DE1538831B2 - Elektromotor mit veraenderlichem magnetischem widerstand - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit veränderlichem magnetischem Widerstand mit einem Stator in Form eines Kranzes von mit Induktionswicklungen versehenen, axial gerichteten, ferromagnetischen Polen mit einer Erregerwicklung, mit einem Rotor mit zwei zu beiden Seiten des Polkranzes angeordneten und mit Rotorzähnen versehenen Rotorscheiben aus lamelliertem ferromagnetischem Werkstoff (deutsche Auslegeschrift 1 488 537). Ein solcher Motor arbeitet mit einer geeigneten Kommutierungseinrichtung als Gleichstrommotor.

Bekanntlich kann man elektrische Maschinen mit veränderlichem magnetischem 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 Flusses infolge des Vorbeilaufens der Rotorzähne erzeugte Gegen-EMK schwankt mit einer von der Rotorbewegung abhängigen Frequenz; daraus folgt, daß das gelieferte Drehmoment bei gegebener Stromstärke nicht konstant ist.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Motor mit veränderlichem magnetischem Widerstand zu schaffen, der ein konstantes Drehmoment für eine gegebene Stromstärke liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Motor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Pole des Stators in Gruppen zu vier aufeinanderfolgenden Polen eingeteilt sind, von denen jeweils der erste und dritte und der zweite und vierte ein Polpaar bilden. Die Wicklungen der Pole eines Paares werden aus einer Gleichspannungsquelle über einen Kommutator in entgegengesetztem Sinne ständig gespeist. Die Rotorzähne-sind — anders als die übrigen Teile des magnetischen Kreises des Motors —

ίο stets gesättigt, die Rotor-Zahnzahl ist gleich einem Viertel der Stator-Polzahl, und die Pole und Zähne sind derart geformt, daß in jedem Augenblick in jedem Polpaar die Summe der von Rotorzähnen besetzten Luftspaltquerschnitte konstant ist. Die Kommutierungsvorrichtung läßt den Strom durch die Statorwicklungen derart fließen, daß sich die Amperewindungen des in ihnen hervorgerufenen Stromes zu dem durch die gemeinsame Erregerwicklung erzeugten Magnetfeld in einem Pol eines magnetischen Kreises addieren, wenn dessen von einem Rotorzahn besetzter Luftspalt zunimmt, und sich vom Magnetfeld im anderen Pol desselben Polpaares subtrahieren.

Jeder Rotorzahn bedeckt in jedem Moment komple- r~ __ mentäre Flächen von vier aufeinanderfolgenden Polen, ^ und der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden v" Zähnen nimmt eine Fläche ein, die mit der Fläche ** eines Zahnes identisch ist.

Die Bewegung eines Zahnes durch einen Luftspalt ändert den magnetischen Fluß proportional zur Menge des ferromagnetischen Materials, das in diesem Luftspalt vorhanden ist. Bei gegebener Rotordrehzahl ändert sich die in der Wicklung eines jeden Pols induzierte EMK im gleichen Verhältnis. Da andererseits 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 Wicklungssinns dieser Pole in Serie geschaltet sind, addieren sich die in diesen Wicklungen erzeugten EMKe, und da sich schließlich diese Polpaare gegenseitig überdecken, ist die Summe der in diesen Wicklungen einer jeden Gruppe von zwei Paaren induzierten EMKe konstant, d. h., der Motor verhält sich wie ein Gleichstrom-Kollektormotor, aber mit der allen Motoren mit veränderlichem magnetischem ( g Widerstand eigentümlichen höheren spezifischen Leistung.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Pole und Zähne derart geformt und angeordnet, daß die in den Statorwicklungen durch die Rotordrehung erzeugte Gegen-EMK eine trapezförmige Wechselspannung mit Kommutierungspausen liefert und daß die Wicklungen jedes Polpaares gegensinnig in Reihe geschaltet sind. Diese Kommutierungspausen sind nach den endlichen Schaltzeiten der vorzugsweise elektronischen Kommutierungsvorrichtung zu wählen. Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beschreibung näher erläutert, die sich auf die Zeichnung bezieht. In dieser zeigt

