DE1663139A1 - Gleichstrommotor - Google Patents

Description

Patentanwälte ,_ _ft

T»Ugramm·: Labyrinth MOndiM 1 O ζ> 3 I y 9

Ttltfon: 83 IS 10 rotltdMdckonfo: MOnchwi 11707t

Unser Zeichen» R 677

ROCKWELL MAWUPACTUHING COKPANY 400 North lexington Avenue Pitbeburgh, Pennsylvania / Y.St.A.

Gleichstrommotor

Sie Erfindung besieht sich auf einen Elektromotor, der sowohl mit pulsierender ala auch mit stetiger Gleichspannung betrieben werden kann. Sas Aueführungabeiepiel wird in Verbindung eowohl mit der Verwendung von atetiger Gleichspannung ale auch gleichgerichteter, ungeglätteter Wechselspannung betrieben, bo wie man eie vom Starkstromnet« abnehmen kann. Der Elektromotor hat dabei Permanentmagnete sur Sratugvmg dee Hauptteile iee das DrehBoaent liefernden Felde· während des normalen Betriebes.

Daduroh, daß leichtgewiohtige Magnete mit hoher Koerzitivkraft, hohem magnetischen Wideretand und niedriger Permeabilität

sur_

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zur Verfügung stehen, wurden neue Konstruktionen für kleine Elektromotoren durchführbar, welche biaher nicht möglich waren. Bs wurden kleine Elektromotoren mit einer, von einem Permanentmagneten stammenden Kraftfeld geschaffen, welche sowohl mit gleichgerichteter, Jedoch ungeglätteter Wechselspannung als auch mit stetiger Gleichspannung betrieben werden können, und welche ohne die Verwendung einer Anlaeeervorrichtung sogar mit voller Betriebsspannung angelassen werden können, die direkt auf die Motorklemmen gegeben wird. Um jedoch eine Entmagnetisierung der Permanentmagnete durch den Stromstoß beim Anlassen, beim Umsteuern oder bei festgehaltenem Anker zu vermeiden, war es bisher üblich, Ankerwindungen bu verwenden, die einen äußeret hohen oheechen Widerstand haben. Die Geschwindigkeit-Drehmonent-Kennlinie de· Motor« fällt also unerwünscht schnell ab, wenn der Motor belastet wird und die Maximalleistung eowle die lennleistung als auch der elektrische Wirkungsgrad deft Motors sind gering.

Ziel der Erfindung iet also die Schaffung «in·· Gleichstrommotor·, dessen Kraftfeld durch Permanentmagnete erzeugt wird] ·· soll ein neuartig·· Terfahren sowie ein· entepreohende

i Einrichtung geschaffen werden, weiohe ein· Entmagnetisierung der Permanentmagnet· aufgrund de· Stromstoßes beim Anlassen, beim Umsteuern oder bei festgehalten·· Anker verhindert, für den Betritbefall, daß der Motor nicht läuft.

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BAD ORiGiNAL

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Elektromotors, der mit einem pulsierenden Gleichstrom betrieben werden kann, und der eine bessere Leistung und einen höheren Wirkungsgrad hat.

Geaäß der Erfindung wird ein Elektromotor geschaffen, der von einer Stromquelle mit pulsierendem Gleichstrom beliefert werden kann, und bei dem der Strom in den PeIdspulen im wesentlichen mit dem Ankeretrom in Phase liegt und im wesentlichen dieselbe Wellenform wie er hat, wodurch ein höherer Wirkungsgrad und eine höhere Leistung erreicht werden.

Außerdem wird gemäß der Erfindung in einem Elektromotor eine neuartige Spulenanordnung geschaffen, welche den Vorrichtungen zur Schaffung des Haujtkraftfeldes zugeordnet ist, womit die Magnetfeldetärke entsprechend dem im Anker auftretenden Strom verändert wird.

Außerdem wird gemäi der Erfindung in einem Elektromotor eine Spulenanordnung geschaffen, welche den zur Erzeugung des Hauptkraftfeldes verwendeten Permanentmagneten zugeordnet ist und velche mit der Betriebsspannung, d.h. entweder mit Gleichsiarnung oder mit gleichgerichteter, jedoch unge^lätteter Y/echs el spannung verbunden ist, womit jegliche bedeutende Entmagnetisierung der Permanentmagnete verhindert wird.

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■■■■"- 4 -

Is sind also in einem mit Permanentmagneten ausgerüsteten Elektromotor Spulen ringe ua die Magnete vorgesehen, welche mit dem Anker in Reihe geschaltet sind, womit durch Zunahme dee Eauptmagneifeldee die Stromwendung verbessert wird. Xe wird dadurch die Wirkung dee durch den Anker erzeugten Magnetfeldes neutralisiert, dae gegenüber dem Hauptmagnetfeld in der Phase um 90° verschoben ist, womit eine Entmagnetisierung der Permanentmagnete beim Anlassen oder bei angehaltenem Läufer oder wenn der Motor umgesteuert wird, verhindert wird»

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielehalber erläutert. Es zeigern

Pig* 1 Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinie herkömmlicher Motoren dieser Art im Vergleich mit der entsprechenden Kennlinie eines Elektromotors gemäß der Erfindung,

Pig. 2 den Gleichstrommotor gemäß der Erfindung in Seitenansicht im Schnitt,

Fig. 3 SÜne Seitenansicht des Motors gemäß Pig. 2 von der linken Seite gesehen,

Fig. 4- einen Schnitt längs der Linie 4 - 4 von Pig.2,

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Pig. 5 ORIGINAL INSPECTED

Fig.5 eine Ansicht ähnlich der von Fig_e4, wobei jedoch ein anderes Ausführungsbeispiel au sehen ist, bei dem anstelle von einer Spule, wie gemäß Pig.4, auf jedem Permanentmagneten zwei Spulen angebracht sind, -

Fig. 6 A bis Mg. 6 H

verschiedene Verdrahtungsdiagranime mit folgenden \am

Einzelheiten? .

Fig. 6A ein Schaltschema für ein©.Zweiweggleieh-

richtung der von einer Weshselstromquelle

gelieferten Spannung, .
Fig. 6B ein Sclialtschema-ähnlich -dep« :voa-6Δ, wobei

jedoch eine Umsteuerung der Drehrichtung

vorgesehen ist,
Fig. 60 ein Schaltschema mit Einweggleiohrichtung

der -von einer We ons el stromquelle stammen-

' i

den Spannung, " ^

Flg. 6D ein Schaltschema einer Sinweggleiohrichtung der von einer WeehsölBtromquella stammenden Spannung, wobei ein steuerbarer Gleichrichter verwendet ist,

Pi£v. 6E ein Schaltschema einer Zweiweggleichrichtung einer von einer Weohselstromquelle stammenden Spannung, wobei steuerbare Gleichrichter verwendet sind, " - - -

Fig.6F QQ983Ö/07I3

■- 6 -

Fig. 6F ein Schaltschema einer Zweiweggleichrichtung einer von einer Wechselstromquelle

stammenden Spannung, wobei auf andere Weise steuerbare Gleichrichter verwendet sind,

Fig. 6G ein Schaltechema einer Zweiv/eggleichrichtung einer von einer Wechselstromquelle stammenden Spannung, wobei ein zusätzli-

A eher steuerbarer Gleichrichter zur Blockie

rung der Brücke vorgesehen ist,

Fig. 6H ein Schaltschema einer Zweiweggleichrichtung einer aus einer Wechselstromquelle stammenden Spannung, wobei zusätzliche pafallelgeechaltete, gegeneinander gerichtete, steuerbare Gleichrichter verwendet sind,

Fig. 7 A ein Diagramm der Wellenformen der Speisespannung ™ sowie des Stromes und der Gegen IMK im Anker

eines mit Permanentmagneten versehenen Gleichstrommotors herkömmlicher Art,

Fig. 7 B ein Diagramm der Wellenformen der Speiaespannung sowie des Stromes und der Gegen EMK im Anker eines mit Permanentmagneten versehenen Gleichstrommotors gemäß der Erfindung,

Fig. 8

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BAD ORiSiNAL

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Fig. 8 ein Diagram, bei dem die Riebtungen und Größen des Flusse· oder de« Feld®® su e®hen sind, da« von den Permanentmagneten und vom Anker eines mit Permanentmagneten versehenen Gleichstrommotor« erzeugt wird? es sind dabei beide Ausführung3formen, d.h. eins herkömmliche Aueführungsform und die Aueführungeform gemäß der Erfindung berücksichtigt und es ist die jeweilige Wirkung auf die neutrale Zone su sehen,

Fig. 9 die Leistungskurven eines herkömmlichen Motors

und eines Motors der Erfindung, wobei die Kurven des herkömmlichen Motors gestrichelt und die Kurven des Motors geuäß der Erfindung mit ausgezogenen Linien gezeichnet sind,

Pig.10 einen Schnitt entlang der Linie 10 - 10 von Fig.2, wobei das Geschwindigkeitsreduziergetriebe zu sehen ist, und

Fig. 11 dar an die Ankerwelle des Motors angebaute Ge-Fehwindigkeitsreduziergetriebe in zerlegtem Zustand.

