DE1902652B2 - Hysterese-Synchronmotor mit den Luftspaltfluß vergleichmäßigenden weichmagnetischen Blättchen im Luftspalt. ' - Google Patents

Description

- b

B₁- < dB, < B₁O

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nicht wesentlich überschritten wird, worin B₁ der Scheitelwert der mittleren Luftspaltinduktion und ß_s die Sättigungsinduktion des Blättchenmaterials bedeutet.

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Hysterese-Synchronmotor, bei dem im Luftspalt vor dem Ständerzahnpolkranz ein weichmagnetischer dünner Zwischenring in kleinem Abstand vom Ständer mit diesem mechanisch fest verbunden angeordnet ist, wobei der Zwischenring in einzelne, die Zahnlücken jeweils überbrückende Blättchen aufgeteilt ist.

Bekanntlich soll ein solcher Hysteresemotor eine Drehmoment-Drehzahlkennlinie mit konstantern Drehmoment bis zum vollen Synchronismus besitzen. Der Vorteil dieser Motorart gegenüber Induktionsmotoren besteht darin, daß sie mit vollem Nennmoment in den Synchronismus hochläuft und bei kleinem Arbeitsmoinent vollständig synchron in konstanter Phasenlage bzw. elastisch mit dem Drehfeld gekoppelt wie bei einem Synchronmotor in Synchronismus verbleibt, während ein Induktionsmotor gegen das Drehfeld mit einem lastabhängigen Schlupf zurückbleibt.

Da im allgemeinen der Hystereseläufer aus metallischem Werkstoff besteht, werden in ihm während des asynchronen Hochlaufs Wirbelströme induziert, so daß sich zu dem konstanten Hysteresemoment ein asynchrones Induktionsmoment addiert, das bei Annäherung an den Synchronismus verschwindet. Dadurch wird der Anlauf beschleunigt, aber das synchrone Kippmoment nicht beeinträchtigt,

Dagegen werden durch zeitliche und räumliche Überwellen des erregenden Drehfeldes zusätzliche Wirbelströme im Läufer induziert, die bei Synchronismus der Drehzahl mit der Grundwelle nicht verschwinden und die das synchrone Kippmoment unter den theoretischen Wert senken, der sich aus der Ummagnetisierungsarbeit des Läufers geteilt durch den vollen Umlaufwinkel 2.-7 ergibt. Auch bei einem oxydmagnetischen Hystereseläufer, bei dem Wirbelströme durch Oberwellen nicht auftreten können, kann durch innere Schleifen beim synchronen Lauf in oberwellenreichem Drehfeld eine Verminderung des synchronen Kippmomentes unter den theoretischen Wert stattfinden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, im Luftspalt des Synchronmotors einen weitgehend sinusförmigen Verlauf der Luftspaltinduktion zu erzielen.

Die Lösung dieser Aufgabe wird bei einem eingangs beschriebenen Hysterese-Synchronmotor darin gesehen, daß die Dicke (d) der Blättchen (ß) und ihr Abstand (<)) von den Ständerzähnen so aufeinander abgestimmt sind, daß die Gleichung ^ -se -£■ erfüllt

ist, wobei α die eine Überdeckung von Blättchen und Zahnkopf und b die Weite der Zahnkopflücke bedeutet.

Es ist bereits ein Hysteresemotor beschrieben worden, in dessen Luftspalt ein dünner Zwischenring in kleinem Abstand vom Ständer angeordnet und mit diesem mechanisch fest verbunden ist. Dieser Zwischenring besteht aus weichmagnetischem Material und kann einstückig ausgeführt oder in einzelne Blättchen aufgeteilt sein (USA.-Patentschrift 3 261996).

