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Synchronmotor Die Erfindung betrifft einen Synchronmotor mit einem
polarisierten Rotor und mit einer über einen nach dem Prinzip des Wagnerschen Hammers
arbeitenden Wechselrichter aus einer Gleichstromquelle erregten Ständerwicklung.
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Bei einem aus einem Gleichstromnetz über einen Zerhacker gespeisten
Wechselstrommotor (Kurzschlußläufermotor) ist es bereits bekannt, die Schwingkontaktfeder
des Zerhackers durch den Magnetfluß der feststehenden Feldwicklung des Wechselstrommotors
anzutreiben. Der einwandfreie Betrieb eines solchen Zerhackers ist von der Symmetrie
des entstehenden magnetischen Feldes abhängig, welche nicht leicht zu erreichen
sein wird. Zur Betätigung des Zerhackers ist ein stark ausgebildetes Streufeld an
den Schwingkontaktfedern notwendig, welches den Wirkungsgrad der Gesamtanordnung
ungünstig beeinflußt. Ferner ist der Betrieb der Schwingkontaktfeder im Streufeld
des Stators stark von Schwankungen der Betriebsstromstärke abhängig, da die magnetischen
Antriebskräfte dem Quadrat der Antriebsstromstärke proportional sind. Ein Betrieb
mit konstanter Drehzahl wird sich nur schwer erreichen lassen, denn ein optimaler
Betrieb des Synchronmotors läßt sich nicht mit einem ebensolchen des Zerhackers
durch das gleiche Feld realisieren.
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Es ist weiter bei Synchronmotoren bekannt, die Drehzahl durch an mechanischen
Schwingern, z. B. Federzungen oder Unruhen, angebrachte Kontakte konstant zu halten.
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Durch die deutsche Patentschrift 718 353 ist ferner eine nach Art
eines Synchronmotors arbeitende magnetelektrische Maschine mit einem polarisierten
Rotor und einer Ständerwicklung bekannt, welche über einen nach dem Prinzip des
Wagnerschen Hammers arbeitenden Wechselrichter aus einer Gleichstromquelle erregt
ist und deren Antriebsfrequenz beim Hochlauf des Motors durch magnetische Kräfte
des polarisierten Rotors bestimmt wird, welche die Kontaktfeder des Wechselrichters
über einen auf der Kontaktfeder angeordneten Dauermagneten zu drehzahlproportionalen
Schwingungen veranlassen.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese bekannte Anordnung sowohl
in bezug auf die Drehzahlkonstanz als auch hinsichtlich des Wirkungsgrades zu verbessern.
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Erfindungsgemäß ist auf einer im Gegentakt arbeitenden Schwingkontaktfeder
des Wechselrichters außer den Stromwendekontakten ein Treibkontakt angeordnet, der
bei Annäherung der drehzahlproportionalen Schwingungen der Schwingkontaktfeder an
ihre Einspannresonanz infolge der größer werdenden Amplituden der Federschwingungen
ein Treibkontaktpaar schließt, über welches die Treibspule eines Elektromagnetsystems
die Schwingkontaktfeder nach dem Prinzip des Wagnerschen Hammers mit der Einspannresonanzfrequenz
erregt und damit den Synchronmotor mit einer sich daraus ergebenden konstanten Drehzahl
antreibt.
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Gegenüber den bekannten Anordnungen wird die Schwingkontaktfeder der
Erfindung symmetrisch um ihre neutrale Faser bewegt. Dies ist die Voraussetzung
für die Ausnutzung ihrer Einspannresonanz. Durch die Ausnutzung der Einspannresonanz
der Schwingkontaktfeder, welche nach Erreichen der Synchrondrehzahl durch einen
vom Synchronmotor vollkommen getrennten Elektromagneten angetrieben wird, wird im
Gegensatz zu der vorher beschriebenen Anordnung eine vollkommene Unabhängigkeit
der Drehzahl von der Stromaufnahme und daher von Belastungsschwankungen erzielt.
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Weiter ist durch die Gegentaktschaltung eine Flußumkehr im Eisenkern
des Elektromagnetsystems erreicht, wodurch die Eisenverluste kleiner werden und
der durchschnittliche Wert seiner Permeabilität höher liegt.
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Durch die Verwendung der Gegentaktschaltung ergibt sich weiter eine
symmetrische Wicklung, die in Verbindung mit den an sich bekannten Funkenlöschschaltungen
über Dioden in weiterer Ausbildung der Erfindung eine Energierückgewinnung zuläßt.