Bei jedem Elektromotor wird die Hauptantriebskraft da

durch 009830/0793

erzeugt₉ äaS auf den Motor eis© §tsg®ntialkr©ft wisfetc Bisse Saageatialkapaft» ©Eitsteht äweh die gegtn . seitig© Einwirkung d®·.. elektromagnetischen Pelä®# unä d©s durch isn lotof, d_eh_e iiar©h den Inker,- £li©£®nd®n StromeQ₀ Di© tab®!⁵ den ladiu® dee Eotors wirkend® kraft bildet dsaa ias Breha®E@2it dee Motors. Auf ¥@is© ist die teöie, das.&ewicht eto. ©inee Elsktromotor® proportional des erzeugten Drehmomente

Auf dem Sektor motorisch betriebener Werkzeuge ist e® sum Erreichen der maximalen Leistung notwendig^ das Werkzeug toei der höchstmöglichen Geschwindigkeit arbeiten zu lassen und ©s ist erwünscht ₉ daß dae Werkzeug mit dem geringstmöglichen Geschwindigkeitsverluet unter laet arbeitet» Außerdem ist es bei von Hand gehaltenen, motorisch betriebenen Werkzeugen zwingend notwendig, daß diese maximale leistung mit einer Einheit erreicht wird., die so klein und so leichtgewichtig wie möglich ist. Da die Leistung das Produkt aus Drehmoment χ Geschwindigkeit istj muß ein Motor, um bei einer vorgegebenen Leistung leichtgewichtig und klein zu sein, notwendigerweise mit hoher Geschwindigkeit laufen. Weil üblicherweise elektrische Leistung in Form von Wechselstrom mit 60 Hertz verfügbar ist, haben Wechselstrommotoren, die mit dieser Frequenz arbeiten, automatisch eine obere Geschwindig- - *-

keitsgrenze Π Γ) 9 8 3 07 07 93

BAD ORIGINAL

keitsgrenze von 3600 Umdrehungen pro Mimutej dadurch werden derartige Motoren für von Hand gehaltene, motorisch betriebene Werkzeuge in untragbarer Weise schwer und umfangreich. Dadurch lag, um eine höhere spezifische Leistung zu erhalten, die Wahl bisher üblicherweise zwischen einer Speisung mit höherer Frequenz die im" allgemeinen nicht verfügbar ist und einer Kommutierung₉ wie sie üblicherweise bei-Universalmotoren-verwendet wird.« Universalmotoren laufen zwar mit sehr hohen G-eschwindigkeiten, sie (φ gehen jedoch unter £ast sehr schnell mit der G-eschwindigkeit herunter, wobei eins derartig© ltanlinie unerwünscht ist', wenn, eine maximal® leistung aufrecht erhalten werden solle

Ist ein stetiger Gleichstrom oder ein gleichgerichteter Wechselstrom verfügbar, so können als ander® Möglichkeit Nebenschlußmotoren verwendet werden, welch® die gewünschten Kennlinien ergeben, d.h. die Nebenschlußmotoren können mit hoher Geschwindigkeit, betrieben werden, und die Geschwindigkeit wird eich bei Belastung nicht merkbar verändern. Jedoch haben die üblichem kleinen HetoeneealuSraötoren, die ein durch eine elektromagnetische Wicklung erzeugtes feld haben, aufgrund ihrer latur «ine eohltohtt Stromwendung und einen verhältniemäflig geringen Wirkungsgrad. Der Grund dafür iet folgender» Der fjuß, der duroh

die 009830/07Ö3

IbSSPECtED

die im ttebanschluß liegende elektromagnetische Wicklung erzeugt wird, ist im wesentlichen konstant und ändert sich nicht bei Belastung; die Durchflutung dagegen, die von dem durch den Anker strömenden Strom erzeugt wird, ändert" sich bei Belastung; das sich verändernde Ankerfeld ergibt eine Quermagnetisierung gegenüber dem'Hauptfeld, welche sich mit der Last ändert. Das resultierende φ Feld ändert sich also in seiner Richtung mit der Belastung und di® neutrale Zone, in welcher die Bürsten der Maschine stehen aollen, ändert sich also mit der Belastung, so daß nur bei einer ganz bestimmten Last die Kommutierung für irgendeine gegebene Bürsten«teilung annehmbar gemacht werden kann. Außerdem müssen die Pole von NebenschluSaaschinen aus hoch-peraeablem Metall bestehen, und trotz der Verwendung von Laoellierungen ergeben sich Wirbelströme, womit die Wäraeverluste steigen und der Wirkungsgrad sinkt. Somit haben aufgrund der

schlechten Stromwendung und des herabgesetzten Wirkungsgrades Nebenschlufliaaechinen awar di® erwünschten Kennlinien, sind jedoch für die kleinen Jlbaesaungen unpraktisch, die bei von Hand gehaltenen, motorisch betriebenen Werkzeugen erforderlich sind*

le können auch nebensohlußartige Maschinen gebaut werden, bei welchen Peraanentaagnete ansteil« von elektromagnetischen 00 9 8 30/0793

BAD ORiGfNAL

tlschea Wicklungen v©3?w©aiot war ä ©si» la Alaie@"sur Erzeugung #qo MogaetfoiiOG TbQi iorartigea Ma

materialien ein® v©rhältnismäEig höh© leyaöabilität ©ine groBe Leitfähigkeit₈ und es ergibt sich dadurch bei kleinen Motor©a dgraytiger,Bauart eine schl©cht© Stromwenöiang und übe^mäSig höh® Wirt©letromv©rlMst© dem Polflächen.

Die Vorteile von NelaenschluBmasc· inen_s das ist höh© Ge-= schwinäif.'keit und geringe &©ac'¹ windigkeitaändenang ianter können hei Gleichst ror.naschinen bis zu einem ge-

©rad© dadurch erreicht" werden_s und di© V/irkungen schlechter Stromwsndunf u d hoher IfirbelStromverlust© kennen dadurch bei Gl.eichstroainaBchiaen etwas reduziert werden, daß anstelle von herkömmlichen gewickelten Elektro·= magneten oder Alnico-Perraanentiaagneten zur Erzeugung des Hau] tflusses Kerii^ik-PermanentKagrnete verwendet v»erden_e Weil die vor. 3 erraanentiLagnetfeld erzeugte Durchflutung konstant ist und sich nicht mit der last ändert, und weil di® Geschwindigkeit der Maschine umgekehrt proportional zur Felddurchflutung ist, ändert sich die Geschwindigkeit der; rti_t-er Maschinen bei Belastung uxl einer; Betrag, der vol. ν ι ai:i ungsgef alle abhängig- ist, das ja uberlicherweise ii.nerhalfc des Betriebsbereiches des Kotors gering ist.

Neuerliche 009830/0793

Neuerliche Entwicklungen bei Keramik-Permanentmagneten ergaben handelsüblich verfügbare Permanentmagneten, welche ein Magnetfeld von solcher Stärke erzeugen, daß annehmbare Drehmomente verfügbar sind. Die Verbesserung bei der Kommutierung durch die Verwendung von Keramik-Permanentmagneten als Pole zur Magnetfelderzeugung gegenüber den üblichen, mit elektromagnetischen Wicklungen versehenen Nebenschlußmotoren ist offensichtlich dadurc'h zustande gekommen, daß das Keramik-Katerial der vom Anker erzeugten Durchflutung eine hohe Reluktanz entgegensetzt. Auf diese Weise erscheint der Raum, der von derartigen Polen eingenommen v»'ird, dem vom Anker strom erzeugten Fluß als ein Luftspalt, und dieser Fluß ist deshalb reduziert, und sein Quermagnetisierungseinfluß auf 'das von dem Permanent-Magnet erzeugte H; uptmagnetfeld ist dementsprechend geringer. Aufgrund dieser Tatsache ist die Verschiebung der neutralen Zone des Ankers bei Laständerun^en nicht so gravierend wie bei mit Elektromagneten versehenen Nebenschlußmotoren, und die Stromwendung ist wesentlich verbessert. Außerdem bietet das Keramik-Kagnefcmaterial den Wirbelströmen einen hohen Widerst nd, womit die Wirbelströme auf einem Minimum ge-", haltei sind und die damit zusammen! ängenden Verluste ge: inger ausfallen. Das von dem Permanentmagnet erzeugte PeId ist im wesentlichen konstant, und derartige Motoren

haben 009830/0793

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haben Kennlinien ähnlich denjenigen der herkömmlichen mit elektromagnetischen Wicklungen versehenen Nebenschlußmasehinen, ohne daß die Fachteile vorhanden sind, die bei einer Nebenschlußmaschine sonst auftreten.

