DE1538831A1 - Elektromotor mit veraenderlicher Drehzahl - Google Patents

Description

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Patentanmeldung

Anmelder: Jean und Jacques Jarret, Fourqueux (Prankreich)

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Elektromotor mit veränderlicher Drehzahl

Die Erfindung betrifft eine elektrische Haschine mit veränderlichem magnetischen Widerstand, die als Gleichstrommotor mit veränderlicher Drehzahl arbeitet und ein starkes Anlaufmoment liefert. . ·. '

Bekanntlich kann man elektrische Maschinen mit veränderlichem magnetischen Widerstand und leiterlosem Rotor als Motor mit veränderlicher Drehzahl benutzen. Dies wird durch eine Kommutierung der Statorwicklungen erreicht, wobei die Kommutierung in der Regel durch die Rotorbewegung elektronisch gesteuert wird. Die in den Wicklungen durch Änderungen des magnetischen Plusses infolge des Vorbeilaufens der Rotorzähne erzeugte Gegen-ΈΜΚ schwankt mit einer von der Rotorbewegung abhängigen Frequenz j daraus folgt, daß das gelieferte Moment bei gegebener Stromstärke nicht konstant ist.

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Brief vom 18. 5. 66 Blatt 2 Dlph-Ing. Q. Schllebs

an das Deuts die Patentamt, München 1538831 Patentanwalt«

Gegenstand der Erfindung ist, einen Motor mit veränderlichem magnetischen Widerstand zu schaffen, der ein konstantes. Moment für eine gegebene Stromstärke liefert.

Erfindung geniäß besitzt der dtator des Motors mindestens eine aus zwei Paaren von Hagnetkreiselementen gebildete Gruppe, die eine gemeinsame Erregerwickltins hat. Hierbei ist jedes Magnetkr eis element mit mindestens einem luftspalt versehen und mindestens einer koinmutierbaren Wicklung ausgestattet. Der Rotor der Maschine-besitzt mindestens einen Zahn aus ferromagnetisch em V/erkstoff „ Dieser Zahn kann durch die Luftspalte hindurchlaufen, wobei Zähne und luftspalte so gestaltet sind, daß für eine gegebene Y/lnkelbewegung des Rotors die Menge des in die Iiuftspalte eintretenden ferromagnetischen Tiferkstoff es gleich der LIenge des ferromagnetischen Werkstoffes ist, der die Luftspalte verläßt, und daß für eine gegebene Rotordrehzahl diese !!engen konstant sind. Die Änderung der Monge des ferromagnetischen Materiales eines in den Luftspalt eines Magnetkreiselementes eingeführten Zahnes hat Werte, die bei den beiden IJagnetkr eiselement en eines Paares dem Betrage nach gleich und dem Sinne nach entgegengesetzt und zwischen den beiden Magnetkreis elementpaaren einer Gruppe um eine halbe Periode versetzt sind. Eine Einrichtung zur Synchron-Kommutierung läßt den Strom durch die Wicklungen in der Art fließen, daß sich deren Amperewindungszahlen zu dem durch die Erregerwicklung erzeugten PeId addieren, wenn die Menge des ferromagnetischen Materials zunimmt, und sich von dem Feld subtrahieren, wenn sie abnimmt.

In einer besonderen Ausführung der Erfindung hat der Gleichstrommotor mit variablem magnetischen Widerstand einen Aufbau, wie er in dem Patent ... (Patentanmeldung J 29 Ί53 YIXfb/21'di) beschrieben ist. Dieser Motor hat einen zylindrischen Läufer aus f err omagne ti s ehern Werkstoff und einen Stator mit einer

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Brief vom 18. 5. 66 Blatt 3 "" - Dlpl.-Infl.Q. Schllebt

an das Deut solle Patentamt, München 1538831 Patentanwalt

Erregerwicklung in Form, eines zylindrischen Ringes» der den mittleren- Teil des Läufers koaxial umgibt, und mit magnetisch voneinander unabhängigen Polschuhen aus ferromagnetischem Material, die sternförmig um die Erregerwicklung angeordnet sind· Der laufer hat zwei Zahnkränze, die aus Reineisenlamellen aufgebaut und durch eine Luftschicht oder einen Isolierwerkstoff voneinander getrennt und parallel zur Läuferachse auf zwei Scheiben aus ferromagnetischem 'Material' angeordnet sind, und "zwar symmetrisch bezüglich der llittelebene der b'tatorpolschuhe und in deren Richtung.» Diese Scheiben können sich um .die Achse des Läufers derart drehen, daß die Enden ihrer Zähne symmetrisch in bezug auf die axialen Enden der Polschuhe und dicht vor diesen durchlaufen können.