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An Hand der A b b. 1 und 2 sei dieses näher erläutert. Der Rotor des
Ausführungsbeispiels besteht aus einer unmagnetischen, vorzugsweise nichtleitenden
Scheibe
8, in deren Umfang axial magnetisierte Magnetscheiben wechselnder Polarität, vorzugsweise
Oxydmagnete 9 a, 9 b, eingelassen sind, deren magnetische Achsen parallel zur Scheibenantriebsachse
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liegen. A b b. 2 zeigt die Draufsicht auf die polarisierte Läuferscheibe
8, welche, wie aus A b b. 1 erkenntlich, durch den Luftspalt 2 des lamellierten
Eisenblechkerns 1 läuft. Die Gegentaktantriebswicklungen 3, 4 auf dem Eisenblechkern
1 erhalten ihre Antriebsstromimpulse über die Batterie 7, den geschlossenen Schalter
21, die Stromwendekontakte 13, 14, die Schwingkontaktfeder 18 und ihre Gegenkontakte
12, 15. Voraussetzung dafür ist, daß die Schwingkontaktfeder 18 in Bewegung gesetzt
wird und die Stromwendekontakte nacheinander betätigt werden. Der Dauermagnet 10
ist fest mit der Schwingkontaktfeder 18 verbunden. Wenn die Polankerscheibe
8 durch Anstoßen in Drehbewegung versetzt wird, laufen die eingelassenen Magnetscheiben
9a, 9 b wechselnder Polarität unterhalb des Dauermagneten 10 durch und üben abwechselnd
eine anziehende und abstoßende Kraft auf den Dauermagneten 10 aus. Hierdurch gerät
die Schwingkontaktfeder 18 mit ihren Kontakten 13, 14, 16 in schwingende Bewegung,
und die Stromwendekontakte 13, 14 kommen abwechselnd mit den Gegenkontakten 12,15
in Kontakt und setzen somit die Gegentaktwicklungen 3, 4 wechselseitig unter Antriebsstrom.
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Die Schwingkontaktfeder 18 mit ihren Kontakten 13, 14, 16 sowie
mit ihrem Dauermagneten 10 und ihrem Weicheisenanker 19 bildet zusammen mit den
Gegenkontakten 12, 15, 17, dem Antriebselektromagneten 11 und der Funkenlöschdiode
22 eine feste Baueinheit. Sie ist in ihrem Abstand von der Polankerscheibe 8 veränderlich
einstellbar und in beiden Bewegungsrichtungen der Polankerscheibe 8 drehbar angeordnet,
so daß der günstigste Antrieb der Kontaktfeder 18 über ihren Dauermagneten
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sowie der optimale Antrieb des Polankers durch den Elektromagneten mit
seinen Wicklungen 3, 4 eingestellt werden kann. Ein Antriebsimpuls muß immer dann
über eine Antriebswicklung 3 oder 4 fließen, wenn die eingelassenen Magnetscheiben
9 a, 9 b etwa gleich weit vom Eisenblechkern 1 entfernt sind, d. h. wenn der Eisenkern
sich- etwa in der Mitte zwischen zwei Magnetscheiben 9 a, 9 b befindet. Die eine
magnetische Scheibe, z. B. 9a, wird dann angezogen, die andere Magnetscheibe,
also 9 b, wird in der gleichen Drehrichtung der Polankerscheibe 8 abgestoßen, beide
Kräfte addieren sich also. Nach einem Platzwechsel der Scheiben 9 a, 9 b und entsprechender
Umkehr des magnetischen Flusses im Eisenblechkern 1 durch den Wechsel der Wendekontakte
13,14 wird dann sinngemäß die Scheibe 9 b angezogen, die Scheibe 9 a abgestoßen,.
usw. Die Kräfte liegen demnach stets in gleicher Richtung und addieren sich, so
daß in bezug auf den Kraftantrieb der Polankerscheibe 8 ein verstärktes Drehmoment
zustande kommt. Da das magnetische Feld zu seinem vollen Aufbau infolge der Selbstinduktion
eine bestimmte Zeit benötigt, wird man durch geeignetes Verdrehen der Kontakteinrichtung
entgegen der Drehbewegung der Polankerscheibe 8 ein geringes Voreilen der Kontaktschließungen
12, 13; 14, 15 zu erzielen suchen und somit das Nacheilen des Aufbaues des magnetischen
Flusses so weit ausgleichen, bis das größte Antriebsdrehmoment erzielt ist. Die
Breite des Eisenblechkerns 1 ist so gewählt, daß er in Mittelstellung zwischen zwei
Magnetscheiben 9a, 9b, beide Magnetscheiben an den Kanten leicht überdeckt.