Die Verwendung von Keramik-Permanentmagneten ergibt zwar die erwünschten BetriebsCharakteristiken, jedoch hat ein derartiger Motor seine eigenen Probleme:

1, Permanentmagnete sind einer Entmagnetisierung unterworfen. Wenn nicht eine praktisch unmöglich große und teure Anlasservorrichtung verwendet wird, ergibt sich beim Anlassen oder wenn der Läufer festgehalten wird, ein großer Stromstoß im Anker, der ein PeId erzeugt, das dem Feld des Permanentmagneten entgegengerichtet ist und das in vielen Fällen ausreicht, den Permanentmagneten zu entmagnetisieren, womit der Motor ausfällt, bevor er überhaupt angelaufen ist. Dieses Problem wurde bei Maschinen bekannter Art dadurch gemeistert, daß man den Anker mit einem hohen Widerstand versah, wobei es die Aufgabe dieses Widerstandes war, den Stromstoß zu begrenzen und damit die Entmagnetisierungswirkung zu begrenzen, die der Ankerstrom auf den Permanentmagneten hat. Ein solcher hoher Widerstand hat jedoch beim Betrieb der Maschine zwei nachteilige Wirkungen*

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a) er erzeugt einen übermäßigen JR- Verlust im Anker,

der sich in übermäßiger Wärme und schlechtem Betrieb äußert, und

b) es ergibt sich durch ihn die Tendenz, daß bei Änderungen der Last die Geschwindigkeit sich stärker ändert. Weil der Geschwindigkeitsabfall bei Lastzunahme proportional der Höhe des Spannungsgefälles im Anker ist, ist die Geschwindigkeitsänderung von der Last Null, bis zur vollen Last umso größer, je größer der Ankerwiderstand ist. Diese Wirkungsweise ist aus Fig.1 zu ersehen. Eine Kurve "a" stellt die Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinie eines herkömmlichen, mit einer elektromagnetischen Wicklung versehenen Nebenschlußmotors dar, von welchem der Geschwindigkeitsabfall bei Nennlast vom Spannungsgefälle abhängt. Bei einer derartigen Maschine ist nur der den Ankerwindungen eigene Widerstand vorhanden und die Geschwindigkeitsänderung wird durch die Strecke "a" dargestellt, (lig.1). Die Kennlinie "b" stellt eine Geschwindigkeits-Drehmoment-Kennlinie derselben Maschine dar, die einen zusätzlich in den Anker eingefügten Widerstand aufweist, der so groß ist, daß eine Entmagnetisierung verhindert wird. Es ist zu ersehen, daß sich bei höherem Spannungsgefälle ein größerer Geschwindigkeitsabfall ergibt,

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wenn die Last zunimmt. Übliche, mit Permanentmagneten versehene Maschinen, die sonst ähnlich den mit Elektromagneten versehenen Nebenschlußmotoren arbeiten, sind also einer Entmagnetisierung unterworfen; und die Lösung für dieses Problem, d.h. ein höherer Ankerwiderstand, ergibt eine schlechte Maschine und insbesondere eine solche Maschine, welche die Tendenz hat, von dei erwünschten Nebenschlußcharakteristik, d.h. minimale Geschwindigkeitsänderung bei Laständerung, abzuweichen.

2· Die Lage der neutralen Zone mit Hinsicht auf · die beste Stromwendung unter Last ändert sich. Die Verwendung von Maschinen mit Permanentmagneten verbessert zwar die !Commutation bei sich ändernder Last gegenüber derjenigen, wie man sie bei üblichen Nebenschlußmasobinen erhält; trotzdem verursacht die Änderung des Ankerstromes bei Lastanderung als auch die Änderung des Augenblickswertes des Ankerstromes in Besuc' auf die Zeit eine Veränderung der Quermagnetisierung der vom Ankerstrom erzeugten Durchflutung. Dadurch ergibt sich eine immer noch beträchtliche Verschiebung der neutralen Zone bei Belastung und als Begleiterscheinung eine verhältnismäßig schlechte Stromwendung, wenn sich die L:.8t ändert.

3. Die handelsüblich verfügbaren Keramik-Permanentmagnete

haben

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- 16 haben eine maximale Flußdichte, welche beim Drehmoment und

folglich auch bei der mit derartigen Magneten erreichbaren leistung eine obere Grenze setzt.

4. Die eben aufgeführten Punkte 1 bis 3 sind sowohl bei Verwendung einer stetigen Speisespannung als auch einer pulsierenden Speisespannung zu berücksichtigen. Ist beispielsweise nur Wechselstrom verfügbar und wird dieser mit Zweiv/eggleichrichtung oder Einweggleichrichtung gleichgerichtet, so ergibt der pulsierende Charakter der ungeglätteten vom Gleichrichter abgegebenen Spannung in dem Anker einen Strom, der einen unerwünschten Formfaktor hat; dies macht sich in größerer Erwärmung und geringerem Wikrungsgrad bemerkbar und wirkt sich auf die !Commutation nachteilig aus.

Gemäß der Erfindung werden die Nachteile der herkömmlichen Motoren beseitigt, wobei dennoch alle erwünschten Vorteile des Nebenschlußbetriebs beibehalten werden, das ist hohe Geschwindigkeit bei Nennlast mit minimaler Geschwindigkeitsveränderung bei Laständerung. Die Entmagnetisierung des Feldes ist vermieden, und die Kammutation ist gegenüber den herkömmlichen, mit Permanentmagneten arbeitenden Maschinen und gegenüber den herkömmlichen, mit Elektromagneten arbeitenden Nebenschlußmotoren bedeutend verbessert, sowohl bei Verwendung einer stetigen Speisespannung als auch bei

Verwendung ■ 0Ο9830/Ό793

Verwendung einer nicht geglätteten, pulsierenden Speisespannung. Dies wird dadurch erreicht, daß in einem Gleichstrommotor, in welchem das Hauptmagnetfeld mit Hilfe von Permanentmagneten erzeugt wird, modulierende, d.h. regelnde Feldwicklungen vorgesehen werden. Die modulierenden Feldwicklungen, d.h. die Zusatzwicklungen können entweder parallel oder in Reihe mit dem Anker liegen. Die größte Wirkung wird jedoch erreicht, wenn die Zusatzwicklung in Reihe mit dem Anker geschaltet ist. Gemäß der Erfindung ist ein mit Permanentmagneten zur Erzeugung des Hauptmagnetflusses ausgetsatteter Gleichstrommotor mit einer das Magnet feld modulierenden Zusatzwicklung versehen, die derart angeordnet ist, daß der von ihr gelieferte Fluß, wenn sie stromdurchflossen ist, in derselben Richtung liegt und sich zu demjenigen Fluß addiert, der durch die Permanentmagnetpole erzeugt v.ird. Liegt eine derartige Zusatzwicklung mit dem Anker in Reihe, so kann sie mit einer solchen Anzahl von Windungen ausgeführt werden, daß sie ein genügend starkes Feld erzeugt, wenn große Stromstöße beim Anlassen oder bei festgehaltenem Läufer auftreten. Dadurch wird die .lirkung des Ankerfeldes überwunden und' eine Entmagnetisierung der Permanentmagnetpole verhindert. Das durch die Zusatzwicklung erzeugte Feld addiert sich sogar bei Keimgeschwindigkeit nicht merkbar in seiner-Wirkung zu dem durch die Permanentmagnetpole erzeugten Hauptmagnet-

feld, HO 9830/0793

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feld, so daß der Motor weiterhin im wesentlichen mit Nebenschlußcharakteristiken bei Nenngeschwindigkeit arbeitet. Venn jedoch der Einfluß der Zusatzwicklung am meisten benötigt ist, das ist bei einem großen Stromstoß im Anker, entwickelt das durch die Zusatzwicklungen erzeugte Feld seine größte Wirkung zur Verhinderung der Entmagnetisierung. Wenn der Ankerstrom anjgrößten ist, ist der durch die Zusatzwicklungen erzeugte Fluß am größten und er fließt in derselben Richtung wie das durch die Permanentmagnete erzeugte Feld. Läuft jedoch der M_otor auf die Nenngeschwindigkeit hoch und geht der Ankerstrom zurück, so nimmt der durch die Zusatzwicklungen erzeugte F-,uß ab und das durch die Permanentmagnete erzeugte Feld herrscht vor· So ist einerseits beim Anlaufen oder bei festgehaltenem Läufer eine Entmagnetisierung verhindert,, andererseits arbeitet die Maschine weiterhin vorherrschend bei Nenngeschwindigkeiten und Nennlasten mit NebenschlußCharakteristiken.

Der Motor gemäß der Erfindung (Fig.2 - 4) hat ein äußeres zylindrisches Gehäuse 10, das magnetisierbar sein muß oder sonstwie für den Eisenrückschluß für den Magnetkreis sorgen muß. Außerdem ist eine hintere Lagerhalterung 12, die * als Bürstenhalterung dient, sowie eine vordere Lagerhalterung H vorhanden, wobei diese beiden Lagerhaiterungen

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aus Kunststoff oder aus irgendeinem entsprechenden Metall bestehen können* Der Anker 16 ist von herkömmlicher Bauart und hat eine Welle 18, die an ihren beiden Enden in den in den entsprechenden Lagerhalterungen 12 und H angebrachten hinteren, bzw. vorderen Lagerungen sitzt. Es ist der übliche Stromwender 20 vorgesehen, dessen zwei Schleifbüreten 22 in der hinteren Lagerhaiterung 12 sitzen; auf der Ankerwelle 18 sitzt, der vorderen Lagerhalterung 14 benachbart, ein Kühlventilator 24. Zwischen dem Kühlventilator 24 und den die elektrischen Wicklungen enthaltenden Teilen des Motors ist eine ringförmige Ventilatorabdeckung angeordnet. An der Stelle, wo der Ventilator 24 liegt, ist das Gehäuse 10 mit nicht dargestellten Schlitzen versehen, womit Luft, die über Einlaßöffnungen 28 q.uer über den Motor in das Gehäuse 10 gesaugt wird _s auf beiden Seiten der hinteren Lagerhalterung 12 austreten kann.

