DE1788126B2 - Als Wechselstrom Synchronmotor oder als Schrittschaltmotor betreibbarer Elektromotor Ausscheidung aus 1488747 - Google Patents

Description

Durch die verbesserte Rotorkonstruktion wurde sollte das für den Rotor ausgewählte Magnetmaterial es erstmals praktisch möglich, den Wirkungsgrad bei vorzugsweise auch hohe Restinduktion besitzen.
Kleinmotoren für Zeitgeber und sonstige Zwecke Ein diesen Anforderungen entsprechendes Magneterheblich zu verbessern. So wurde beispielsweise bei material für den Rotor besteht aus 77 Gewichtseiner bereits erprobten Ausführungsform eines Wech- 5 prozent Platin und 23 Gewichtsprozent Kobalt und selstrom-Synchronmotors mit weniger als 1W Ein- besitzt
gangsleistung ein Ausgangsdrehmoment von beispielsweise 0,1 mkg bei 1 U/min erzielt. Diese Werte muß eine Restinduktion, Br 6400 Gauß
man mit Zeitgebermotoren üblicher Bauart verglei- ^ _{Koerzitivkraft> H}c 4300 Oersted
chen, die häufig Wirkungsgrade unter 1%> aufweisen io

und normalerweise bei gleicher Drehzahl (1 U/min) ein maximales Energieeine Eingangsleistung von 2 bis 3 W benötigen, um produkt, Bd-Hd 9,0 · 10^e Gauß-Oersted

nur ein Ausgangsdrehmoment von etwa 0,003 bis

0,03 mkg zu liefern. Ersichtlicherweise gestatten die Beispiele für solche Materialien sind in der Zeitverbesserten Wirkungsgrad- und Ausgangsdrehmo- 15 schrift »Revue Generale de L'Electricite«, Oktober ment-Eigenschaften der erfindungsgemäßen Wechsel- 1960, S. 494, beschrieben.

strom-Synchronmotoren eine Größen- und Gewichts- Bei Verwendung eines Rotors aus diesem Material

reduzierung, und es werden durch die kühleren Be- _wi_rd der Rotormagnetfluß im Stator-Rotor-Luftspalt

triebstemperaturen Wartungs- und Schmierungspro- und dementsprechend das Motordrehmoment pro-

bleme wesentlich vereinfacht. 20 portional erhöht.

Eine Erfindung wird im übrigen nur in der Ge- Ein anderes Magnetmaterial, das sich als beson-

samtheit der im Patentanspruch angegebenen Merk- ders vorteilhaft erwiesen hat, besteht aus einem

male gesehen. Elementenschutz für die Kennzeich- geradlinig orientierten Bariumferritmaterial mit einem

nungsmerkmale wird nicht begehrt. Energieprodukt von etwa 3,0 · 10° Gauß-Oersted

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsfor- 25 längs der Orientierungsachse. Dieses anisotrope

men der Erfindung an Hand der Zeichnung näher Ferritmaterial läßt sich ohne weiteres dadurch für

erläutert. Es zeigt die zweipoligen Rotoranordnungen der erfindungs-

Fig. 1 eine Vorderansicht eines als Schrittschalt- gemäßen Motoren geeignet machen, daß man die

motor verwendbaren Wechselstrom-Syuchronmotors Achse ihrer magnetischen Orientierung mit einem

mit den Merkmalen der Erfindung und 3° Durchmesser des zylindrischen Rotors zusammen-

F i g. 2 eine Vorderansicht einer abgewandelten fallen läßt.