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Nach der geschilderten Wirkungsweise genügt es also, die Polankerscheibe
8 in der einen oder anderen Drehrichtung anzustoßen, wodurch der Polanker beschleunigt
weiterläuft, da die Antriebsfrequenz proportional zur Winkelgeschwindigkeit der
Polankerscheibe zunimmt. Nach Erreichen einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit hat
die Federamplitude der Kontaktfeder 18 infolge Annäherung an die Einspannresonanz
so zugenommen, daß sich auch die Kontakte 16, 17 des elektromagnetischen Antriebs
des Weicheisenankers 19 periodisch berühren und Stromimpulse durch den Elektromagneten
11 schikken. Hierdurch wird das Schwingsystem verstärkt angetrieben und bringt sich
selbsttätig steuernd in die Resonanzlage mit der maximalen Amplitude. Damit werden
die Bewegungen der Schwingkontaktfeder 18 unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit
der Polankerscheibe 8, weil die Wirkung des Elektromagneten 11 die magnetostatischen
Kräfte zwischen dem Magneten 9, der Polankerscheibe 8 und dem Permanentmagneten
10 bei weitem überwiegt. Die Winkelgeschwindigkeit stellt sich somit auf die Resonanzfrequenz
der Schwingkontaktfeder 18 ein und es wird ein von der Batteriespannung und im hohen
Maße von der Last unabhängiger drehzahlkonstanter Lauf der Polankerscheibe 8 erzielt.
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Die Frequenz, bei welcher der Übergang von der über die Polankerscheibe
8 angetriebenen Schwingkontaktfeder 18 zur selbsttätig gesteuert schwingenden Kontaktfeder
18 stattfindet, läßt sich durch den Abstand der Kontakte 16, 17 bzw. ihre Entfernung
von der Einspannstelle der Schwingkontaktfeder 18 einstellen.
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Ferner läßt sich erreichen, daß in einem weiteren Elektromagneten
mit lamelliertem Eisenkern, welcher der Übersichtlichkeit wegen nicht eingezeichnet
ist, durch die Bewegung der Magnetscheiben 9 a, 9 b im Luftspalt des Eisenkerns
in der Wicklung Ströme induziert werden. Diese können nach Gleichrichtung und Glättung
über ein Potentiometer oder einen veränderlichen Widerstand so eingestellt werden,
daß z. B. ein elektromagnetisches Relais oder auch ein Transistor von dem eingestellten
Richtstrom gesteuert wird. Dann wird durch Kontaktschließung oder durch Stromdurchlaß
der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors die Leitfähigkeit des Stromweges
für die Betätigung des Elektromagneten 11 erst kurz vor Erreichen der Resonanzfrequenz
der Schwingkontaktfeder 18 hergestellt und nach Unterschreiten dieser Frequenz wiederaufgehoben.
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Jeder Schwingung der Schwingkontaktfeder 18 entsprechen zwei Kontaktschließungen
für den Antriebsstrom und somit auch ein zweimaligen Platzwechsel der Magnetscheiben
9. Bezeichnet f (,.es) die Resonanzfrequenz der Schwingkontaktfeder 18, n die Anzahl
der Polankerumdrehungen pro Minute und z die Anzahl der Magnetscheiben 9 auf der
Polankerscheibe 8, so gilt die Beziehung:
Bei gleichbleibender Resonanzfrequenz und zunehmender Anzahl der Magnetscheiben
9 nimmt also die Polankerumdrehung mit
ab, der Umfang des Teilkreises der Magnetscheiben und damit sein
Durchmesser
bei gleichbleibendem Durchmesser der Magnetscheiben 9 proportional mit z zu und
damit im gleichen Maße auch das Drehmoment der Polankerscheibe B. Bei gleicher aufgenommener
Leistung ist also naturgemäß das Produkt aus Umdrehungszahl und Drehmoment konstant.
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Die Antriebsstromimpulse für die Gegentaktwicklungen 3, 4 können nach
einer Weiterbildung der Erfindung über die stromgesteuerten Hauptstrecken von Transistoren
(Emitter-Kollektor-Strecken) fließen, wobei die geringen Steuerströme der Emitter-Basis-Strecken
über entsprechend klein wählbare Stromwendekontakte 12, 13; 14, 15 geleitet
werden.
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Ferner wird in zweckmäßiger Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen,
den lamellierten Blechkern 1
mit einer weiteren Wicklung 5 zu versehen, welche
die gleiche Windungszahl wie die einzelnen Teilwicklungen 3, 4 besitzt und daher
infolge des übersetzungsverhältnisses 1:1 bei der Impulsgabe über die Stromwendekontakte
13, 14 und ihre Gegenkontakte 12, 15, über Brückengleichrichter 6 eine gleich große,
der Batteriespannung von Batterie 7 entgegengesetzte Spannung ohne Stromausgleich
erzeugt. Die in den Gegentaktwicklungen 3, 4 erzeugte und bei der Bewegung des Polankers
unverbraucht gespeicherte magnetische Energie wird in solchen überspannungen dem
Gleichrichter 6 nach Öffnen der Stromwendekontakte 12, 13; 14, 15 zugeführt, daß
ein Ladestrom in die Batterie 7 zurückgewonnen wird. Damit wird der Wirkungsgrad
des Polankermotors erhöht und die schädliche Funkenbildung an den Kontakten unterdrückt.
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An Stelle des Gleichrichters 6 kann in einer weiteren Ausführung der
Erfindung ein günstig dimensionierter Kondensator zur Funkenlöschung verwendet werden.
Die Rückführung eines Ladestromes zur Batterie 7 entfällt dann.