An der Innenseite des Gehäuses 10 sind auf entsprechende Weise Permanentmagnete 30 befestigt. Es sind zwar auch Permanentmagnete irgendwelcher anderer Materialien von Vorteil, jedoch ergeben sich einige zusätzliche Vorteile bei der Verwendung von Keramik-Permanentmagneten. Magnete aus derartiger. Materialien, vorzugsweise Ferrit-Magnete, erzeugen einerseits ein Eigenfeld von verhältnismäßig

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hoher Stärke und Dichte, und setzen andererseits dem aus anderer Quelle stammenden Fluß, beispielsweise der vom Ankerstrom stammenden Durchflutung eine verhältnismäßig hohe Reluktanz entgegen. Außerdem bietet ein derartiges Material dem Strom einen hohen Widerstand, so daß 'Wirbelströme ohne die Verwendung von Lamellierungen auf einem Minimum gehalten sind.

Es sind Zusatzwicklungen 32 vorgesehen, welche die Magnete umgeben, (Fig.2"-und 4). Die Wicklungen 32 liegen dicht an der Innenwand des Gehäuses 10. Es ist nicht wichtig, daß die Wicklungen 32 die Magnete 30 vollständig umgeben, weil die Entmagnetisierung aufgrund eines Stromstoßes' beim Ankerstrom in erster Linie an der nachlaufenden Seite des aus Permanentmagnet bestehendem Segments erfolgt.

Zur Bestimmung der kleinsten Windungszahl, die für jede Zusatzwicklung 32 nötig ist, kann die maximale, vom Anker erzeugte Entmagnetisierung dadurch festgelegt werden, daß berechnet wird, welcher momentane Anlaßstrom auftritt, oder indem dieser -^nlaßstrom durch Versuche festgestellt wird. Auch kann die innere Entmagnetisierungskraft für das Permanentmagnetmaterial festgestellt werden. Es ist also notwendig, daß die Zusatzwicklung 32 in demjenigen Bereich auf den Permanentmagneten, der am wahrscheinlichsten

dem 009830/0793

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dem Entmagnetisierungseffekt unterworfen sein "wird," eine so große Magnetisierungskraft in Gegenrichtung zum Entmagnetisierungseffekt des Ankers schafft, daß siehergestellt· ist, daß die Permanentmagnete für den Betriebsfall, daß die Maschine nicht läuft, nicht entmagnetisiert ■werden.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 bis 4 hat das Gehäuse einen Durchmesser von 5 cm (2 inch) und eine Länge zwisehen der hinteren und vorderen lagerhalterung 12 bzw. 14 von 7,6 cm (3 inch). Der Anker hat einen Durchmesser von 2,95 cm ( 1 5/32 inch). Für diesen Fall schaffen Zusatzwicklungen mit annähernd 40 Windungen aus Draht Wr. 24

.., die mit dem Anker in Reihe geschaltet sind, einen ■weitgehenden Schutz gegen Entmagnetisierung der Permanentmagnete, Außerdem ist eine obere Grenze vorhanden, die durch die Betriebscharakteristiken festgelegt ist.

einen umsteuerbaren Motor kann eine Wicklungsanordnung gemäß Fig.5 vorgesehen werden. Es sind vier Zusatzwicklungen C-I, C-2, C-3 und C-4 vorgesehen, und das Gehäuse 10 hat eine Öffnung, so daß die einander benachbarten Seiten der auf demselben Magneten liegenden Zusatzwicklungen über diesen Magneten hinausragen können. Die Anordnung der Zusatzwicklung en ist derart, daß eine leichte Verschiebung

00 9830/0793 beim

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beim Magnetfeld eintritt, was die !Commutation in beiden Richtungen unterstützt. Eine ähnliche Verbesserung bei der Kommutierung prt'olgt, wenn die Anzahl der Drahtwindungen dieser Zusatzwicklungen um 40$ über der zur Verhinderung der. Entmagnetisierung nötigen Anza; 1 liegt. Die Zusatzwicklungen können entweder alle vier gleichzeitig oder paarweise erregt v/erden. Für eine Ankerrotation gemäß Fig.5 ergeben sich bei Erregung der Zusatzwicklungen C-2 und C-4 auf den in Drehrichtung gesehen hinteren Magnetsektoren Resultate, die im wesentliclen genau so gut sind als wenn alle vier Zusatzwicklungen erregt wären. Für die umgekehrte Drehrichtung des Ankers müßten die Zusatzwicklungen C-1 und C-5 erregt werden.. '

Die Zusatzwicklungen 32 gemäß Fig.2 und 4 und die Wicklungen C-1 bis C-4 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig.5 sind so angeschlossen, daß sie eine Entmagnetisierung verhindern, und sie verbessern die Betriebscharakteristiken sowohl wenn sie im Nebenschluß mit dem Anker an der Spannungsquelle liegen als auch, wenn sie in Serie zum Anker geschaltet sind. Sind die Zusatzwicklungen mit dem Anker in Reihe geschaltet, so erzeugen die hohen Ankerstromstöße auch hohe Ströme in der Zusatzwicklung, und es kann mit einer geringen Anzahl von Windungen ein Schutz gegen Entmagnetisierung erreicht werden. Außerdem ist eine

Kommutierung 00 9830/0793

Kommutierung aufgrund .einer geringeren Verschiebung der elektrishh neutralen Zone verbessert.. Die Zusatzwicklungen auf den einander entgegengesetzten Magneten können entweder in Reihe miteinander oder parallel zueinander und die "beiden Wicklungen in Reihe mit dem Anker geschaltet sein.

Der Motor gemäß Pig.2 bis 4 kann entweder mit einer stetigen Gleichspannung oder mit einer gleichgerichteten Wechselspannung betrieben werden. Weil jedoch Wechselspannung üblicherweise die einzig verfügbare Stromart ist, ist es nötig, die Wechselspannung im allgemeinen mit Hilfe einer Zweiweggleichrichtung oder einer Einweggleichrichtung gleichzurichten. Der Motor gemäß Pig. 6Λ - 6H ist mit einer Wechselspannungsquelle verbunden, die an Klemmen 36 und 38 zur Verfügung steht. Der M₀tor ist dabei über einen Gleichrichter 40 angeschlossen, der vorzugsweise ein Zweiweggleichrichter ist (Pig· 6A, 6B, 6B, 6P, 6G und 6H). Oder es- erfolgt je nach Wunsch eine Einweggleichrichtung (Pig. 6C und 6D), Ein Schalter 42 zum Ein- und Ausschalten ist von der Art, wie er üblicherweise bei von Hand gehaltenen Werkzeugen vorgesehen ist. Derartige Gleichrichterbrücken sind handelsüblich in einem sehr kleinen Gehäuse verfügbar, das im Handgriff oder an sonstiger passender Stelle des Werkzeugs angeordnet werden kann.

Wäre es vom.Platzbedarf und vom Kostenst&ndpunkt aus gese-

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BAD

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hen nötig, "bei von Hand gehaltenen Werkzeugen ein Glöttungsfilter von ausreichender Kapazität für die leistung des Gleichrichters 40 vorzusehen, dann wären die Probleme wie sie in Punkt 4) erwähnt wurden, nicht vorhanden. Platzüberlegungen verhindern jedoch die Verwendung derartiger Filter, und ohne Filter wird vom Gleichrichter 40 ein einfacher, ungeglätteter, pulsierender Gleichstrom abgegeben. Der quadratische Mittelwert (Effektivwert) eines Stromes mit derartiger Kurvenform ist aber beträchtlich höher als der arithmetische Mittelwert.

Die Kupferverluste und also die Erwärmung im Motor beruht auf dem quadratischen Mittelwert des Stromes, wogegen das Drehmoment und damit die Nutzleistung auf dem arithmetischen Mittelwert des Stromes beruht. Der maximale Wirkungsgrad des Motors wird also mit einer Betriebskraft aus einer stetigen Gleichspannungsquelle erreicht, bei der der quadratische Mittelwert und der arithmetische Mittelwert des Stromes gleich sind und der Formfaktor eins ist. Der Formfaktor ist definiert als das Verhältnis des quadratischen Mittelwertes des Stromes zum arithmetischen Mittelwert des Stromes. Er ist durch die Kurvenform des Stromes festgelegt. Bei einer reinen Sinuskurve ist der quadratische Mittelwert des Stromes 0,707 des Scheitelwertes und der arithmetische Mittelwert ist 0,637 des Scheitelwertes.