Ausführungsform des Motors, die sich als dreipoliger Wie in den F i g. 1 und 2 schematisch angedeutet

Schrittschaltmotor eignet. ist, besitzt der Rotor zwei Magnetpole entgegen-

Die in den Figuren dargestellten Ausführungs- gesetzter Polarität, wobei die Form der beiden Maformen des erfindungsgemäßen Schrittschaltmotors 35 gnetpolbereiche dabei derart gewählt ist, daß sie den weisen einen etwa C-förmigen Stator auf, dessen Rotor 20 in zwei axial verlaufende, halbzylindrische Schenkel mit 30a bzw. 30ft bezeichnet sind und der magnetisiert^ Abschnitte unterteilen. Bei einem Rotor beispielsweise aus Stanzblechpaketen, aus niedrig aus einem Magnetmaterial hoher Koerzitivkraft köngekohltem oder weichem Silizium-Stahl bestehen nen die beiden Gebiete entgegengesetzter magnekann. Die Blechpakete werden in üblicher Weise, 40 tischer Polarität ohne schädliche Auswirkung einz. B. mittels Hohlnieten, zusammengehalten. Der ander sehr nahe gebracht werden, so daß sich die Mittelabschnitt des Stators 30 a, 30 ft ist von einer beiden Pole jeweils über einen verhältnismäßig Spulenhülse 42 mit aufgewickelter zweiklemmiger großen Kreisbogen von praktisch 180° des Rotor-Feldspule 40 umgeben, die in noch zu beschreibender umfangs erstrecken können.

Weise durch eine elektrische Spannungsquelle erregt 45 Zur Erzielung einer Ein-Richtungs-Anlaufcharak-

werden kann. teristik ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung

Der linke Statorschenkel 30 ft endet am spulen- der Motor mit zwei Kurzschlußwicklungen 36 a, 36 ft fernen Ende in einem Statorpol 31 mit zwei Armen um je einen Arm 32 ft, 34 α der gegabelten Statorpole 32a, 32ft, und der rechte Statorschenkel 30a endet 31 bzw. 33 versehen. Wie Fig. 1 zeigt, umschließt in einem Statorpol 33 mit zwei Armen 34a, 34ft. 50 die Kurzschlußwicklung 36« den unteren Arm32ft Innerhalb des von den zusammenstoßenden Pol- des linken Statorpols 31 und die Kurzschlußwicklung armen der Statorpole 31 und 33 umgrenzten, etwa 36 ft den oberen Arm 34 a des rechten Statorpols 33. kreisförmigen Raums ist ein Rotor 20 zentriert, der Diese diametrale Anordnung der abgeschirmten von einer Welle 22 getragen wird, welche in Lagern Polarme in bezug auf den Rotor 20 dient dazu, die eines aus Messing oder ähnlichem Nichteisenmetall 55 Richtung des Statormagnetflusses durch den Rotorbestehenden Rotorgehäuse 24 gelagert ist. Stator-Luftspalt 35 von den nicht abgeschirmten

Die Rotoranordnung besteht vorzugsweise aus Armen 32a, 34 ft na^h den abgeschirmten Armen einem verhältnismäßig schlanken Zylinder aus Ma- 32 ft, 34 α hin zu verlagern, wenn sich der Magnetgnetmaterial von hohem B-H-Energieprodukt, d. h. fluß während des Anlassens aufbaut. Diese Richtungshohem Restmagnetfluß und hoher Koerzitivkraft 60 Verlagerung verleitet infolge des verzögerten Magnetsowie anderen günstigen magnetischen Eigenschaften. flußaufbaus in den abgeschirmten Statorpol-Armen Bei diesem Magnetmaterial kommt es im Hinblick dem Motor Ein-Richtungs-Laufeigenschaften. Andeauf das magnetische Wechselfeld und die entmagne- rerseits unterstützen beim Abschalten des Motors tisierenden Einflüsse, denen der Rotor sowohl im dieselben Kurzschlußwicklungen 36 a und 36 ft den Betrieb als auch im Stillstand ausgesetzt ist, vor 65 Motor durch die elektrodynamische Bremswirkung, allem auf hohe Koerzitivkraft an. Da die Größe des welche von den in den Kurzschlußwicklungen vom Rotormagnetflusses von entscheidendem Einfluß auf noch umlaufenden Rotor induzierten Strömen herdas erzielte Ausgangsdrehmoment des Motors ist, vorgerufen wird. Diese Wirkung wird besonders

durch die engen Luftspalte zwischen dem Rotor und 35 zwischen dem Rotor und den zugeordneten Gabeldiesen die Kurzschlußwicklungen tragenden Pol- enden der Statorpole 31, 33, wirken aber derart zuarmen verstärkt. sammen, daß ein Hochleistungsmotor mit schnellem