F i g. 1 in Seitenansicht und in axialem Halbschnitt einen erfindungsgemäßen Motor,

F i g. 2 links die Ansicht des erfindungsgemäßen Motors und rechts in einem Halbschnitt längs der Linie A-A in F i g. 1 oben die Statorspule, in einem Schnitt "längs B-B unten die Rotorzähne,

F i g. 3 ein Schaltschema der Wicklungen der Statorpole in F i g. 1 und 2 und der Synchronkommutierung und

F i g. 4 ein Diagramm der Ströme und EMKe, die in den Wicklungen zweier aufeinanderfolgender Statorpolpaare eines Motors gemäß F i g. 1 und 2 während des Durchganges eines Rotorzahnes erzeugt werden.

Der in der Zeichnung als Beispiel dargestellte Motor hat den gleichen Grundaufbaü =wie die in der schon erwähnten deutschen Auslegetehrift beschriebenen elektrischen Maschinen.

Der Rotor 1 wird von einem Kern 10 gebildet, der rotationssymmetrisch zur Achse 11 der Maschine ist und zwei Rotorscheiben 12 und 13 trägt, die zueinander bezüglich einer zur Achse 11 senkrechten Ebene symmetrisch und mit jeweils acht Rotorzähnen 121 bis 128 und 131 bis 138 versehen sind, die in Richtung auf diese Ebene hervorragen. Er wird von einer Welle 111 getragen, die in zwei Lagern 112, 113 läuft.

Der Stator 2 hat eine ringförmige Grundform und befindet sich im Raum zwischen dem Rotorkern 10 und den Rotorscheiben 12, 13 mit den Rotorzähnen 121, 131. Er sitzt an einem Gehäuse 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 Rotorzähnen einen Kranz von 32 Polen, von denen einige mit den Ziffern 201 bis 204 und 229 bis 232 belegt sind und von denen jeder mit zwei Wicklungen, z. B. 211, 212, umgeben ist, die in entgegengesetztem Sinne gewickelt sind (F i g. 3), und im ringförmigen Raum zwischen den Teilen der Rotorscheiben 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 Teils des Rotorkerns 10 angeordnet ist.

Die Rotorzähne 121, 131 sind lamelliert und 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 Bedeckungshälfte des Pols linear ist, in der ersten Bedeckungshälfte zunimmt und in der zweiten Bedeckungshälfte in gleichem Maße abnimmt.

F i g. 3 zeigt schematisch die Wicklungen einer Gruppe von zwei Polpaaren 201, 203 und 202, 204 und das Prinzip der synchronen Kommutierung dieser Wicklungen mit Hilfe einer Vorrichtung 3, die in elektromechanischer Ausführung dargestellt ist, um ihre Wirkungsweise leichter verständlich zu machen; in der Praxis besteht sie aus einer herkömmlichen elektronischen Synchron-Kommutierungsschalturig. Ihre Aufgabe besteht darin, in den Wicklungen eines jeden Pols Ströme fließen zu lassen, deren Amperewindungen sich zu den Amperewindungen des konstanten Erregerstroms der "Erregerwicklung addieren, wenn die vom Zahn bedeckte Fläche des Pols zunimmt, und sich von den Erreger-Amperewindungen subtrahieren, wenn diese Fläche, oder anders gesagt, die im Luftspalt des betrachteten Pols anwesende Eisenmenge abnimmt.

Bei den acht Gruppen von zwei Polpaaren sind die gleichartigen Wicklungen parallel mit den zugeordneten Anschlußklemmen 311, 312 bzw. 321, 322 bzw. 331, 332 bzw. 341, 342 der Vorrichtung 3 verbunden; wie durch die Pfeile angezeigt ist, stehen diese Klemmen für eine Vielzahl derartiger Klemmen.