Der ΠΠ9830/0793

-•85.-

Der formfaktor ist somit 1,11. Wenn der Formfaktor des Stromes... im Motor zunimmt, nimmt der Wirkungsgrad des Motors ab, was sich darin äußert, daß mit dem Motor eine geringere leistung erreichbar ist.

Gemäß der Erfindung ist die Verwendung einer pulsierenden Gleichspannung als Spannungaq^uelle dadurch möglich, daß der Formfaktor der Stromkurve, wie sie dem Anker augeliefert wird, verbessert wird* Die Verbesserung des Formfaktors durch Verwendung der Zusatzwieklungen verringert nicht nur die Erwärmung und steigert somit den Wirkungsgrad, sondern es ist auch die Kommutierung gegenüber den bekannten Maschinen verbessert* Ein Verständnis dafür, wie der Formfaktor der ungeglätteten, pulsierenden Kurvenform verbessert ist, kann am besten aus den FigoTA. und JB gewonnen werden. Aus Fig.7A ist die Strom- und Spannungskurve in einer Maschine zu sehen, die einen Permanentmagneten zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes hat, bei der aber keine Zusatzwieklungen angebracht sind. Die Kurve Va stellt eine ungeglättete Spannung dar, die von einem Zweiweggleichrichter stammt, der den Anker des Motors beliefert. Die Kurve V-stellt die Gegen EMK dar, die im Anker durch das stetige Feld erzeugt wird, das von den Permanentmagneten geliefert wird ο Weil das Feld des Permanentmagneten und die Geschwindigkeit des Rotors konstant ist, ist die im Anker erzeugte

Setzen EMK 009830/0793

Gegen EMK im weeentlichen konstant. Unter solchen Bedingungen fließt im Anker solange kein Strom, "bis die dem Anker aufgedrückte Spannung, dargestellt durch die Kurve Va , die GegenEMK übersteigt; nun beginnt im Anker Strom zu fließen. Solange wie die Spannung Va größer ist als die vom Permanentmagneten erzeugte Gegen EMK, solange flisßt im Anker Strom, und dessen Kurvenform schließt sich eng an _A die Kurvenform der Spannung Va an. Der Ankerstrom I^ hat gemäß Pig.7A einen Zeitwinkel, d.h. eine Fließdauer von O₁.

Die Kurven gemäß ?B stellen die Spannungen und den Ankerstrom dar, die bei Verwendung der Zusatzwicklungen entstehen· Derartige Zuaatzwicklungen, mit dem Anker in Reihe oder in Nebenschluß geschaltet, erzeugen einen Fluß, der sich zu dem von den Permanentmagneten erzeugten Fluß addiert. Die Geschwindigkeit des Gleichstromnebenschlußmotors ist umgekehrt proportional der Flußdichte des Feldes. Eine Zu- ψ nähme der Flußdichte aufgrund des Stromes in den Zusatzwicklungen 32 verursacht eine Geschwindigkeitsabnahme. Die Flußdichte des Feldes nimmt einerseits nur während desjenigen Abschnittes jedes Zyklus zu, wenn Strom fließt; andererseits ist die Flußdichte des Feldes allein von den Permanentmagneten geliefert, wenn kein Strom fließt. Strom fließt nur dann, wenn die Speisespannung V_e größer ist als die Gegen EMK V₂ gemäß Fig.7B. Feil die Gegen EMK

direkt 00 98 30/0793

direkt proportional der Geschwindigkeit des Motors ist, übersteigt die Spannung V_& die Gegen EMK V₂ bei jedem Zyklus eher und sinkt unter die Gegen EKK V₂ bei jedem Zyklus später als dies bei einem Motor der Fall ist, der keine Zusatzwicklungen (Fig.7A) hat. Der Zeitwinkel θ₂ d.h. die Fließdauer (Fig. 7B) für den Motor mit Zusatzwicklungen ist größer als der Zeitwinkel θ ₁ (Fig.7A) für den Motor ohne Zusatzwicklungen. Man kann mathematisch zeigen, daß der Formfaktor das let I (Quadratischer Mittelwert) durch

I (arithmetischer Mittelwert^.kleiner wird, wenn der Zeitwinkel Q der Stromkurve zunimmt. Ein kleinerer Formfaktor ergiV.t eine geringere Erwärmung für dieselbe Motorleistung oder eine größere Motorleistung für dieselbe im Anker auftretende Erwärmung, woraus sich ein höherer Wirkungsgrad und eine größere Leistungsabgabe des Motors ergibt.

Die Ver· endung von Permanentmagneten zur Schaffung des Feldes in einem Gleichstrommotor verbessert allein schon die ^ Kommutierung gegenüber derjenigen, wie man sie bei üblichen, mit elektromagnetischen Wicklungen versehenen Nebenschlußmotoren erhält. Jedoch ist die Kommutierung immer noch nicht zufriedenstellend, weil die neutrale Zone von mit Permanentmagneten ausgerüsteten Maschinen sich bei Änderungen des Ankerstroms verschiebt. Die bessere Kommutierung, wie sie mit Hilfe der Zusatzwicklungen erreicht v/ird, ist aus Fig.8 zu

ersehen. 009830/0793

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ersehen. Der Vektor B_f stellt das durch den Permanentmagneten erzeugte Hauptmagnetfeld dar. Die neutrale Zone beim Leerlauf in einer derartigen Maschine iat gegenüber dem Hauptmagnetfeld in der Phase um 90° verschoben, und sie ist folglich durch die Linie NP dargestellt. Wird nun die Maschine belastet, so wächst der Ankerstrom. Die Richtung des vom Ankerstrom erzeugten Plussee liegt ebenfalls gegenüber dem Hauptmagnetfeld um 90° verschoben und ist durch den Vektor B_Q dargestellt. Das resultierende Feld B_ _Λ

CL J* *** I

hat sich also gegenüber dem Vektor des Hauptmagnetfeldes B^ um einen Winkel von 0^ verdreht, undöie neutrale Zone HP₁ die dazu in der Phase um 90° verschoben ist, ha,t eich gegenüber der neutralen Zone HP im Leerlauf ebenfalls um einen Winkel von 0^ verdreht* Die Belastung einer Haschine, die zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes nur Permanentmagnete hat, zieht also die Drehung der neutralen Zone nach sich.

Das durch die Zusatzwicklungen erzeugte Feld B ist zwar von geringerer Größe, jedoch in derselben Richtung, und es addiert sich zum Hauptmagnetfeld B_f, das durch die Permanentmagnete erzeugt wird. Wird nun die Maschine mit derselben Laet belastet, wie das eben der Fall war, so fließt derselbe Ankerstrom, der denselben Ankerfluß B- erzeugt. Werden die Vektoren B_ft, B_f, B₀ nun vektoriell addiert, so ergibt sich ein resultierender Fluß, der durch den Vektor ^Br-2 dEirgestiellt ist und dessen neutrale Zone HP₂ dazu

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in der Phase um 90° verschoben ist* Der Winkel 0% stellt die Verdrehung dar, die zwischen der neutralen Zone HP des leer lauf a und der neutralen Zone SP₂ "bei voller Üast herrscht, für den Pail, daß Zusatzwicklungen verwendet sind. Die Abweichung der neutralen Zone von der Üage im üeerlauf feie zur Stellung bei voller East ist bei IFerwendung von Zugatswicklungen wesentlich verringert, womit die Kommutierung verbessert ist.

Wird der Schalter 42 Cfig#6A- 6H) geschlossen, so wird dem M₀ tor Energie zugeführt« Bie Energiezufuhr erfolgt dabei entweder über Zweiweggleichrichter 40, 40a, 40b oder über einen Einweggleichrichter 40c oder Über einen gesteuerten Gleichrichter4Od· Weil der Anker am Anfang steht, ist der erste Stromstoß groß. Dieser Stromstoß wird jedoch durch die Zusat^wicklungen 32 übernommen, welche rings um die Permanentmagnete 30 oder ihnen dicht benachbart derart gewickelt sind, daß sich das durch die Zusatzwicklung erzeugte Feld in derselben Richtung befindet und das durch die Permanentmagnete erzeugte Feld verstärkt. Weil derselbe Magnetfluß durch die Zusatzwicklungen 32 wie auch durch das Hauptmagnetfeld fließt, wird der &esamteffekt derZueatzwicklungen 32 und der Permanentmagnete 30 immer so sein, daß eine ausreichende Magnetisierimgskraft in Gegenrichtimg aum Bntmagnetiaierungseffekt

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• - 30 -

dee Ankers erzeugt wird, womit eine Entmagnetisierung der Permanentmagnete verhindert wird für den Betriebsfall, daß der Motor nicht läuft. Läuft der Motor auf die Ifenngeschwindigkeit oder auf die Vollastgeschwindigke^t hoch, so .verringert sich der durch den knk*T und durch die Zusatzwicklungen 32 fließende Strom von seinem hohen Einsehaltwert auf einen normalen Betriebswert» Verringert sich also die Entmagnetisierungswirkung des Ankers, so.nimmt auf ähnliche Weise die Wirkung der Zusatzwicklungen 32 ab, und wenn die Maschine mit ihrer normalen Betriebsgeschwindigkeit läuft, werden es die !Permanentmagnete 30 sein, die hauptsächlich die .Antriebskraft erzeugen. Bs wird also in. diesem Betriebszustand die relative Wirkung der Zusatzwicklungen 32 und der Permanentmagnete 30 derart sein, daß die Permanentmagnete in ihrer Wirkung vorherrschen und die Maschine wird also im wesentlichen mit NebenschlußCharakteristikenarbeiten.