Wenn der Luftspalt 35 zwischen dem Rotor 20 Anlaufvermögen entsteht. Wie bereits erwähnt, ver- und den Statorpolen 31, 33 ungleichmäßig dimensio- 5 mag der Rotor infolge des erzielten hohen Drehniert wird, d. h. der Abstand des Rotors nach den moments und seiner niedrigen Eigenträgheit beim Flächen der abgeschirmten Polarme 32 b, 34 a hin Anlassen äußerst schnell in Synchrontakt zu kommen wesentlich kleiner als nach den nicht abgeschirmten und außerdem beim Ausschalten der Feldspule 40 Polarmen 32 α, 34 ft gehalten wird, bleibt der Rotor fast augenblicklich anzuhalten,
bei Energieunterbrechung bzw. Stromlosmachen des 10 F i g. 2 zeigt eine Abwandlung der Bauform gemäß Motors unweigerlich in der dargestellten Ruhelage Fig. 1, die sich als dreipoliger Schrittschaltmotor stehen, da die Feldlinien des Rotormagnetflusses eignet. Zu diesem Zweck sind an Stelle der einzigen nämlich infolge der ungleichmäßigen Luftspaltform zweipoligen Spule zwei getrennte Feldspulen 44, 46 derart verlaufen, daß der Rotor unweigerlich eine oder wahlweise eine Einzelspule mit Mittelanzapfung Ruhestellung einnimmt, in welcher sich die Mittel- 15 vorgesehen. Die Feldspulen 44, 46 werden abwechpunkte der beiden magnetisierten Rotorpolbereiche selnd getrennt über eine nicht dargestellte, herkömmunmittelbar an der Fläche der abgeschirmten und liehe äußere Logikschaltung mit elektrischen Stromnicht an der der nicht abgeschirmten Polarme befin- impulsen gespeist. Der hierdurch jeweils erzeugte den. Infolgedessen besitzt der Statormagnetfluß, der Magnetfluß durchläuft die Statorschenkel 30 a, 30 b anfänglich längs einer durch die unabgeschirmten 20 und wirkt mit dem zwischen den Statorpolen 31, 33 Polarme 32 a, 34 b gehenden Linie verläuft, während angeordneten Rotor 20 zusammen,
des Anlaßvorgangs eine zu den Rotormagnetpolen Ein beispielsweise an die Spule 44 angelegter Imtangential gerichtete Komponente, die den Rotor in puls erzeugt Magnetflußlinien 45, die den Rotor 20 die gewünschte Richtung hineindreht. in vorgegebener Richtung durchlaufen und zu einem

Die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform kann »5 180°-Drehschritt veranlassen. Der nächste Impuls als Wechselstrom-Synchronmotor betrieben werden, wird dann derart an die Spule 46 angelegt, daß zwiindem die Feldspule 40 an eine Wechselstromquelle sehen den Statorpolen 31, 33 ein entgegengesetzt verangeschlossen ist. Die in der Statoranordnung 30 a, laufender Magnetfluß erzeugt und dadurch ein weite-30 b bei Erregen der Feldspule 40 erzeugten wech- rer 180°-Drehschritt des Rotors verursacht wird, selnden Magnetflußlinien 45 wirken auf den zwischen 30 Diese Richtungsumkehr des Feldspulen-Magnetflusses den Statorpolen 31, 33 angeordneten Rotor 20 ein bei aufeinanderfolgenden Impulsen kann ohne weite- und setzen ihn nach üblicher Wechselstrom-Synchron- res durch Verwendung eines Umschaltkreises bewirkt motor-Technik in Drehung. Die Merkmale, wie die werden, der an eine Gleichstromquelle angeschlossen schlankzylindrische Rotorbauform, die Abschirmringe ist. Jedes Impulspaar bewirkt somit eine volle 360°- 36 a, 36 b und der ungleichmäßige Luftspaltabstand 35 Drehung des Rotors 20.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