Ein Kennzeichen dieser besonderen Ausführungsform besteht darin, daß der Stator eine Anzahl von Polschuhen in einem Vielfachen von vier und jeder Rotorkranz eine Anzahl von Zähnen'.-gleich einem Viertel der Statorpolzahl besitzt. Weiter trägt jeder Polschuh zwei in Reihe geschaltete Ii?klungenmit entgegengesetztem Windungssinn, und die Pole sind über ilre Wicklungen in Vierergruppen in übereinandergreifenden Paaren miteinander verbunden«

Ein weiteres Kennzeichen dieser Ausführungaform besteht darin, daß jeder Rotorzahn in jedem Moment komplementäre Flächen von vier aufeinanderfolgenden Polen bedeckt, wenn man die Pole in übereinandergreifenden Paaren zusammenfaßt und daß der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zähnen eine Fläche einnimmt, die mit der Fläche eines Zahnes identisch ist.

Die Bewegung eines Zahnes durch einen Luftspalt ändert den magnetischen Fluß proportional zur Menge des ferromagnetisch en Materials, das in diesem Luftspalt vorhanden ist» Bei gegebener Rotordrehzahl ändert sich die in der Wicklung eines jeden Poles induzierte "MK im gleichen Verhältnis. Da andererseits

Brief vom 18. 5. 66 Blatt 4 DlpL-Ing.Q. Schliefe·

^an das Deutsche Patentamt, München 1538831 Patentanwalt

die von zwei Polen des gleichen Paares bedeckten flächen komplementär sind, ist die Summe des die Polpaare durchfließenden magnetischen Flusses konstant, da weiterhin die Wicklungen entgegengesetzten Wicklungssinnes dieser Pole in Serie geschaltet sind, addieren sich die in diesen Wicklungen erzeugten EMKa, und da sich schließlich diese Polpaare gegenseitig überdecken, ist die Summe der in diesen Wicklungen einer jeden Gruppe von zwei Paaren induzierten EItIICs konstant.

Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beschreibung näher erläutert, die sich auf die Zeichnung bezieht. In dieser zeigens .

Fig. 1 in Seitenansicht und in axialem Halbschnitt einen erfindungsgemäßen Mptorj

Figo 2 in Ansicht von links und in einem Halbschnitt längs der linie A-A in Fig. 1 oben die Statorspule, in einem Schnitt längs B-B unten die Eotorzähnej ·

fig. .3 ein Sehaltschema der Wicklungen der-Statorpole in Fig. 1 und 2 und der Synchron-Kommutierung und

Fig. 4 ein Diagramm der 13IKa, die in den Wicklungen zweier

aufeinanderfolgender Statorpole einer als Wechselstromgenerator arbeitenden Maschine gemäß Fig. 1 und 2 während des Durchganges eines Rotorzahnes erzeugt werden. ■ - \ ' ^: ' · " -."■

Der in der Zeichnung als Beispiel dargestellte Motor hat den gleichen Grundaufbau wie die in der schön erwähnten Patentschrift beschriebenen elektrischen Maschinen. ·

Der Hotor 1 wird von einem !läuferkern 10 gebildet, der rotationssymmetrisch zur Achse 11 der Maschine ist e

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Brief vom 18» 5- 66 Blatt 5 DIpl.-Ing. G. Schllebs

an das Deutsche Patentamt, München I O Jo OO I Patentanwalt

und zwei Scheiben 12 und 13 trägt, die zueinander bezüglich einer zur Achse 11 senkrechten Ebene symmetrisch und mit "jeweils acht Zähnen 121 bis 128 und 131 bis 138 versehen sind, die in Richtung auf diese Ebene hervorragen. Er wird von einer

■ 'Welle 11 getragen, die in zwei Lagern 112, 113 läuft.

Der Stator 2 hat eine ringförmige Grundform und befindet sich

■ im-Raum zwischen dem Läufer 10 und den Scheiben 12, 13 mit den Zähnen 121, 131» Er sitzt an einem Gehävise 20, das einen Sockel 200 hat und den Rotor 1 vollständig umgibt. Das Gehäuse (| trägt mit den Lagern 112, 113 die Rotorwelle 111. Der Stator besitzt im ringförmigen Raum zwischen den Rctorzähnen einen Kranz von 32 Polen 201 bis 232, von denen jeder mit zwei Wicklungen 211, 212 umgeben ist, die in entgegengesetztem Sinne gewickelt sind (Figo 3), und im ringförmigen Raum zwischen den Teilen der Scheiben 12 und 13, die nicht mit Zähnen versehen sind, eine !Erregerwicklung 21, deren Achse parallel zur Achse 11 ist, die in unmittelbarer Nähe des mittleren Teiles des Rotorläufers 10 angeordnet ist ο

