruppen besitzt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 563 058, 581716, 591327, 650 895, 761250; ETZ, 1950, S. 564; ETZ-A, 1954, S. 299, 300, 302 und 303.
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Citations (5)

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DE563058C (de) * 1928-08-12 1932-10-31 Kienzle Taxameter & App Akt Ge Einrichtung zum selbsttaetigen Anlassen eines zum Antrieb von Uhren o. dgl. dienenden Synchronmotors
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DE761250C (de) * 1939-06-03 1954-01-18 Aeg Selbstanlaufender Synchronmotor

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