Der Pol 201 hat zwei Wicklungen 211, 212, die in entgegengesetztem Sinne gewickelt sind, die Pole 202, 203, 204 haben entsprechende Wicklungen 221, 231, 241, die in gleichem Sinne gewickelt sind wie die Wicklung 211, und weiterhin Wicklungen 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, 241 entsprechend mit den Wicklungen 242, 212, 222.

Aus dem Diagramm in F i g. 4 läßt sich entnehmen, wie die gegenelektromotorischen Kräfte des als Beispiel gewählten Motors verlaufen.

Das Diagramm zeigt in der Mitte vier Geraden, je eine für jeden der Pole 201 bis 204. Auf ihnen sind vier aufeinanderfolgende Kommutierungszeitpunkte t₀, t_u t₂, t₃ eines Zyklus abgetragen. In gestrichelten bzw. ausgezogenen Linien sind die Intervalle angegeben, während derer jeder Pol dem vorbeilaufenden Rotorzahn jeweils eine magnetische Süd- bzw. Nordseite zuwendet.

In der linken Hälfte zeigt das Diagramm in der Höhe der Zeitintervalle ^i₁ usw. zwei aufeinanderfolgende wechselständige Statorpolpaare 201, 203 und 202, 204. Eingezeichnet sind die Stromrichtungen in den zugehörigen Wicklungen vor und nach den verschiedenen Kommutierungszeitpunkten.

In Höhe der Kommutierungszeitpunkte t₀ usw.

weist der linke Diagrammteil außerhalb die jeweils zu diesen Zeitpunkten von einem Rotorzahn 121 bei seinem Durchlauf von links nach rechts eingenommene Stellung auf.

In der rechten Hälfte des Diagramms ist die Funk-

tion -j7~ für alle vier betrachteten Pole aufgetragen.

Hierbei ist F die momentan vom betrachteten Rotorzahn bedeckte Polfläche. Der Verlauf dieser Funktion läßt sich folgendermaßen gewinnen.
Zum Zeitpunkt t₀ befindet sich der Zahn in der Position, die in der zweiten Zeile des linken Diagrammteiles angegeben ist. Diese Position entspricht auch der in F i g. 3 angegebenen Stellung.

Die Fläche des Pols 202 wird zunehmend bedeckt

(—r— > 0 ] , und die Länge der Zahnvorderkante (in Bewegungsrichtung), die vom Pol geschnitten

wird, geht durch ein Maximum (-gpr = °) ·
Die Bedeckung des Pols 204 nimmt ab f—j— < 0) ,

und die Länge der vom Pol geschnittenen Zahnhinterkante geht ebenfalls durch ein Maximum

Der Pol 201 ist für kurze Zeit völlig unbedeckt (—τ— = 0), und die Länge der vom Pol geschnittenen

Zahnvorderkante ist ein Minimum (-π- = Oj.

Der Pol 203 ist vollkommen bedeckt

und die Länge der vom Pol geschnittenen Zahnvorderseite ist ebenfalls ein Minimum ( -. , = 0).

Die in jeder der verschiedenen Polwicklungen induzierte Gegen-EMK ist proportional zur Flußänderung -£ und folglich zu -j- ; sie ist demnach zum Zeitpunkt t₀: J^-

dem Betrage nach ein Maximum in den Polen 202, 204,

Null in den Polen 201, 203.

Wie in jedem Moment, so haben auch speziell zum Zeitpunkt i₀ die Ströme in den in Serie geschalteten Wicklungen der Pole 202, 204 bzw. 201,203 entgegengesetzte Richtung. Die gesamte induzierte Gegen-EMK beträgt das Doppelte der in jeweils einem Pol 202, 204 induzierten Gegen-EMK, während sie ja in den anderen beiden Polen Null ist. Andererseits sind die Änderungsgeschwindigkeiten der Gegen-EMK zum Zeitpunkt i₀ in allen Polen 201 bis 204 Null. Dies gilt jedenfalls für ein kurzes Zeitintervall {A i)o bei geeigneter Ausbildung und Anordnung der Pole und ihrer Wicklungen.

