DE1917313B2

DE1917313B2 - Selbstanlaufender Synchronmotor

Info

Publication number: DE1917313B2
Application number: DE1917313A
Authority: DE
Inventors: Frank W. Stamford Conn. Stellwagen (V.St.A.)
Original assignee: General Time Corp Stamford Conn (vsta)
Current assignee: General Time Corp Stamford Conn (vsta)
Priority date: 1968-04-05
Filing date: 1969-04-03
Publication date: 1978-11-30
Also published as: DE1917313A1; MY7400203A; US3469131A; GB1262763A; JPS5616636B1

Description

Die Erfindung betrifft einen selbstanlaufenden Synchronmotor mit einer Erregerspule mit beidseitig vorgesehenen Polschuhen, die an den dem senkrecht zur Erregerspulenachse angeordneten Läufer zugewandten Enden gezahnt sind, wobei der Läufer aus einer axial magnetisierten dauermagnetischen Scheibe mit an deren Stirnseiten sitzenden, am Umfang gezahnten Polscheiben besteht, die gegeneinander so verdreht sind, daß die Zähne der einen Polscheibe in die Zahnlücken der anderen Polscheibe zu stehen kommen.

Selbstanlaufende Sychronmotore werden zum Beispiel zum Antrieb von elektrischen Uhren verwendet. Die Zähne ihres Läufers bzw. Rotors einerseits und ihres Ständers bzw. Stators andererseits sind so angeordnet und ausgebildet, daß sie sich in jeder Stellung des Läufers etwas überdecken bzw. sich auf beiden Seiten des Luftspaltes etwas gegenüberliegen. Bei einem bekannten Synchronmotor der eingangs genannten Gattung (DE-Gbm 17 44 065) sind die Zähne der beiden Polscheiben des Rotors breiter als die Zähne des Stators. Dadurch ergibt sich eine, wenn auch nur teilweise Überdeckung der Zähne von Rotor und Stator. Der magnetische Fluß kann in diesem Überdeckungsbereich über den Luftspalt vom Stator zum Rotor übergehen und umgekehrt.

Elektrische Motore jeder Art und damit auch Synchronmotore sollen einen möglichst hohen Wirkungsgrad haben. Hierzu sind Stator und Rotor so auszubilden, daß sich ein möglichst enger Luftspalt mit weiter Überdeckung der sich gegenüberliegenden Polschuhe ergibt. Von diesem allgemein erstrebenswerten Ziel ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den bekannten Synchronmotor dahingehend zu verbessern, daß er bei gleicher Leistungsaufnahme ein höheres Drehmoment abgibt. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich nach der Erfindung dadurch, daß die Zähne der Polschuhe des Stators so breit sind, daß sie ein Paar von Rotorzähnen der Polscheiben zumindest teilweise überdecken. Diese Ausbildung ist genau umgekehrt wie bei dem bekannten Synchronmotor, bei dem die Zähne des Rotors eine größere Kopfbreite als die des Stators haben. Die erfindungsgemäße Ausbildung hat zur Folge, daß sich das durch die Erregerspule erzeugte Wechselfeld und das durch die dauermagnetische Scheibe erzeugte gleichbleibende Feld im Luftspalt additiv überlagern. Ein Nordpol der einen und ein Südpol der anderen Polscheibe des Läufers stehen immer gleichzeitig einem Zahn der Polschuhe des Stators gegenüber. Das heißt, daß sich sowohl das magnetische Wechsel- als auch das magnetische Gleichfeld zu jedem Zeitaugenblick über den Luftspalt schließen können und nicht durch eine Zahnlücke durchzutreten brauchen. Dies führt zu der gewünschten additiven Wirkung der Kraftlinien des Wechsel- und des Gleichfeldes.

Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion läßt sich die Leitung eines Synchronmotors bei Verwendung zum Antrieb einer elektrischen Uhr gegenüber herkömmlichen Synchronmotoren um etwa 40% oder mehr steigern.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Dauermagnetfluß etwa lOmal größer als die Spitze des Erregerflußes ist, während diese Magnetflüsse durch die Rotorzähne der Polscheiben durchtreten. Es empfiehlt sich ferner, daß die Arbeitsluftspalte schmaler als 0,125 mm sind.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausfülirungsform wird der erfindungsgemäße Synchronmotor nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht des Motors, wobei Gehäuse und Rotorlager weggelassen sind,

F i g. 2 eine Ansicht auf Rotor und den umgebenden Teil des Stators,

Fig.3A eine Darstellung des Weges für das magnetische Wechselfeld,

F i g. 3B entsprechend für das Gleichfeld und

Fig.4 in größerem Maßstab eine Darstellung des Luftspaltes zwischen zwei Rotorzähnen und den angrenzenden Polflächen des Stators.