3627

Claims (1)

1. lungen einnehmen kann, wird ein hohes Anlaufdreh-Patentanspruch: moment, und zwar auch in ungünstigen Stellungen

   des Rotors erreicht, aus denen heraus der Motor

   Elektromotor zum Betrieb als Synchronmotor nicht sofort in Drehfeldrichtung beschleunigt. Dieser mit Wechselstrom oder als Schrittmotor mit Im- 5 Fall kann eintreten, wenn eine Spannung mit einer pulsen wechselnder Polarität, bestehend aus ei- im Vergleich zur zuvor angelegten Spannung umnem durch eine Feldwicklung erregbaren Stator, gekehrten Polarität angelegt wird. Dann läuft der der mindestens zwei Statorpole aufweist, die Motor zunächst über einen kleinen Drehwinkel wähentsprechend einer Spaltpolausfühmng je in rend der ersten Halbwelle in der falschen Richtung zwei Polarme aufgeteilt sind, von denen je- io an, kehrt jedoch seine Drehrichtung beim Nulldurchweils einer eine Kurzschlußspule trägt, und mit gang der Spannung sofort um und läuft dann mit einem permanentmagnetisierten Rotor mit min- Beginn der zweiten Halbwelle in der richtigen Richdestens einem Polpaar, dadurch gekenn- tung. Dieser Vorgang erfolgt so schnell, daß der Mozeichnet, daß die zu jedem Statorpol (31, tor für praktische Zwecke auch als »Einrichtungs-33) gehörenden zwei Polarme (32 a, 32 £>; 34 a, 15 motor« bezeichnet werden kann.
   34 b) unterschiedliche Längen besitzen, derart, Der erfindungsgemäß verbesserte Motor eignet

   daß der Luftspalt (35) zwischen dem Rotor (20) sich unter anderem gut für Schrittschaltmotoren, die und den die Kurzschlußspulen (36 a, 36 b) tragen- nach dem Prinzip von Wechselstrom-Synchronmoloden Polarmen (32 b, 34 a) kleiner ist als der Luft- ren arbeiten. Insbesondere wird durch Verwendung spalt zwischen dem Rotor (20) und den anderen 20 eines Rotors aus permanentmagnetischem Material Polarmen (32 a, 34 b), und daß der Rotor (20) in Form eines Vollzylinders, dessen Axiallänge gröaus einem einstückig ausgebildeten Zylinder aus ßer ist als sein Durchmesser, das Dreh-Trägheitsmomagnetischem Material besteht und seine axiale ment unter entsprechender Erhöhung des Drehmo-Länge wesentlich größer ist als sein Durchmesser. ment-Trägheit-Verhältnisses merklich herabgesetzt.

   25 Gemäß der bei herkömmlichen Wechselstrom-Syn-

   chronmotoren üblichen Praxis wird beim erfindungs-

   gemäßen Schrittschaltmotor die Feldspule durch eine Wechselstromquelle erregt und der Permanentma-