Dieses Intervall zum Zeitpunkt t₀ wird zur Kommutierung genutzt. Diese bewirkt folgendes:

die Stromrichtung in den Wicklungen der Pole

201, 203 wird umgekehrt,

"■'■ die Stromrichtung in den Wicklungen der Pole

202, 204 bleibt unverändert.

Zwischen den Zeitpunkten i₀ und J₁ rückt der Rotorzahn aus der Position in der zweiten Zeile des linken Diagrammteiles in die Position der vierten Zeile.

Die Fläche des Pols 202 wird weiter zunehmend

bedeckt (—τ— > OJ , und die Länge der vom Pol geschnittenen Zahnvorderkante nimmt linear mit dem Drehwinkel des Rotors und folglich linear mit der Zeit ab, bedingt durch die besonderen_; Formen

der Pole und Rotorzähne; es ist also

Die Bedeckung des Pols 204 nimmt weiter ab dF \

■ < 0 ι , und die Länge der vom Pol geschnittenen

0) ■

Zahnhinterkante nimmt dem arithmetischen Betrag nach linear ab (sie nimmt also dem algebraischen Betrag nach linear zu); es ist also (-gpr > ⁰J .

Die

Polfläche 201 wird zunehmend bedeckt

(—τ—- > OJ , und die Länge der vom Pol geschnittenen Zahnvorder kante nimmt linear zu (-gp- > 0 J .

Die Bedeckung des Pols 203 nimmt ab (-ττ- < Oj ,

und die Länge der vom Pol geschnittenen Zahnhinterkante nimmt dem arithmetischen Betrag nach linear zu ("bzw. dem algebraischen Betrag nach linear

Da die Neigungen der Geraden, welche die Anderungen —τ— (oder -^j oder der induzierten Gegen-EMK bis auf einen konstanten Faktor) in den vier Polen darstellen, gleich sind und da die Ströme in den Wicklungen der Pole 201, 203 bzw. 202, 204 in jedem Moment und insbesondere im zeitlichen Intervall von i₀ bis J₁ entgegengesetzt gerichtet sind, behält die insgesamt induzierte Gegen-EMK den gleichen Wert, den sie zum Zeitpunkt i₀ besaß.

Diese Überlegungen lassen sich in gleicher Weise für die weiteren Teile des Zyklus anstellen mit dem Ergebnis, daß die induzierte Gesamt-Gegen-EMK über den Zyklus konstant bleibt.

Die Kommutierungsvorrichtung 3 besitzt eine Gleichstromquelle 30, die zyklisch vier aufeinanderfolgende Kombinationen 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 Nocken 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 π/2 umlaufen.

Der Nocken 300 verbindet die positive Klemme der

Gleichstromquelle 30 abwechselnd mit dem Eingang 311 der Wicklung 211 des Pols 201 über den Kontakt 301 und mit dem Eingang 331 der Wicklung 231 des Pols 203 über den Kontakt 303. Der Nocken 305 verbindet die negative Klemme der Gleichstromquelle 30 mit einem Nachlauf von einer Viertelumdrehung gegenüber dem Nocken 300 mit dem Ausgang 322 der Wicklung 222 des Pols 202 über den Kontakt 302 oder mit dem Ausgang 342 der Wicklung 242 des Pols 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 geschlossen.
Der Kontakt 303 wird jedesmal dann geöffnet und der Kontakt 301 jedesmal dann geschlossen, wenn ein Zahn sich bezüglich der Pole 201 bis 204 in der in F i g. 3 für den Pol 121 gezeigten Stellung befindet, und zwar bei jeder Achtelumdrehung des Motors, und die Betätigung der Kontakte 301, 303

50-kehrt sich jedesmal um, wenn der Zahn zwei Pole weitergelaufen ist, d. h., wenn sich der Rotor ausgehend von dieser Stellung um eine Sechzehntelumdrehung gedreht hat. Die Kontakte 302 und 304 werden jedesmal geöffnet bzw. geschlossen, wenn ein Zahn bezüglich der für den Zahn 121 in F i g. 3 gezeigten Stellung um einen Pol weitergelaufen ist, d. h. ein Zweiunddreißigstel der Rotorumdrehung später, und die Betätigung dieser Kontakte erfolgt eine Sechzehntelumdrehung des Rotors später.