Die bei dieser bekannten Anordnung vorgesehenen, den Polfluß vergleichmäßigenden einzelnen Blechabschnitte sind voneinander nur durch schmale Spalte getrennt. Im Gegensatz dazu sind die die einzelnen Bleche unter den Ständerpolen trennenden Spalte bei der Erfindung bewußt breiter gewählt. Das hat folgenden Grund: Die Bleche stellen magnetisch eine Äquipotentialfläche dar. Liegen nun zwei solcher Flächen nebeneinander — jede mit einem bestimmten, gegenüber dem Nebenblech jedoch unterschiedlichen Potential —, so treten damit in der am Umfang verteilten Läuferinduktion ausgeprägte Treppensprünge zur Annäherung der Luftspaltinduktion an die Sinuskurve auf. Bei der Erfindung sind die Spalte erfindungswesentlich bewußt breiter gemacht, so daß die Läuferinduktion besser der Sinuskurve verteilt über den Umfang genähert werden kann. Der damit verbundene Vorteil, daß auf Grund einer derartigen Unterteilung des Zwischenringes der praktische Effekt dem gleichkommt, den man bei dreifacher Zahnzahl erreicht hinsichtlich der Glättung des sinusförmigen Verlaufs der Luftspaltinduktion ist der genannten Entgegenhaltung nicht zu entnehmen.

An Hand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 den theoretischen Drehmomentverlauf eines Hysterese-Synchronmotors über der Drehzahl,

F i g. 2 und 3 über eine Abwicklung eines Hysterese-Synchronmotors den Verlauf magnetischer Kenngrößen und

Fig.4 konstruktive Bemessungseinzelheiten des erfindungsgemäßen Gegenstandes.

Die F i g. 1 verdeutlicht, daß ein Hysterese-Synchronmotor theoretisch eine Drehmoment-Drehzahlkennlinie mit konstantem Drehmoment bis zum vollen Synchronismus aufweist. Die F i g. 2 zeigt im oberen Teil die Abwicklung eines Abschnittes eines Hysterese-Synchronmotors und darunter das sich stufenweise verändernde, im Mittel sinusförmig verlaufende Ständerpotential θ,_α, das stetig sinusförmig

verlaufende, etwas phasenverschobene kleinere Läuferpotential e_L und die aus der Differenz dieser Potentiale und dem zahnmodulierten Luftspaltwiderstand sich ergebende Luftspaltinduktion B₁ bei nicht erfindungsgemäßer Ausführung des Zwischenring:;. Am Verlauf der Luftspaltinduktion B₁ erkennt mar stellenweise die Zahnlückeneinbrüche E und an anderen Stellen die »Dachschräge« D unter den Zähnen. In Fig. 3 ist die abschnittsweise Unterteilung des Zwischenrings gemäß der Erfindung in ihrer Wirkung dargestellt. Der Zwischenring ist in einzelne, die Zahnlücken überbrückende und nur an den Rändern der Zähne diese mit geringem magnetischen Spalt überdeckende Einzelblättchen B aufgeteilt. Die Lükken zwischen den Einzelblättchen B stellen also nicht nur eine die Wirbelstromverluste vermindernde elektrische Isolation dar, sondern sie sinJ so breit, daß das Potential der darunter frei werdenden Zahnoberfläche direkt zum Läufer hin einen merklichen Anteil des Zahnflusses übergehen läßt, der nicht durch die magnetischen Blättchen des Zwischenringes beeinflußt wird. An Stellen hoher Nutdurchflutung bilden diese Blättchen eine Art magnetischen Spannungsteiler, da jedes Blättchen auf der Strecke der Zahnlücke abgesättigt wird und dieser Sättigungsfluß an den magnetischen Spalten zu den Nachbarzähnen einen Zusatzfluß bedingt, der magnetische Potentialdifferenzen unterschiedlichen Vorzeichens bewirkt. Die volle Zahnteilung wird somit in vier Teile unterteilt, von denen zwei durch die Überdeckungsbereiche von Blättchen und Zahn gebildet werden, einer von der Zahnlücke und der letzte von der offen liegenden Zahnfläche zwischen den Blättchen. Infolge des Potentialgefälles, das der Sättigungsfluß der Blättchen an den Überdeckungsstellen hervorruft, werden die drei Teile über der Zahnfläche abgestufte magnetische Potentiale annehmen, so daß die verbleibende Potentialstufe über der Zahnlücke erheblich weniger steil ausfällt als ohne solche magnetischen Spannungsteilerblättchen.