Die Zähne 121,"131 bestehen aus Reineisenlamellen, die voneinander-durch einen Isolierwerkstoff derart getrennt sind, ^ daß der Reineisenanteil in dem Zahnvolumen, das über die ™ Seitenflächen der Scheiben 12, 13 herausragt, zwischen 0,5 und 0,85 liegt. Die Zähne haben eine derartige Gestalt, daß jeder in'jedem Moment komplementäre Flächen zweier aufeinanderfolgender Pole bedeckt, und die Pole haben eine derartige Gestalt, daß die Veränderung der von einem Zahn bedeckten Polfläche als Funktion der Winkelbewegung des Zahnes bei jeder Bedeökungshälfte des Poles linear ist, in der ersten Bedeckungshälfte zunimmt und in der zweiten Bedeckungshälfte in gleichem Maße abnimmt.

Fig. 3 zeigt schematisch die Wicklungen einer Gruppe von zwei Polpaaren 201, 203 und 2Oi, 204 und das Prinzip der synchronen

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; BAD ORIGINAL

Brief vom 13. 5. 66 Blatt 6 Dlpl.-Ing. G. Sehllebs

an das Deutsche Patentamt, München l03oöJl Patentanwalt

Kommutierung dieser "icklungen mit Hilfe einer Einrichtung 3, die in elektromechanischer Ausführung dargestellt ist, um ihre Wirkungsweise leichter verständlich zu machen; in der Praxis besteht sie aus einer herkömmlichen elektronischen Synchron- . Kommutierungseinrichtung. Bei den acht Gruppen von zwei Polpaaren sind die gleichartigen Wicklungen parallel mit den zugeordneten Anschlußklemmen 311» 312 bis 321 , 322 bis 331» . 332 und 341, 342 der Einrichtung 3 verbunden; wie durch die Pfeile angezeigt ist, stehen diese Klemmen für eine Vielzahl derartiger I£lenmen. Der Pol 201 hat zwei Wicklungen 211, 212, die in entgegengesetztem Sinne gewickelt sind, die Pole 2 02, 203, 204 haben, entsprechende Wicklungen 221, 231» 241, die in gleichem Sinne gewickelt sind wie die \7icklung 211, und weiterhin Vficklungen 222_? 232, 242, die im gleichen Sinne gewickelt sind Wie die Wicklung 212. Die gegensinnigen Wicklungen der Pole 201 und 203 einerseits und der Pole 202, 204 andererseits sind in Serie geschaltet, d. h. die Wicklung 211 ist mit der Wicklung 232 verbunden und die Wicklungen 221, 231, entsprechend mit den Wicklungen 242, 212, 222.

Wenn die Erregerwicklung 21 gespeist wird und die Kommutierungseinrichtung 3 abgeschaltet ist, läßt man den Rotor derart umlaufen, daß der Zahn 121 an den Polen 204 bis 201 vorbeiläuft. Die Spannungen, die zwischen den Klemmen 311, 332 der in Serie geschalteten Wicklungen 211, 232 auftreten, sind durch die voll ausgezogene Kurve in Figo 4 dargestellt, und die Spannungen, die zwischen den Klemmen 321 und 342 der in Serie geschalteten Wicklungen 221, 242 auftreten, durch die gestrichelte Kurve in der gleichen Figur. ^

Man erkennt, daß die Signale genau trapezförmig sind, was die Kommutierung erleichfert. Die Aufgabe der Kommutierungseinrichtung 3 besteht darin, in den-Wicklungen eines -jeden Poles ~- Ströme fließen zu lassen, deren Amperewindungen sieh zu den Amperewindungen des konstanten Erregerstromes der Wicklung 21

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Brief vom 18. 5· 66 Blatt 7 ■ - r ο ρ ρ ^ * DIpl.-lng.G. Schutt»

an das Deutsche Patentamt-, München ' Patentanwalt "

addieren, wenn die vom ZaIm bedeckte Fläche des Poles zunimmt, und sich von den Erreger-Mperewindungen subtrahieren, wenn diese'-Fläche,, oder anders gesagt, die im luftspalt des betrachteten Poles anwesende Eisenmenge abnimmt₀

Um einen Kennzeichnenden Zeitpunkt für die Kommutierung dieser Wicklungen synchron zum Rotorumlauf aufzuzeigen,wurde in Fig, 3 ein Rotorzahn 121 dargestellt, der den Pol 201 vollständig unbedeckt läßt und folglich den Pol 203 vollständig bedeckt und ebenso die Hälfte der Flächen der Pole 202 und M 204. Himmt man an, daß sich der Motor gegen den Uhrzeigersinn drelit, dann führt die Bewegung des Zahnes 121, ausgehend von der gezeichneten Stellung, dazu, daß dieser Zahn den Pol 201 zu bedecken und den Pol 203 freizugeben beginnt, während bei seinem Durchhang die Veränderung- der bedeckten Fläche der Pole 202, 204 das Vorzeichen wechselt.