   Die Erfindung betrifft einen Elektromotor zum Be- gnet-Rotorteil einem vom Statorfluß erzeugten matrieb als Synchronmotor mit Wechselstrom oder als 30 gnetischen Wechselfeld ausgesetzt. Beim Anlassen Schrittschaltmotor mit Impulsen wechselnder PoIa- herkömmlicher Motoren, wie sie oben erwähnt wurrität, bestehend aus einem durch eine Feldwicklung den, sind häufig nach Erregung der Feldspule minerregbaren Stator, der mindestens zwei Statorpole destens einige volle Perioden nötig, bis der Motor aufweist, die entsprechend einer Spaltpolausführung synchrone Drehzahl errreicht. Bei der erfindungsgeje in zwei Polarme aufgeteilt sind, von denen jeweils 35 mäßen Bauart jedoch besitzt der Motor hauptsächeiner eine Kurzschlußspule trägt, und mit einem per- lieh wegen der verbesserten trägheitsarmen Rotormanentmagnetisierten Rotor mit mindestens einem gestalt sowie wegen des hohen Energieprodukts des Polpaar. Ein derartiger Motor ist aus der deutschen zu seinem Aufbau benutztem Magnetmaterials sowie Patentschrift 642 303 bekannt. wegen der Besonderheiten der Statorkonstruktion ein

   Es ist weiter bereits ein Wechselstrommotor be- 40 außerordentlich hohes Drehmoment-Trägheits-Verkannt (deutsche Patentschrift 597 982), dessen Sta- hältnis, das dem Motor ein äußerst schnelles In-Tritttorpole in jeweils zwei Arme unterschiedlicher Länge Fallen ermöglicht. Die Verwendung eines Rotormaunterteilt sind, von denen der jeweils längere eine terials mit hohem Energieprodukt bedeutet in Ver-Kurzschlußwicklung trägt. Durch die unterschied- bindung mit den erwähnten erfindungsgemäßen liehe Länge der Polarme wird ein gleichförmiges 45 Merkmalen, daß der Motor eine sehr kurze An-Drehfeld erzielt. Sprechzeit aufweist und sehr schnell auf Synchron-

   Diese bekannten Motoren besitzen vergleichsweise drehzahl kommt, so daß er sich insbesondere als Imkleine Anlaufdrehmomente. puismotor eignet.

   Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, Der Motor beschleunigt bei den meisten erprobeinen Motor der eingangs genannten Gattung so aus- 50 ten Ausführungsformen bei Anlegen einer Wechselzugestalten, daß er ein großes AnI auf drehmoment oder Impulsspannung von beispielsweise 60 Hz FoI-entwickelt, um in kürzester Zeit auf Nenndrehzahl gefrequenz derart schnell aus dem Stillstand, daß er zu beschleunigen, und auch nach dem Abschalten schon beim ersten Spannungszyklus volle Synchronder Erregung schnell zum Stillstand kommt. drehzahl erreicht. Fernerhin kommt der Motor bei

   Diese Aufgabe wird eifindungsgemäß dadurch ge- 55 Abschaltung der Erregung sehr schnell, und zwar löst, daß die zu jedem Statorpol gehörenden zwei für gewöhnlich schon während einer einzigen Rotor-Polarme unterschiedliche Länge besitzen, derart, daß Umdrehung zum Stillstand, was auf die trägheitsder Luftspalt zwischen dem Rotor und den die Kurz- arme Rotorkonstruktion und die durch die Kurzschlußspulen tragenden Polarmen kleiner ist als der schlußwicklungen bewirkte elektrodynamische Ab-Luftspalt zwischen dem Rotor und den anderen Pol- 60 bremsung zurückzuführen ist.

   armen, und daß der Rotor aus einem einstückig aus- Zur weiteren Verbesserung der Anlaßbeschleuni-

   gebildeten Zylinder aus magnetischem Material be- gungsleistung des Motors ist die Rotorform erfinsteht und seine axiale Länge wesentlich größer ist als dungsgemäß so gewählt, daß die Axiallänge des Rosein Durchmesser. tors größer als dessen Durchmesser ist. Durch diese Durch die ungleichen Luftspalte zwischen dem Ro- 65 schlankzylindrische Form wird das Trägheitsmoment tor und den die Kurzschlußspulen tragenden Pol- des Rotors um seine Welle erheblich herabgesetzt armen in Verbindung mit dem permanentmagnet!- und erhöht sich dementsprechend das Drehmomentsierten Rotor, der im Stillstand nur bestimmte Stel- Trägheits-Verhältnis des Motors beim Anlassen.