Ist eine Umsteuerung der Ankerwelle erwünscht, so kann ein zweipoliger Umschalter 4*4 (Fig.6B) hinzugefügt werden. Bei "Verwendung von Keramik-Permanentmagneten und Zusatzwicklungen 32 zur Verringerung der Verschiebung der elektrisch neutralen Zone sind die Stromwendungsprobleme so weit verringert, daß ein Betrieb des Ankers in beiden Richtungen möglich ist. Bei Betrieb des Motors"in beiden Richtungen

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1st die Entmagnetisierungstendenz bei den Permanentmagneten dee Motors, die nicht mit Zusatzwicklungen ausgestattet sind, besondere stark und etwa annähernd doppelt so groß. Die Sichtung der Speisespannung für den Anker wird umgesteuert, während sich der Anker noch in seiner ursprünglichen Richtung dreht. Die EMK, die in den Ankerwicklungen vom Permanentmagnetfeld induziert wird, addiert sich zur Speisespannung. Die Gesamtspannung tuer über die Ankerwicklungen im Augenblick des Umsteuerns verdoppelt sich, grob gerechnet, und der Stromatoß wird annähernd doppelt so groß sein. Die Zusatzwicklungen 32 erzeugen jedoch, wie im Falle des Anlassens, eine Magnetisierungskraft, die in jedem Zeitpunkt, ob nun beim Anlassen oder beim Umsteuern, dem Sntmagnetisierungseffekt des Ankerstromes entgegenwirkt und zu ihm proportional ist.

Bs können zusammen mit Zusatzwicklungen auch Einweggleichrichter verwendet werden, wobei in Pig.6 C ein Einweggleichriohter 40c anstelle des Zeiweggleichrichters 40 verwendet ist, ^Die Gleichrichtung des Wechselstromes und eine Geschwindigkeitssteuerung kann auch mit Hilfe von gesteuerten Sllioiiim-Gleichrichtern erfolgen, wobei verschiedene Alternativanordnungen in den Fig. 6D - 6H zu sehen sind. Gemäß Fig. 6D ist sowohl eine Einweggleichrichtung als auch eine Geschwindigkeitssteuerung mit Hilfe

eines

eines gesteuerten Siliciumgleichrichters 4Qd vorgesehen, der in der Speiseleitung zum Motor angeschlossen ist. In Fig. 6E und 6F sind andere Schaltkreise gezeigt, bei denen jeweils eine Zweiweggleichrichtung und eine Geschwindigkeitssteuerung vorgesehen ist; es sind dabei zwei der Dioden einer herkömmlichen Zweiweggleichrichterbrticke durch gesteuerte Siliciumgleichrichter 4Od ersetzt. In Fig.6G und 6H ist jeweils noch ein anderer Schaltlflreis zu sehen, bei dem jeweils eine Zweiweggleichrichtung vorgesehen ist; ea ist dabei eine herkömmliche Zweiweggleichrichterbrücke 40 eingebaut sowie gesteuerte Siliciumgleichrichter 4Od.

Gemäß Fig.1 ist die Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinie eines Motors mit Zusatzwicklungen durch die Kurve £ dargestellt. Als Vergleich hierzu Ibt die Geschwindigkeit-Drehmoment-Kerjilinie eines herkömmlichen, mit elektromagnetischen Wicklungen ausgerüsteten Nebenschlußmotors aus der Kurve a zu ersehen. Ein mit Permanentmagneten ausgestatteter Motor, der keine Zusatzwicklungen aufweist, hat als Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinie die Kurve b . Der Betrag, um den sich die Geschwindigkeit einer Gleichstrom-Maschine vom Leerlauf bis zur Vollast ändert, hängt vom Widerstand im Ankerkreis ab« Bei einem herkömmlichen, mit elektromagnetischen Wicklungen versehenen Nebenschlußmotor (Kurve a) liegt der innere Widerstand des AiJcerkreises allein in

den 009830/0793

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den Ankerwicklungen» und der Geschwindigkeits unterschied zwischen dem Leerlauf und der Vollast wird durch die Strecke a-j dargestellt. Bei den mit Permanentmagneten ausgerüsteten Maschinen, die keine Zusatzwicklungen -aufweisen, ist es nötig, in den Ankerkreis einen Zusatzwiderstand einzuführen. Es soll dadurch der Stromstoß beim Anlassen und bei festgehaltenem läufer begrenzt werden, womit eine Entmagnetisierung des Permanentmagneten verhindert wird. Dieser hohe Widerstand im Ankerkreis erzeugt einen übermäßigen Gesehwindigkeitsabfäll zwischen dem Leerlauf und der Volllast, und dieser Geschwindigkeitsabfall ist durch die Strecke b-j dargestellt (Fig.1). Es ergibt sich dadurch eine sehr starke Geschwindigkeitsänderung und deshalb auch eine völlig unzufriedenstellende Geschwindigkeit-Drehmoment-. Kennlinie. Sind Zusatzwicklungen eingebaut, so fügen zwar diese Zusatzwicklungen 3,2 in den Ankerkreis einen kleinen Widerstand ein, so daß der Widerstand etwas größer ist als bei dem herkömmlichen, mit elektromagnetischen Wicklungen versehenen Nebenschlußmotoren, Durch richtige Auswahl der Windungsanzahl der Zusatzwicklungen kann der Widerstand dieser Zusatzwicklungen jedoch auf einen?Wert gehalten werden, daß damit das Geschwindigkeitsgefälle von Leerlauf zu Volllast, wie es durch die Strecke C₁ in Hg,1 dargestellt ist, annehmbar bleibt. Und es werden dennoch alle die Vorteile

• ' erreicht_? -

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" - 34 -

erreicht, die das durch die Zusatzwicklung erzeugte Feld liefert. ,

Z_ur vollen Erfassung der Vorteile ist es nötigt die Zusatzwicklung richtig auszuwählen. Dies bezieht sich auf die __ Lage, die Windungsanzahl und den inneren Widerstand der Zusatzwicklung, es soll kein so hoher Widerstand im Ankerkreis eingefügt werden, daß ein unerträgliches Gfeschwindigkeitsgefälle vom Leerlauf his zur Vollast entstünde. Die richtige Zusatzwicklung soll also folgende Eigenschaften haben:

1.) Sie erzeugt beim Anlassen einen so großen Fluß, daß eine Entmagnetisierung der das Hauptmagnetfeld erzeugenden Permanentmagnete verhindert wird.

2„) läuft die Maschine auf normale Geschwindigkeit und Last hoch, so verringert sich die Wirkung des durch die Zusatzwicklungen erzeugten FeldeB bis zu einem Punkt, in welchem das durch den Hauptmagneten erzeugte Feld zur Erzeugung der Charakteristiken des Motors vorherrscht.

Der Hauptvorteil wird dadurch erreicht, daß die Zusatzwicklungen 32 zum Anker in Nebenschluß geschaltet werdenj dies ist besser, ale wenn die Zusatzwicklungen zum Anker in Reihe liegen. In diesem Falle jedoch ist das von den Nebenschluß-Windungen erzeugte Feld konstant oder es muß mit Hilfe an-

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SAO

derer Vorrichtungen geändert werden? und die Zusatzwieklun.-gen 32 mtiesen bo viele Windungen haben, daß sie einen ausreichenden Fiuß zürn Anlassen erzeugen, so daß die Wirkungen des vom Stromstoß im Anker erzeugten Feldes überwunden werden.