Die Kommutierung^ einrichtung. 3 besitzt eine Gleichstromquelle 30, die zyklisch vier aufeinanderfolgende Komta .^n \n?n der in Serie geschalteten Wicklungen der Pole 201 bis 204 speist. Dies wird symbolisiert durch die Verbindung zweier Kontaktpaare 301, 303 und 302, 304 mit zwei leitenden Hocken 300, 305* die ein Kreisprofil haben und mit der Rotordrehung derart (| synchronisiert sind, daß sie in gleicher Richtung mit achtfacher Geschwindigkeit mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von "jX/2 umlaufen.

Der Hocken 300 verbindet die positive Klemme der Gleichstromquelle 30 abwechselnd mit dem Eingang 311 der Wicklung 211 des Poles 201 über den Kontakt 301 und mit dem Eingang 331 der Wicklung 231 des Poles 203 über den Kontakt 303. Der Hocken 305 verbindet die negative Klemme der Spannungsquelle 30 mit einem Nachlauf von einer Viertelumdrehung gegenüber dem Hocken 300 mit dem Ausgang 322 der Wicklung 222 des Poles 202 über

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Brief vom Ί8» 5β- 66 Blatt 8 -Dipping.Q. Sehlieb*

an das Deutsche Patentamt, Minchen' 1 5388 3 1 Patentanwalt

den Kontakt ^02 mit dem Ausgang 342 der Wicklung 242 des Polos 204 mit dem Kontakt 304. Die Klemmen 312, 321, 332 und .341 sind miteinander verbunden. Wenn der Kontakt 301 geschlossen ist, werden die Wicklungen 211, 232 nacheinander durch den Kontakt 304 mit den Wicklungen 221, 242 und durch den Kontakt 302 mit den Wicklungen 241, 222 in Serie geschaltet. Wenn der Kontakt 303 geschlossen ist, dann wird ebenso der Kreis der Wicklungen 231, 212 nacheinander über die in Serie geschalteten Wicklungen 241, 222 mit Hilfe des Kontaktes 302 und über die in Serie geschalteten Wicklungen, 221, 242 mit Hilfe des Kontaktes 304 wieder geschlossene

Zu gleicher Zeit werden der Kontakt 301 geschlossen und 'der Kontakt 303 geöffnet jedes Mal dann, wenn ein Zahn sich bezüglich der Pole 201 bis 204 in der in Fig. 3 für den Pol 121 gezeigten Stellung befindet, und zwar bei jeder Achtelumdrehung des Kotors, und die Betätigung der Kontakte 301, 303 kehrt sich jedes Mal um, wenn der Zahn zwei Pole weitergelaufen ist, ti. h. wenn sich der Rotor ausgehend von dies-er Stellung um eineSechzehntelumdrehung gedreht hat. Die Kontakte 3P2 und 304 werden jedes Mal geöffnet bzw» geschlossen, wenn ein Zahn bezüglich der für den Zahn 121 in Figo 3 gezeigten Stellung um einen Pol.,weitergelaufen ist, d. iu ein Zweiunddreißigstel der HotorUmdrehung später, und die Betätigung dieser Kontakte erfolgt eine SechzehnteIumdrehung des Rotors später»

So liefert die von den Wicklungen 111, 232 und 221, 231 gebildete Gruppe ein genau trapezförmiges Signal mit einer Erequenz, die sechzehnmal so groß ist wie die Rotordrehzahl in Umdrehungen pro Sekunde? und die von den Spulen 221, 242 und 222, 241 gebildete Gruppe liefert ein genau trapezförmiges Signal der gleichen Frequenz, das um ein ■ Zweiunddreißigstel phasenverschoben ist bzw. um eine halbe Periode in bezug auf das erste Signal.