So liefert die von den Wicklungen 211, 232 und 212, 231 gebildete Gruppe eine genau trapezförmige Wechselspannung mit einer Frequenz, 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 eine genau trapezförmige Wechselspannung der gleichen Frequenz, die in bezug auf das erste Signal räumlich um ein Zweiunddreißigstel und zeitlich um eine halbe Periode

phasenverschoben ist. Beim Vorzeichenwechsel entstehen kurze Kommutierungspausen, die in F i g. 4 zur besseren Veranschaulichung übertrieben lang dargestellt sind. Zu diesem Zweck können z. B. die Kanten der in der schematischen F i g. 3 eckig dargestellten Polquerschnitte verrundet sein.

In der in F i g. 3 dargestellten Position werden die Wicklungen 211, 232, in denln-ein Signal mit positivem Anstieg entsteht, durch die Kontakte 301, 304 eingeschaltet, und zwar in Serie mit den Wicklungen 221, 242, die ein Signal liefern, das einen Extremwert

durchläuft und dessen Änderung das Vorzeichen wechselt und negativ wird, während die Wicklungen 231, 212 durch öffnen des Kontaktes 303 abgeschaltet werden. Nach Weiterlaufen des Rotors um eine Zweiunddreißigstelumdrehung und folglich nach einer Viertelumdrehung der Nocken 300, 305 werden ebenso die Wicklungen 221, 242 durch öffnen des Kontaktes 304 abgeschaltet, während der Kreis der Wicklungen 211, 232, deren Signal einen Extremwert durchläuft, durch Schließen des Kontaktes 302 mit den Wicklungen 241,222 in Serie geschaltet wird, usw.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209 530/12

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektromotor mit veränderlichem magnetischem Widerstand mit einem Stator in Form eines Kranzes von mit Induktionswicklungen versehenen, axial gerichteten, ferromagnetischen Polen mit einer Erregerwicklung, njjit .einem Rotor mit zwei zu beiden Seiten des Polkranzes angeordneten und mit Rotorzähnen versehenen Rotorscheiben aus lamelliertem ferromagnetischem Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole des Stators (2) in Gruppen zu vier aufeinanderfolgenden Polen (201 bis 204) eingeteilt sind, von denen jeweils der erste und dritte (201, 203) und der zweite und vierte (202, 204) ein Polpaar bilden, daß die Wicklungen der Pole eines Paares aus einer Gleichspannungsquelle (30) über einen Kommutator (300, 305) in entgegengesetztem Sinne ständig gespeist werden, daß die Rotorzähne — anders als die übrigen Teile des magnetischen Kreises des Motors — stets gesättigt sind, daß die Rotor-Zahnzahl gleich einem Viertel der Stator-Polzahl ist und daß die Pole und Zähne (121) derart geformt sind, daß in jedem Augenblick in jedem Polpaar (201, 203 und 202, 204) die Summe der von Rotorzähnen besetzten Luftspaltquerschnitte konstant ist.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole und die Zähne derart geformt und angeordnet sind, daß die in den Statorwicklungen (211-212, 221-222, 231-232, 241-242) durch die Rotordrehung erzeugte Gegen-EMK eine trapezförmige Wechselspannung mit Kommutierungspausen liefert, und daß die Wicklungen jedes Polpaares (201, 203 und 202, 204) gegensinnig in Reihe geschaltet sind.