In Fig.9 sind zum VergleichdieGeschwindigkeit-, Wirkungs- ' grad- und LeistUngskennlinien einer mit Permanentmagneten ausgerüsteten Maschine, die keine Zueatzwicklungen hat, sowie die Kennlinien-eines Motors von im wesentlichen demselben Gewicht und derselben Größe gezeigt, der Zusatzwicklungen 32 hat. Sie ausgezogenen Linien zeigen die Kennlinien des Motorsmit Zusatzwicklungen, wogegen die gestrichelten Linien die Kennlinien eines Motors ohne Zusatzwicklungen zeigen. Der Wirkungsgrad der Maschine ohne Zusatzwicklungen hat einen Scheitelwert von annähernd 36$ und der Scheitelwert des Wirkungsgrades liegt bei einem Drehmoment von annähernd 100 inch-ounces. Der Wirkungsgrad der Maschine mit Zusatzwicklungen dagegen erreicht seinen Scheitelwert bei annähernd 200 inch-ounces, das ist das Doppelte wie bei eine$ Maschine ohne Zusatzwi'cklungen. Außerdem liegt der vorhandene Wert des Wirkungsgrades für dieses Drehmoment bei 4796 gegenüber annähernd 3056 bei einer Maschine alter Bauart. Die Leistungsabgabe der Maschine alter Bauart hat ihr Maximum bei einem Drehmoment von annähernd

. 225inch*ounces

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225 inch-ounces und nimmt dann ab, wogegen die von einer · mit Zusatzwicklungen versehenen Maschine verfügbare leistung weiterhin zunimmt. Bei einer Drehmomentabgabe von 200 inch-ounces, das ist der Betriebspunkt mit dem maximalen Wirkungsgrad einer Maschine mit Zusatzwicklungen, ist der Wirkungsgrad der Maschine alter Bauart bereits drastisch abgefallen und der Geschwindigkeitsabfall der Maschine alter Bauart an diesem Betriebspunkt ist annähernd 42$ der Leerlaufgeschwindigkeit, wogegen der Geschwindigkeitsabfall für diesen Betriebspunkt bei einer Maschine mit Zusatzwicklungen lediglich 25# beträgt.

Übersetzungsgetriebe

Es ist erwünscht, ein Übersetzungsgetriebe vorzusehen (Fig. 2, 10, 11), mit dem an einer Abgabewelle 70 eine Abgabedrehzahl erreichbar ist, die für von Hand gehaltene Werkzeuge üblich ist; das Übersetzungsgetriebe soll außerdem in einem Gehäuse einbaubar sein, dessen Durchmesser im wesentlichen nicht größer ist als der für den Motor nötige Durchmesser. Es wurde als Übersetzungsgetriebe ein Planetengetriebe vorgesehen, das auf dem einen Ende der Ankerwelle sitzt und innerhalb einer einstückigen Verlängerung des Motorgehäuses 10 angeordnet ist.

Bei

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Bei einer Ausführungsformdes Übersetzungsgetriebes, die aus Leichtmetall oder aus Kunststoff bestehen kann, ist der Pianetenring mit Innenverzahnung und die Lagerhalterung in dem Motorgehäuse mit Hilfe eines Satzes Schrauben befestigt oder die !eile sind eingeschraubt. Die Teile können entweder eigene Teile sein oder sie können als einstükkige Paßstücke ausgebildet sein. Bei der aus Kunststoff bestehenden Ausführungsform des Übersetzungsgetriebes können die Planetenräder und der Planetenring mit Innenverzahnung aus lamellierten, flachen Stanzteilen aus Kunststoffplatten hergestellt sein, und der Planetenring kann an einer aus Kunststoff bestehenden Hotorkappe mit Hilfe äußerer, am Umfang angeordneter Ansätze verriegelt sein, welche in Schlitze im Innenumfang der Motorkappe eingreifen. Alle Ringsegmente können an Ort und Stelle beispielsweise mit Hilfe einer Hingverschraubung befestigt sein. Der Käfig und die Abgabewelle können aus Kunststoff bestehen, wogegen die Planetenwelle und die Lagerung für das Übersetzungsgetriebe vorzugsweise aus Metall bestehen»

Gemäß Fig*2, 10 und 11 ist ein Planetengetriebe 100 im einen Ende des Gehäuses 10 eingesetzt. Ein vorderes lager 48 ist in eine lagerausnehmung 50 auf der Innenseite der vorderen Lagerhalterung 14 eingepaßt. Ein Lager 52 für das Übersetzungsgetriebe sitzt in einer äußeren Ausnehmung 54 am

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- 38 äußeren Ende der vorderen Lagerhaiterung 14.

In einem Käfig 60 sitzen zwischen Eäfigendplatten 58 und zwei Planetenräder 64. Jedes Planetenrad 64 ist auf einem Stift 66 als Welle gelagert, Die innere Käfigendplatte 58 des Käfigs 60 hat eine Hülse, welche in den inneren-lauf ring 62 des Lagers 52 mit knappem Ruhesitz paßt» Die Stifte 66 können von der vorderen Seite des Käfigs eingeführt werden und in ihren zugehörigen Löchern auf herkömmliche Weise gehalten sein. Die Abgabewelle 70 kann einstückig mit dem' Käfig 60 ausgeführt sein oder sonstwie an ihm befestigt sein? der innere Laufring eines Lagers 68 sitzt dabei mit Treibsitz auf der Abgabewelle 70. Auf der Abgabewelle 70 kann auch ein übliches Spannfutter oder eine entsprechende andere, für ein Handwerkzeug übliche Antriebsvorrichtung angebracht werden.

Zwischen der vorderen Lagerhalterung 14 und einem der Lagerung dienenden Abschlußstück 74 ist ein feststehender» mit Innenverzahnung versehener Planetenring 72 befestigt, der mit den beiden Planetenrädern 64 kämmt. Das Ab src Muß stück ist am Gehäuse 10 mit Hilfe eines nicht dargestellten Satses von Schrauben befestigt. Das Ende 76 der Ankerwelle kann mit; Zähnen ausgebildet sein, die als einstückiges Sonnenrad für das ...Planet enge triebe dienen. Ist das Ü'bersetssungs

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getriebe im Motorgehäuse 10 untergebracht, so kämmen die am Ende 76 der Ankerwelle befindlichen Zähne mit den Planetenrädern 64»

Hat das Ende 76 der Ankerwelle zehn Zähne, und hat der Planetenring 72 mit Innenverzahnung vierzig Zähne, so ergibt sich eine Geschwindigkeitsverringerung von 4 : 1. Es können verschiedene Geschwindigkeitsübersetzungen allein dadurch erreicht werden, daß die Getriebeeinheit gegen eine andere ausgetauscht wird, die eine andere Anzahl von Zähnen im feststehenden Planetenring hat, wobei ein anderer entsprechend bemessener Käfig und andere Planetenräder Verwendung finden; das am Ende der Ankerwelle sitzende Ritzel kann sich dann wieder mit den Planetenrädern kämmen.

Patentansprüche:

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Claims (1)

1. Pate nt a η s ρ r ü c h e

   1) Verfahren zum Anheben der Abgabeleistung eines Gleichstrommotors, der im Abstand voneinander angeordnete Permanentmagnetpole und einen Anker hat, der drehbar zwischen den Polen gelagert ist und mit einer pulsierenden Gleichspannung gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Polen eine Feldwicklung vorgesehen wird, und daß ein puleierender Strom in die Feldwicklung uid in den Anker geschickt wird'i derart, daß der Strom in der Feldwicklung im wesentlichen in Phase fcit dem Strom im Ank r liegt und daß das durch die- Feldwicklung erzeugte JeId sich im wesentlichen zu dem von den Permanentmagneten erzeugten Feld addiert.

   2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor dadurch angelassen wird, daß die volle Betriebssrannung auf den Anker und auf die Feldwicklung aufgedruckt wird, und daß das von der Feldwicklung erzeugte TeId so groß ist, daß eine Entmagnetisierung des lermanentmagnetr.aterials aufgrund des Stromstoßes >eim Anlassen, bei festgehaltenem Läufer oder bei Umsteuerung des Läufers verhindert ist.

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   ... 41 ~

   ■ J) Verfahren nach Anspruch 1".»■■ dadurch gekennzeichnet, daß die Feldwicklungen zu dem Anker im Nebenschluß liegen.

   4) Verfahren nach Anspruch 1_t dadurch gekennzeichnet, daß die Feldwicklungen mit dem Anker in Reihe liegen,

   5) Verfahren zum Anheben der Abgabeleistung eines Gleichstrommotors mit stationär angeordneten, im Abstand voneinander befindlichen Polen und einem Anker, der drehbar zwischen den Polen gelagert ist und mit einer pulsierenden Gleichspannung gespeist wird, dadurch gekennzeichnet> daß eine Feldwicklung auf federn Pol angebracht wird, und daß ein pulsierender Strom in die Feldwicklung und in den Anker geschickt wird, wobei der Strom in der Feldwicklung im wesentlichen dieselbe Kurvenform hat wie der Strom im Anker.

   6) Gleichstrommotor* dadurch gekennzeichnet, daß Permanentmagnete vorhanden sind, -welche den Hauptteil des Feldes erzeugen, daß ein Anker eingebaut ist, daß Wicklungen so angeordnet sind, daß, sie das durch die Permanentmagnete erzeugte Feld verändern, daß eine Spannungsquelle für die Betriebsenergie vorhanden ist, und daß ein iUroBikreis den Motor mit der Betriebsspannung verbindet«

   7) Motor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß beim Anlassen des Motors die volle Betriebsspannung auf den Anker und auf die Feldwicklungen aufgebracht wird, und daß die Feldwicklungen in Bezug auf die Permanentmagnete derart bemessen sind und so angeordnet sind, daß sie einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete entgegenarbeiten.

   8) Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen mit dem Anker in Reihe liegen und so angeordnet sind, daß sie zumindest denjenigen Abschnitt der Permanentmagnete umgeben, der der Entmagnetisierung durch den hohen durch den Anker laufenden Stromstoß · unterworfen ist.