Brief vom 18« 5. 66 Blatt 9 Dlpl.-Ing. G. Schliebs

an das Deutsche -Patentamt, Künchen 1538831 Patentanwalt

In der in Pig. 3 dargestellten Position werden die Wicklungen 211, 232, in denen ein signal mit positivern Anstieg entsteht, durch die Kontakte 301, 304 gespeist, und zwar in 3erie rrit den Wicklungen 221, 242, die ein Signal liefern, einen Extrenwert durchläuft und dessen ILnderung das Vorseichen wechselt und negp.tiv wird, während -die Wicklungen 231, 212 durch Öffnen des Kontaktes 303 abgescho.ltet v/erden» liaa: ',/eiterlaufen des Itotors um eine 2weiunddreiiii^stelumdrehung und folglich nach einer Viertelumdrehung der ü'o'olcen 300, 305 werden ebenso die Wicklungen 221, 242 durch 'Offnen des Kontaktes 304 abgeschaltet, v/älirend der. Kreis der T/iek!linien 211, 232, deren Signal ™ einen Extremwert durchläuft, durch Schließen des Kontaktes 302 wieder-mit den Wicklungen 241, 242 in Serie geschaltet : wird usw. Die Ge.aamt-H.IK ist also in dem L'aße konstant, v/ie die iComuutierungszeiten ver nachlas sigbnr sind ο Hieraus ergibt sich, da;? das Drelmonent des Liotors konstant ist, wenn der von der■Speisespannungquelle- 30 gelieferte Strom ebenfalls konstant ist»

BAD ORIGiNAL 909805/0557

Claims (1)

1. Brief vom 18, % 66 Blatt 10 Dlpl.-Ing. G. Schllebs

   an das Deutsche Patentamt, Lunchen 1538831 Patentanwalt

   Pa t ent aiispr; ί eh. e

   !.lot or mit veränderlichen sia-jnetischen '.Ud erstand wit ■einem υtator, eier imsunabhängigen ™^r.v ,Teetisch en Kreisen ■zusammengesetzt iot, die eine "-gem ei ho ame zirregeronule besitzen, -y₍'obei ^jeder magnetische, JJreis einen Pol "bildet, der !.at mindestens einer rick lung vergehen ist und nindestena einen Lu.rtspal'u au einen" seiner Ariden hat, und nit einem Rotor nit Sahnen aus durch einen Isoiier- - werkstoff voneinander getrennten Blechen eines ferro-Kiajne tischen '" rkstoff es, die durch die luftspalt e des utatorlcreiJos lc:.-.£en_t dadurch ^ekennaeichnet, da/3 der Stator (2) eine Anzalil von identischen Polen (201 bis 204) besitzt, deren. Anzahl ein. Vielfaches von vier ist, und daß der Rotor (10, 12, 13) eine Anzalil identischer, "ahne (121) besitzt, die gleich einem Viertel der genannten Polzahl ist, v/obei die Pole und die . Zähne- derart ausgebildet sind, daß die in den Tficklungen (211-212, 221-222, 231-232, 241-24-2) durch die Hotoi·drehung erzeugte Sine eine trapesfonai^e "./echselspannun" liefert und daß die T/ick-Iu ng en jeder Gruppe von vier auf eine.nd erfolgenden Polen paarweise übereinandergreifen (z. 3. 211 bis 232, 221 bis 242) derart miteinander verbunden sind, daß für eine gegebene iiotorgeschwindigkeit der magnetische ITuiil· in jedem Rotorzahn (121) konstant ist.

   1,Iotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für . eine gegebene TZinkelverstellung des Hotors die LIengen des in die Luftspalte eindringenden magnetischen 'Werkstoffes und des aus ihnen austretenden magnetischen Werkstoff-es gleich sind und für eine gegebene Rotordrehcahl konstant sind»

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   Brief vom 18. 5. 66 Blatt 11 Dlpl.-Ing. G. Schllebs

   an das Deutsche Pat ent anrfc, Künch en 1538831 Patentanwalt'

   Motor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen über eine Kommutierungseinrichtung (3) synchron zur Drehzahl des Rotors mit einer Gleichspannungsquelle (30) in solchem Sinne verbunden werden, daß der Strom in der Wicklung eines gegebenen . magnetischen Kreises (z. B. 221) ein Uagnetfeld erzeugt, das sich zu dem durch die gemeinsame Ifrregersmle (21) erzeugten Magnetfeld im Luftspalt des magnetischen Kreises addiert, wenn die ilenge des in diesem luftspalt vorhandenen f errociajnetisehen V/erkstoff es zunimmt, und sich davon subtrahiert, wenn sich jene verringert ο

   Uptor nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole jeweils zwei Wicklungen (211, 212) tragen, die in entgegengesetztem Sinne gewickelt,sind und nacheinander mit dem Hotorspeisekreis derart verbunden werden, da£ die induzierte Gesant-SHC konstant ist₀

   909885/0557

   Lee rs e i te