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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.
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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.
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Bei Generatoren ist die höchste entmagnetisierende Beanspruchung diejenige,
die beim Ausbau des Polrades aus dem Ständer, also bei Unterbrechung des magnetischen
Kreises auftritt.
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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.
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Um diese Vorgänge verständlich zu machen, soll etwas näher auf die
besonderen Eigenschaften der Dauennagnetwerkstoffe eingegaugen werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.