   9) Motor nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen zwei Wicklungsteile aufweisen, die jeweils aus mehreren Drahtwindungen zusammengesetzt sind, daß jedes Wicklungsteil einen ganzen Permanentmagneten umgibt, und daß jedes Wicklungsteil so ausgeführt ist, daß es bei Nennleistung des Motors etwa ein Fünftel des Maimetfaides schafft, das durch die Permanentmagnete erseugt wird»

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   - 43 - - ■■■.--

   Wicklungen zwei Paare von Wicklungsteilen aufweisen, wobei jedes Wicklungsteil aus mehreren Drahtwindungen zusammengesetzt ist, daß ein Paar von Wicklungsteilen jeweils einem Pol zugeordnet ist, daß jeweils ein Wicklungsteil bei jedem Paar so angeordnet ist, daß es den jeweils entgegengesetzten Endabschnitt jedes Permanentmagneten umgibt, und daß der Stromkreis die Betriebsspannung lediglich mit demjenigen. Wicklungsteil von jedem Paar verbindet, welches den Endabschnitt derjenigen Polseite umgibt, oie der größten Entmagnetisierungskraft aufgrund eines AnkerStromstoßes unterworfen ist*

   11) Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung von einer Wechselspannung herrührt, die gleichgerichtet jedoch ungeglättet ist.

   12) Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die volle Betriebsspannung den am Motor befindlichen Klemmen beim Anlassen oder bei festgehaltenem läufer zugeführt wird, und, daß das durch die Wicklungen erzeugte Magnetfeld so groß ist» daß eine Entmagnetisierung der Permanentmagnete durch das vom Ankerstrom erzeugte Feld wirksam vermieden wird.

   13)

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   13) Motor nach Anspruch 11, zusammen mit Vorrichtungen zur Umsteuerung der Polarität der dem Anker zugefübrten Spannung jedoch ohne Umsteuerung der Polarität des von den Wicklungen erzeugten Magnetfeldes, um dadurch die Richtung der Ankerdrehung umzusteuern.

   14) Gleichstrommotor mit Kleumen, die mit einer von einer Wechselspannung herrührenden Energie gespeist v/erden, bei dem die Wechselspannung gleichgerichtet, jedoch ungeglättet ist, mit einem Anker, und mit einem voneinander gfegenübeiilieg-enden Permanentmagneten erzeugten ' Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete jeweils zumindest zum Teil von einer 2ueatzwicklung umgeben sind, welche ein Magnetfeld erzeugt, das sich zu dem von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeld addiert, und daß die Zusatzwicklungen mit einem Strom gespeist sind, der im wesentlichen mit dem im Anker fließenden Strom in Phase liegt, wenn der Motor läuft.

   15) Motor nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, daß der.der Zusatzwicklung gelieferte Strom eine Kurvenform hat, die ähnlich der Kurvenform des Ankerstromes ist.

   16)

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   16) Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ■während des Anlassens den Motorklemmen die volle Betriebsspannung geliefert wird, daß das von der Zusatz-

   • wicklung erzeugte Magnetfeld so groß ist, daß eine Entmagnetisierung der. Permanentmagnete verhindert ist und daß das von der Zusatzwicklung erzeugte Magnetfeld so klein ist, daß eine Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinie geschaffen wird, welche der Gesehwindigkeit-Drehmoment-Kennlinie eines Nebenschlußmotors mehr gleicht, als der eines Reihenschlußmotors, wenn dieser mit einer geglätteten Gleichspannung beliefert ist»

   17) Kleiner Gleichstrommotor mit einem Anker und einem von einander gegenüberliegenden Permanentmagneten erzeugten Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete Jeweils zum Teil von einer Zusatzwicklung umgeben sind, die mit dem Anker des Motors in Reihe geschaltet ist, und daß die- Zusatzwicklung so gewickelt ist,\ daß sich ihr PeId zu dem jeweils von den Permanentmagneten erzeugten Feld addiert, wenn die Betriebsspannung aufgedrückt wird. . ·

   18) Motor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsenergie von einer Wechselspannung herrührt, die gleichgerichtet, jedoch ungeglättet ist, wenn sie an

   die Klemmen des Motors angelegt wird, und daß beim Anlassen die volle Betriebsspannung angelegt ist.

   19) Gleichstrommotor mit einem Anker und einem von einander gegenüberliegenden Permanentmagneten erzeugten Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, daß eine Modulationswicklung so angeordnet ist, daß sie ein feld erzeugt, welches sich au dem von den Permanentmagneten erzeugtenFeld, addiert, und daß die gemeinsame magnetomotorische Kraft<tes von den Permanentmagneten und der Modulationswicklung erzeugten Feldes größer ist, als die magnetomotorische = Kraft des Feldes, dais von den Ankerwindungen erzeugt wird, wenn der Anker mit Energie beliefert wird und gleiiizeitig stillsteht.

   20) Motor nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die von der Modulationswicklung erzeugte magnetomotorische Kraft, für den Betriebszustand, daß der Motor bei Wenngeschwindigkeit läuft, ein kleinerer Teil der gemeinsamen von den Permanentmagneten und der Modulationswicklung erzeigten magnetomotorischen Kräfte ist,

   21) Hotor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationswicklung mit dem Anker in Reihe liegt.

   ■ - - 22]

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   22) Motor nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationswicklung mit dem Anker parallel· geschaltet ist.

   23) Motor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Permanentmagnete dem vom Ankerstrom erzeugten Fluß eine hohe Reluktanz entgegenstellt.

   24)' Motor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Permanentmagnete den Wirbelströmen einen hohen V/ideretand entgegensetzt,

   25) Gleichstrommotor mit einem Anker, der mit einer entsprechenden Energiezufuhr verbunden wird, und mit einem Magnetfeld, das von Permanentmagneten erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzwicklung angeordnet ist, welche ein PeId erzeugt, das sich zu dem von den Magneten erzeugtenFeld addiert und gegenüber dem vom Ankerstrom erzeugten Fluß in der Phase um 90° verschoben 'ist, daß die Zusatzwicklung so angeschlossen ist, daß durch sie derselbe Strom wie der durch den Anker fußende Strom fließt, womit die Große des Flusses, der durch den in der Zusatzwicklung fließenden Strom erzeugt wird, sich direkt mit denjenigen P_nuß ändert, der von dem im Anker fließenden Strom erzeugt wird.

   Demo/o?«

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   • -

   26) Gleichetrommotor mit einem Anker und mit Permanent- . magneten zur Erzeugung eines Feldes, dadurch gekennzeichnet, daß den Permanentmagneten Zusatzwicklungen zugeordnet sind, die so ausgeführt sind, daß sie bei Stromspeisung ein PeId erzeugen, welches das von den Permanentmagneten erzeugte Feld verändert, und daß die Permanentmagnete aus einem Material bestehen, das dem Stromfluß einen hohen Widerstand entgegensetzt und das eine geringe Permeabilität hat.

   27) Motor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete aus Ferrit-Keramik-Material bestehen.

   28) Handwerkzeug mit einem Gleichstrommotor und einem Übersetzungsgetriebe, das axial ausgerichtet in einem einstückigen Gehäuse sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß d..s Gehäuse sowohl für den Motorabschnitt als auch für den Abschnitt des Übersetzungsgetriebes einen Durchmesser von im wesentlichen gleichmäßiger Größe hat, daß der Kotor mehrere Permanentmagnete aus nicht leitfähigem Material aufweist, die an der Innenseite des Gehäuses befestigt sind, daß ein auf einer Welle sitzender Anker drehbar auf zwei im Abstand voneinander angeordneten Lagern gelagert ist, daß das Übersetzungsgetriebe einen Planetenring mit Innenverzahnung aufweist, der

   fest 009830/0793

   BAD ORIGWAL

   fest an der Innenseite des Gehäuses befestigt ist, daß auf dem einen Ende der Ankerwelle ein Sonnenrad sitzt, daß ein Käfig vorhanden ist, der Planetenräder aufweist, die sowohl mit dem Sonnenrad als auch mit dem Planetenring mit Innenverzahnung zusammenwirken, und daß eine Abgabewelle drehbar mit dem Käfig verbunden ist.

   29) Handwerkzeug nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Innenseite des Gehäuses zwischen den Permanentmagneten und dem Planetenring mit Innenverzahnung eine erste Lagerhalterung sitzt, die eine erste Ausnehmung zur Aufnahme eines äußeren Laufringes aufweist, der einem der Ankeiplager zugeordnet ist, daß in der ersten Lagerhalterung eine zweite Ausnehmung untergebracht ist, welche zur Halterung eines weiteren Lagers zur Abstützung des einen Endes des Käfigs dient, und daß im Gehäuse ein Abschlußstück untergebracht ist, welches zur Halterung eines weiteren Lagers dient, das die Abgabewelle abstützt.

   30) Handwerkzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgabewelle einstückig mit dem Käfig ausgeführt ist und in dem von dem Abschlußstück gehaltenen Lager gelagert ist, und daß das Abschlußstück innerhalb des Gehäuses sitzt.

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