DE1638335B2 - Selbstanlaufender synchronmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstanlaufenden Synchronmotor, mit einem magnetisch leitfähigem Gehäuse, einem mit dem Gehäuse fest verbundenen zylinderförmigen Dauermagneten mit in Umfangsrichtung benachbarten in wechselnder Folge gegensinnig magnetisierten Abschnitten, einer konzentrisch dazu angeordneten Erregerwicklung und einem in den Raum zwischen den Dauermagneten und der Erregerwicklung ragenden klauenartigen Pol des Rotors.

Selbstanlaufende Synchronmotoren können, sofern sie nicht mit einer besonderen Anlaufvorrichtung versehen sind, nach dem Einschalten nicht ohne weiteres starten.

Weitere Nachteile sind große Verlus'e und eine hohe Betriebstemperatur sowie ein großes Trägheitsmoment bei Verwendung eines rotierenden Permanentmagneten.

Durch die Verwendung von Transistoren können nun elektrische Apparate sehr klein gebaut werden, so daß man bestrebt ist dort verwendete Synchronmotoren ebenfalls möglichst klein zu bauen, ohne aber ein zu geringes Drehmoment oder eine übermäßige Betriebstemperatur in Kauf nehmen zu müssen. Dazu benötigt ein solcher Motor einen Läufer, der mit einem wegen der Verkleinerung schwächeren Magnetfeld ein verhältnismäßig kleines Trägheitsmoment besitzt und dabei in seinen magnetischen und mechanischen Abmessungen den übrigen Motorteilen gut angeglichen ist.

Es ist auch ein Synchronmotor des eingangs erwähnten Typs in der US-PS 33 10 697 beschrieben. Hierbei bilden die Pole des Rotors einen U-förmigen Bügel, so daß die Verkettung des magnetischen Wechselflusses der Erregerspule mit dem stationären Magnetfluß des Dauermagneten im wesentlichen auf die vorderen, freien Enden der Pole beschränkt ist. Aus dieser eng begrenzten Verkettung der beiden Magnetfelder resultiert ein stark inhomogenes Magnetfeld mit hohen örtlich begrenzten Feldspitzen, welches ein dementsprechend ungleichförmiges Drehmoment am Rotor angreifen läßt und damit zu einem unruhigen Lauf des Rotois führt. Weitere Nachteile der bekannten Polanordnung werden in Zusammenhang mit F i g. 6 näher beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Synchronkleinmotor des eingangs erwähnten Typs zu schaffen, dessen magnetisches Feld genau definiert ist, so daß die Laufruhe des Motors erhöht wird.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die klauenartigen Pole jeweils an ihren freien Enden spitz zulaufen.

Es ist zwar auch aus der GB-PS 10 51 182 bekannt, am Läufer eine Vielzahl von Polen vorzusehen, jedoch liegen die Polenden nicht in einem Polring gegenüber, so daß auch in diesem Fall eine genaue Bestimmung des magnetischen Feldes mit den damit zusammenhängenden Folgen nicht möglich ist. Schließlich ist aus der DT-AS 10 55 677 bekannt, die

ίο Läuferpole spitz zulaufen zu lassen; diese Anordnung dient jedoch nicht dem der Erfindung zugrundeliegenden Zweck, zumal hier der Läufer als Dauermagnet ausgebildet ist, dem an beiden Stirnseiten weichmagnetische Drehscheiber, aufgelegt sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. In den Zeichnun gen zeigt

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Ausführungsform,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 11-11 in Fig. 1.

Fig.3 eine perspektivische Ansicht eines Einzelteils der Ausführungsform nach Fig. 1,

Fig.4 einen Teillängsschnitt durch eine der Fig. 1 ähnliche Ausführungsform mit einer Darstellung des Magnetfeldes,

F i g. 5 einen Teillängsschnitt ähnlich demjenigen von F i g. 4 durch die Ausführungsform nach F i g. 2,

F i g. 6 einen Teillängsschnitt ähnlich demjenigen von F i g. 4 durch eine bekannte Ausführungsform und

F i g. 7 einen Teillängsschnitt durch die erfindungsgemäCe Ausführungsform mit dem Magnetfeld.

Gemäß F i g. 1 und 2 bildet das aus einem magnetisch leitfähigen Materia! bestehende Gehäuse 1 mit der Grundplatte 2 einen Teil des Wechselfeldkreises. Eine ringförmige Erregerwicklung 3 ist im Gehäuse angeordnet und weist Klemmen 4 zum Anschluß an eine Wechselstromquelle auf.

Ein magnetisches Gleichfeld geht von einem zylindrisehen Dauermagneten 9 aus Bariumferrit aus, der am Teil 2' aus nicht-magnetischem Werkstoff befestigt ist, welches mittig in der ringförmigen Grundplatte 2 vorgesehen ist. Der Dauermagnet 9 hat auf seinem zylindrischen Umfang in gleichmäßigen Abständen wechselnde Pole — abwechselnd Nord- und Südpol —, die der Innenfläche der Erregerwicklung 3 zugekehrt sind.

