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Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor mit Gleichstrommotor
permanenten Feldmagneten, bei dem Maßnahmen getroffen sind, daß dieser in der Nähe
von gegen Streufluß empfindlichen Vorrichtungen angebracht werden kann.
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Es besteht ein erheblicher Bedarf an derartigen abgeschirmten Gleichstrommotoren.
So kommt es beispielsweise bei Kreiselsteuerungen für Flugkörper auf geringste Abmessungen
bei höchster Präzision an. Hierbei finden Kreisel und Beschleunigungsmesser Verwendung,
die gegen magnetische Streufelder außerordentlich empfindlich sind.
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Auch der Betrieb der zur Stabilisierung einer trägheitsgesteuerten
Plattform dienenden Kreisel wird durch den Streufluß beeinflußt. Bisher hat man
zum Nachdrehen einer solchen Plattform allgemein Wechselstrommotoren verwendet.
Diese haben aber ein im Verhältnis zum Platzbedarf geringes Drehmoment. Infolgedessen
versuchte man auf Gleichstrommotoren überzugehen, die ein günstigeres Verhältnis
zwischen Platzbedarf und Drehmoment haben.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die meisten Gleichstrommotoren
für das Nachdrehen einer kreiselgesteuerten raumfesten Plattform nicht verwendet
werden können, weil sie kein von der Winkelstellung des Läufers unabhängiges Drehmoment
abgeben. Dies gilt auch für einen bekannten Gleichstrommotor, der an sich den Vorteil
hat, daß durch einen außen angeordneten Mantel aus ferromagnetischem Werkstoff das
Auftreten eines äußeren Streufeldes weitgehend verhindert ist.
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Andererseits ist ein sogenannter Gleichstrom-Nachdrehmotor bekannt,
dessen Ständer oder Läufer mehrere Dauermagnete in kreisförmiger Anordnung aufweist,
die in einzelne Aussparungen eines Ringes mit geringem magnetischem Widerstand eingebettet
sind, so daß eine Fläche jedes Dauermagnets mit dem Ring abschließt, während die
gegenüberliegende Fläche des Dauermagnets der Gestalt der Aussparung angepaßt ist.
Die verwendeten Dauermagnete haben hierbei rechteckigen Querschnitt. und zur Erzielung
des gewünschten stetig verlaufenden Magnetfeldes im Luftspalt muß der weichmagnetische
Ring eine erhebliche Dicke aufweisen.
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Demgegenüber ist der erfindungsgemäße Gleichstrommotor der angegebenen
Art dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Flächen
jedes Dauermagnets in der Mitte desselben am größten ist und in Umfangsrichtung
derart abnimmt, daß sich ein stetig verlaufendes Magnetfeld im Luftspalt ergibt.
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Auf diese Weise wird eine wesentliche Verringeiung der Dicke des Eisenringes
trotz stetigen Verlaufs der Feldstärke im Luftspalt erzielt, wobei der Motor nach
außen völlig unmagnetisch erscheint.
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Vorzugsweise verläuft die magnetische Achse jedes Dauermagnets durch
die Ringmitte, und benachbarte Magnete sind entgegengesetzt gepolt. Die Dauermagnete
sind am einfachsten in Aussparungen der den Luftspalt begrenzenden Fläche des Ringes
untergebracht. Beispielsweise hat jeder Dauermagnet einen halbmondförmigen Querschnitt.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr an Hand der
Zeichnung beschrieben. Hierin zeigt F i g. 1 die Seitenansicht des Ständers eines
Gleichstrom-Nachdrehmotors bekannter Art, F i g. 2 die Seitenansicht eines Ständers
gemäß der Erfindung, F i g. 3 und 4 Ansichten von dreieckigen und trapezförmigen
Dauermagneten, die erfindungsgemäß Verwendung finden können, und F i g. 5 einen
Ausschnitt des Ständers in vergrößertem Maßstab mit eingezeichneten Kraftlinien.
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Bei einem bekannten Gleichstrom-Nachdrehmotor mit Dauermagneten besteht
der Ständer gemäß F i g. 1 aus einem Weicheisenring 11 mit kreisförmiger Innenfläche
15 und kreisförmiger Außenfläche
17. In der letzteren befinden sich
mehrere rechteckige Aussparungen (Schlitze), in die rechteckige Dauermagnete 13
passen. Die magnetische Achse jedes Magnets ist senkrecht zur Ringachse in Tangentialriciaung
orientiert. Wie F i g. 1 zeigt, erzeugt jeder Dauermagnet ein Magnetfeld, das durch
den Luftspalt an der Innenseite der Fläche 15 und durch den nicht dargestellten
Anker hindurchgeht.
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Der Streufluß könnte bei dieser Anordnung in bekannter Weise durch
einen den Ring umschließenden ferromagnetischen Mantel verringert werden.