Die Wirkung des erfindungsgemäß unterteilten Zwischenringes ist dann praktisch die gleiche wie die, die bei dreifacher Zähnezahl erreicht werden könnte bezüglich der Glättung des sinusförmigen Verlaufes der Luftspalthiduktion B₁. Sie ist aber viel einfacher herstellbar, da eine vielnutige Wicklung teurer ist als eine solche mit wenigen Nuten und da der erreichbare Kupferfüllfaktor der Nuten bei vielen schmalen und tiefen Nuten äußerst schlecht würde.

In Fig. 2 und 3 ist um 90° phasenveischoben gegen B_x die Läuferlängsinduktion B_L mit eingetragen, die sich bei einem Ringläufer entsprechend der Integration dpr Luftspaltflußdichte über den Läuferumfang ergibt.

d-B_L= -S(B_t-B_sl)dx,

sowie die Längsfeldstärke H₁ im Läufer, deren Umfangsintegral.das Läuferpotential

ergibt, und die daher gegenüber diesem ebenfalls um 90 räumlich verschoben ist. d, ist hierin die Dicke des ringförmigen Läufers, B₁ die Luftspaltinduktion. B_s, die Läuferstreufeldinduktion an der vom Stander abgewandten Seite. Die Läuferkoordinate χ beginnt auf dem Ständerumfang am Luftspalt mit beliebigem Nullpunkt. In Fig. 3 sind die Stellen der Zahnmitte im Verlauf des Zahnpotentials (-)>, im Kurvenzug stark ausgezogen. In den dazwischenliegenden Strekken ist die Luftspaltinduktion der PotcntialcJifFeren/ zwischen dem Potential der Blättchen H_1n und dem des Läufers f)_L proportional. Der Verlauf von «,,, ist im Kurvenzug jeweils S-förmig gekrümmt dargestellt. wie es der Wirkung der Absättigung des Blättchens an stromführenden Nuten und dem magnetischen Übergangswiderstand zu den Zähnen hin entspricht Als Dimensionierungsregel für die Bemessung der Dicke d dieser Blättchen und des magnetischen festen Spaltes Λ zu den Ständerzähnen gilt die Formel

i-^2a-d.

Hierin ist α die eine Überdeckung des Blättchens mit dem Nachbarzahn und b die Nutweite, wie es F i g. 4 veranschaulicht. Außerdem wird die Dicke d der Blättchen so gewählt, daß das Produkt aus Sättigungsinduktion B₅ und Blättchendicke zwischen dem Wert des Scheitelwertes der mittleren Luftspaltinduktion B₁ und der Nutbreite und dem Doppelten dieses Wertes liegt

B₁- < dB, < B_tb.

Der räumliche Winkel zwischen H_L und B₁ ist mit 30 bis 35° dargestellt, das entspricht einer mittleren Qualität des Hysteresematerials, bei dem die Scheitelfeldstärke der Ummagnetisierungsschleife das 1,7-bis 2fache der Koerzitivfeldstärke ist. Die dargestellten Kurven entsprechen etwa experimentellen Daten eines 24nutigen Hysterese-Synchronmotors.

Die Erfindung führt zu einer besonders vorteilhaften Konstruktion bei rasch laufenden Hysterese-Scheibenmotoren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Hysterese-Synchronmotor, bei dem im Luftspalt vor dem Ständerzahnpolkranz ein weichmagnetischer dünner Zwischenring in kleinem Abstand vom Ständer mit diesem mechanisch fest verbunden angeordnet ist, wobei der Zwischenring in einzelne, die Zahnlücken jeweils überbrückende Blättchen aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d) der Blättchen (B) und ihr Abstand (<)) von der. Ständerzähnen so aufeinander abgestimmt sind,

daß die Gleichung —. «a ~ erfüllt ist, wobei a

ab

die eine Uberdeckung von Blättchen und Zahnkopf und b die Weite der Zahnkopflücke bedeutet.

2. Hysteresemotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d) der Blättchen (B) so gewählt wird, daß die Grenzbedingung