Der Läufer 6 aus magnetisch leitfähigem Werkstoff weist acht Pole 6' auf, die in gleichmäßigem Abstand angeordnet sind. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3 sind die Pole von ihrer Grundfläche aus rechtwinklig abgebogen und laufen spitz aus. Außerdem sind Aussparungen 6" im scheibenförmigen Grundteil der Pole 6' vorgesehen. Die Pole 6' ragen in den Zwischenraum zwischen der Außenwand des Dauermagneten 9 und der Innenwand der Erregerwicklung 3 hinein.

Alle Pole 6' haben als Verlängerung des Läufers 6 bei einer Speisung der Erregerwicklung 3 die gleiche augenblickliche Polarität, die vom Nordpol /um Südpol und umgekehrt mit einer Frequenz wechselt, welche gleich der doppelten Frequenz des Wechselstroms der Erregerwicklung 3 ist. Der Läufer 6 ist auf einer Welle 7 mit Hilfe eines plastischen Nabenstücks 5 befestigt, das in der mittigen öffnung des Läufers 6 fest zentriert ist. Die Welle 7 ragt durch ein Lager 8, das durch den Dauermagneten 9 zentriert ist. Ein Abtriebsritzel Ta kann auf dem äußeren Wellenende befestigt sein

(Fig. 1). Der Polring 10 ist entweder auf der Grundplatte 2 angeordnet oder besteht aus einem Stück mit ihr und liegt den Polspitzen gegenüber.

Die Wirkungsweise dieses Motors ist wie folgt:

Der von der Erregerspule 3 erzeugte wechselnde magnetische Fluß gelangt über das Gehäuse 1 auf den Läufer 6, so daß alle Pole 6' die gleiche augenblickliche Polarität haben, geht in den Polring 10 über und dann durch die Grundplatte 2 zurück zum Gehäuse 1. Der Weg des permanentmagnetischen Flusses erstreckt sich von einem Pol des radial magnetisieren Dauermagneten 9 in einen Pol 6' und zurück in den benachbarten Pol von 9 mit entgegengesetzter Polarität.

Fig. 7 erläutert die Verteilung des Magnetflusses über die Begrenzungs- bzw. Randflächen der Pole in dem Zeitpunkt, in welchem der Erregerstron Null ist. Nach der Magnetisierung der Pole auf eine augenblickliche Polarität wirken an gegenüberliegenden Rändern eines jeden Pols die Anziehung nach einem Pol eines jeden zugeordneten Magnetpolpaares des Dauermagneten 9 und die Abstoßung zwischen jedem Pol und dem anderen Pol mit entgegengesetzter Polarität des zugeordneten Polpaares des Dauermagneten. Wenn daher gemäß Fig. 7 alle Pole 6' mit der augenblicklichen Polarität eines Südpols magnetisiert sind, dann bewegt sich jeder der Pole in Richtung auf den Nordpol des zugeordneten Polpaares des Dauermagneten 9; es werden dann die Pole 6' von den Südpolen des zugeordneten Polpaares des Dauermagneten abgestoßen. Unmittelbar danach kehrt sich die augenblickliche Polarität aller Pole 6' in Nord um, so daß die Bewegung in Richtung auf den nächsten benachbarten Südpol links vom zugeordneten Nordpol des Dauermagneten 9 (F i g. 7) fortgesetzt wird. Es besteht also kein Pulsieren zwischen Anziehung und Abstoßung und keine gegenseitige Entmagnetisierung zwischen den Polen 6'. Da somit das Trägheitsmoment des Läufers beträchtlich vermindert werden kann, indem man seine Masse durch Zuspitzung der Polenden verkleinert, werden das Selbstanlaufen und die Drehleistung des erfindungsgemäßen Motors wesentlich verbessert. Die Aussparungen 6" am Läufer 6 (Fig. 3) zwischen den Polen 6' vermindern Wirbelströme, die im Läufer auftreten können.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Synchronmotors besteht darin, daß im magnetischen Wechselfeldkreis eir. vorstehender Polring 10 den spitzen Enden der Pole 6' gegenüberliegt. Beim erfindungsgemäßen Synchronmotor gemäß Fig. 5 ist im Gegensatz zur bekannten Ausführungsform nach Fig. 4, bei welcher der in Fig. 5 mit 10 bezeichnete Polring fehlt, das Drehmoment und der Wirkungsgrad beträchtlich verbessert, da der von den Polen 6' ausgehende magnetische Kraftfluß im Spalt zwischen den Polen 6' und dem hervorstehenden Polring 10 gebündelt ist, wodurch die Dichte des Magnetflusses verstärkt wird. Dadurch wird das ringförmig wechselnde Magnetfeld wirksamer; es wird auch seine Verkettung mit dem magnetischen Feld des Dauermagneten verstärkt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemälien Synchronmotors ergibt sich aus den scharf zugespitzten Enden der Pole 6' des Läufers 6.