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Wenn aber, wie gezeigt, die Magnete rechteckige Gestalt haben und
so angeordnet sind, daß ihre magnetischen Achsen tangential verlaufen, ohne daß
Eisen oder ein anderes Material geringen magnetischen Widerstandes einen Nebenschluß
zwischen den Magneten und den Ankerwicklungen erzeugt, so erzeugt die längs der
Magnete herrschende magnetomotorische Kraft ein starkes Magnetfeld im Luftspalt
im Bereich zwischen benachbarten Magneten und ein schwaches Magnetfeld an anderen
Stellen, so daß der Motor kein stetiges Drehmoment aufweist, sondern ruckweise Bewegungen
ausführt. Um dies zu verhindern, sind bei den bekannten Motoren dieser Art verschiedene
Eisendicken zwischen den Magneten und dem Luftspalt vorgesehen, und zwar befindet
sich jeweils in der Mitte eines Magnets wenig oder gar kein Eisen zwischen Magnet
und Luftspalt, während am Ende des Magnets die größte Eisendicke vorgesehen ist,
damit dort ein erheblicher Teil der Kraftlinien durch den Eisenkern kurzgeschlossen
wird. Wie F i g. 1 zeigt, wird hierdurch der Durchmesser des Ringes 11 wesentlich
vergrößert, so daß der gesamte Platzbedarf des Motors ebenfalls zunimmt. Auch muß
der Abstand zwischen den einander zugekehrten gleichnamigen Magnetpolen verhältnismäßig
groß sein, um die Anzahl der benötigten Magnete möglichst klein zu halten. Die Stärke
des Streuflusses ist aber bekanntlich unmittelbar proportional zum Abstand zwischen
den Magnetpolen.
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F i g. 2 zeigt demgegenüber den Ständer eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors,
bei dem alle diese Nachteile wegfallen. Ein so gebauter Motor kann infolgedessen
derart in eine kreiselgesteuerte Plattform eingebaut werden, daß er den gegen Streufluß
empfindlichen Elementen unmittelbar benachbart ist. Hierbei ist die Zwischenschaltung
eines Getriebes nicht mehr erforderlich.
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Wie F i g. 2 zeigt, besteht der Ständer des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors
aus einem Kreisring 11 mit kreisförmiger Innenfläche 15, kreisförmiger Außenfläche
17 und mehreren halbmondförmigen Dauermagneten 19. Jeder Magnet hat eine
konkave Fläche 18 und eine konvexe Fläche 20 und sitzt in einer entsprechend
geformten Aussparung des Ringes 11, die an der Innenseite 15 angebracht
ist.
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Wie aus F i g. 5 hervorgeht, sind die konkave Seite 18 und die konvexe
Seite 20 jedes Magnets ungleichnamig gepolt, so daß die magnetische Achse
radial gerichtet ist. Der Magnet hat eine solche Gestalt, daß die Feldstärke im
Luftspalt um den Anker 2-2 längs des inneren Umfangs des Ringes 11 sinusförmig verläuft,
ohne daß hierzu ein magnetischer Nebenschluß aus Eisen oder sonstigem Material mit
geringem magnetischem Widerstand erforderlich ist.
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Da jeder Magnet 19 radial magnetisiert ist, kann seine Polfläche durch
das Eisen des Ringes 11 abgeschirmt werden, ohne daß der Magnet kurzgeschlossen
wird. So ist der radial gerichtete Magnetfluß, der sonst zu Streufeldern Anlaß geben
würde, gezwungen, innerhalb des Ringes 11 mit geringem magnetischem Widerstand
zu bleiben.
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Auch der tangential gerichtete Streufluß ist stark verringert, da
der Abstand zwischen den magnetischen Polflächen so gering wie möglich gehalten
ist, während die Stärke des tangentialen Flusses bekanntlich proportional zum Abstand
zwischen den Polflächen ist. Im vorliegenden Fall kann der Abstand zwischen benachbarten
Magnetpolen wesentlich verringert werden, weil die Magnetachsen radial gerichtet
sind, so daß derjenige Teil der Fläche 15, der von Kraftlinien durchsetzt ist, unabhängig
vom Polabstand ist.
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Zwar wurde gefunden, daß ein halbmondförmiger Querschnitt der einzelnen
Magnete ein mit ausreichender Annäherung sinusförmig verlaufendes Feld im Luftspalt
erzeugt, aber die Gestalt der Magnete ist hierauf nicht beschränkt. Grundsätzlich
ist jede Magnetform geeignet, bei der die Entfernung zwischen den ungleichnamigen
Polflächen 18 und 20 von der Mitte aus so stark abnimmt, daß das Feld
längs der Fläche 18 sich stetig ändert. So kann z. B. eine dreieckige Gestalt gemäß
F i g. 3 oder eine trapezförmige Gestalt gemäß F i g. 4 Verwendung finden.
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Wie F i g. 5 zeigt, sind benachbarte Magnete 19 entgegengesetzt polarisiert,
so daß jeder Magnet die Hälfte seines Flusses mit dem vorhergehenden und die andere
Hälfte mit dem nachfolgenden Magnet teilt. So ergibt sich die in F i g. 5 gezeigte
Kraftliniengestalt, wobei man sich den bewickelten Anker 22 durch eine Eisenscheibe
ersetzt denken kann. Der Luftspalt wird radial durchsetzt, wobei das Minimum der
Feldstärke an derjenigen Stelle auftritt, wo zwei Magnete zusammenstoßen. Die Feldstärke
nimmt bis zur Mitte eines Magnets stetig zu und sinkt dann wieder ganz oder nahezu
auf Null. Es kann gezeigt werden, daß dieser Feldstärkenverlauf sinusförmig ist,
so daß der Anker 22 ein konstantes und stetiges Drehmoment erfährt, wenn seine Wicklungen
unter Spannung gesetzt werden.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann
von selbst. So können z. B. die Dauermagnete im Läufer statt im Ständer untergebracht
werden, wobei dann die Ankerwicklungen sich auf dem Ständer befinden. Ferner kann
jeder Magnet durch mehrere rechteckige Magnete ersetzt werden, deren magnetische
Achsen radial verlaufen und deren Länge gesetzmäßig zu- und abnimmt.