Bei bekannten Synchronmotoren besitzt der Laufer im allgemeinen eine Anzahl von im wesentlichen rechteckigen Polen, die bei gleichmäßigem Abstand voneinander an einem ringförmigen Grundkörper angeordnet sind. Wie in F i g. 6 dargestellt ist, ist der von diesen Polen 6' durch einen magnetischen Spalt gehende magnetische Fluß so verteilt, daß das den Dauermagneten umgebende magnetische Wechselfeld ungleichmäßig wird. Dadurch haben die magnetischen Kraftlinien das Bestreben, sich größtenteils unmittelbar an den freien Enden der rechteckigen, streiienförmigen Pole zu sammeln, und es gehen nur verhältnismäßig wenige magnetische Kraftlinien von denjenigen Teilen der Pole aus, die sich nicht in unmittelbarer Nähe ihrer Enden befinden. Daher pulsiert das vom bekannten Motor entwickelte Drehmoment, und es kann kein sanfter Lauf des Motors erhalten werden. Besonders bei einem Kleinmotor mit kleinem Trägheitsmoment des Läufers verursachen diese Faktoren eine Verminderung des Drehmoments.

Ein weiterer Nachteil solcher fast rechteckiger bekannter Pole besteht darin, daß die Motorleistung wegen der geringen Ausnutzung des gleichgerichteten Magnetfeldes klein ist. Der von der Erregerspule erzeugte magnetische Wechselfluß kann sich nämlich nur mit einem kleinen Teil des vom Dauermagneten stammenden magnetischen Feldes verketten, weil er nur ein kleiner Teil des gesamten, an den freien Enden der Pole sich bildenden Flusses ist. Mit anderen Worten: Wenn die Verkettungszone zwischen dem permanenten Magnetfluß und dem Wechselfluß durch Vergrößerung des Luftspalts d zwischen der Grundplatte 2 und den freien Enden der rechteckigen Pole 6' wächst (Fig.6), dann wächst auch der Widerstand des Luftspalts im Wechselfeldkreis, und es vermindert sich auf diese Weise der Wert des Wechselfeldflusses. Wenn andererseits der Widerstand des magnetischen Luftspalts durch dessen Verengung verkleinert wird, dann verkleinert sich zugleich dessen Verkettungszone. Unter Berücksichtigung dieser beiden Faktoren kann der Abstand d, welcher die Breite des Luftspalts angibt, so gewählt werden, daß man ein Maximum der Verkettung zwischen dem wechselnden und permanenten Magnetfluß erhält. Versuche haben ergeben, daß man solch ein Maximum erhält, wenn d—^xh bis ¹A der Höhe bzw. Länge des Dauermagneten beträgt. Daher ist der tatsächliche magnetische Fluß, der zur Verfügung steht, um in dem Motor ein Drehmoment auszuüben, nur ein kleiner Teil des gesamten magnetischen Flusses des Dauermagneten.

Bei dem erfindungsgemäßen Motor sind die Enden der Pole zugespitzt, so daß der magnetische Widerstand in Richtung auf diese Enden wächst. Die Verkettung magnetischer Kraftlinien erfolgt nicht nur an den freien Pulenden, sondern auch an ihrer Grundfläche. Alle Pole werden augenblicklich durch die F.rregerwicklung auf die gleiche Polarität Nord oder Süd magnetisiert. Dadurch erhält der magnetische Wechselfluß eine über die gesamte zylindrische Oberfläche des Dauermagneten 9 gleichmäßig verteilte Verkettung, weil die magnetischen Kraftlinien nicht nur von den Polenden sondern deren gesamten Begrenzungsflächen ausgehen. Infoige dieser gleichmäßigen Verteilung kann sich der Wechselfluß leistungsmäßig mit dem permanenten Magnetfluß in einer wirksamen Weise verketten, zumal der Läufer 6 aus einem Werkstoff besteht, der eine scharfe magnetische Säitigungscharakteristik sowie eine geeignete Dicke, Gestalt und entsprechende Abmessungen hat. Diese gleichmäßige und entgegengesetzte Einwirkung an einem jeweiligen Pol 6' wird auch in dem Augenblick während eines jeden Zyklus der Wechselstromeinwirkung ausgeübt, wenn der Magnetfluß des Wechselstromes durch Null geht.

llieiv.u 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Selbstanlaufender Synchronmotor mit einem magnetisch leitfähigem Gehäuse, einem mit dem Gehäuse fest verbundenen zylinderförmigen Dauermagneten mit in Umfangsrichtung benachbarten in wechselnder Folge gegensinnig magnetisierten Abschnitten, einer konzentrisch dazu angeordneten Erregerwicklung und einem in den Raum zwischen den Dauermagneten und der Erregerwicklung ragenden klauenartigen Pol des Rotors, dadurch gekennzeichnet, daß die klauenartigen Pole (6') jeweils an ihren freien Enden spitz zulaufen.

2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Spitzen der Pole (6') gegenüberliegend ein Polring (10) angeordnet ist.