Der in der beispielsweisen Ausführungsform dargestellte Synchronmotor wird mit Netzstrom von 150 Hz gespeist und läuft mit 600 U/min (10 U/s). Sein Rotor enthält eine dauermagnetische Scheibe 10, die zwischen zwei gezahnten Polscheiben 11 und 12 festgeklemmt ist. Diese Einheit bildet einen magnetisierten umlaufenden Stromkreis für den Rotor. Jede Polscheibe ist mit Ausschnitten versehen, die 15 im gleichen Abstand liegende Zähne ergeben, um dadurch einen 30poligen Motor zu bilden. Die Zähne sind zueinander versetzt, so daß bei Betrachtung des Rotors in der Längsrichtung der Achse, wie in F i g. 2 gezeigt ist, die Rotorzähne 16 der einen Polscheibe 11 zwischen den angrenzenden Rotorzähnen 17 der anderen Polscheibe 12 zu liegen scheinen.

Die dauermagnetische Scheibe 10 und die Polscheiben 11,12 sind auf einer Welle 20 zwischen Buchsen 18 und 19 ausgerichtet und durch ein Epoxyharz befestigt. Die dauermagnetische Scheibe 10 ist vorzugsweise ein Barium-Ferritmaterial. Ihr Durchmesser ist annähernd gleich dem Durchmesser an der Basis der Rotorzähne. Sie wird nach dem Zusammenbau des Rotors magnetisiert, so daß die Polscheibe Il ein Nordpol und die Rotorscheibe 12 ein Südpol wird.

Die Erregerwicklung 31 ist auf einem Wicklungsträger aus Nylon 33 gewickelt. Sie ist vorzugsweise in der Mitte angezapft, was einfach durch bifilares Aufwickeln

erzielbar ist Die Länge der fertigen Wicklung beträgt ungefähr das Fünffache ihres Halbmessers, um niedrigste Kosten und niedrigsten Kupferverlust zu erzielen. Die Wicklung enthält 4500 Windungen und hat einen Widerstand von 880 Ohm.

Der Querschnitt des Schenkels 30 des Statorkerns, der durch die Erregerwicklung hindurchgeht, hat eine viereckige Form. Der übrige Statorkern braucht nicht dicker zu sein als die Dicke des Rotors plus einer entsprechenden Toleranz für den Streufluß. Um daher zwecks Verringerung der Kosten die Verwendung von Eisen im Statorkern auf ein Mindestmaß herabzusetzen, wird die Stärke des Stators in allen Bereichen außer dem Schenkel 30 durch den Streufluß an einem bestimmten Querschnitt und die Stärke des Rotors bestimmt, die ungefähr 2,25 mm beträgt Dem durch die Erregerwicklung hindurchgehenden Teil des Statorkerns sind Lamellen 34 hinzugefügt um die Stärke des Statorkerns auf einen viereckigen Querschnitt zu bringen, von welchem eine Seite eine Längs von 3,9 mm aufweist

Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß verhältnismäßig wenig Raum zwischen der Wicklung und dem Statorkern vorhanden ist Durch diese Ausbildung des Stators wird die Länge des magnetischen Weges und dadurch die Eisenverluste auf ein Mindestmaß herabgesetzt Außerdem wird die zur Konstruktion des Stators erforderliche Eisenmenge auf ein Mindestmaß herabgesetzt, so daß sich die Kosten verringern.

Der außerhalb der Erregerwicklung 31 liegende Teil des Statorkerns ist geteilt, wobei durch Polschuhe 32 eine kreisförmige öffnung gebildet wird, welche den Rotor aufnimmt. Der Umfang der öffnung ist mit Ausschnitten versehen und bildet Zähne 40 auf einer und Zähne 41 auf der anderen Seite der öffnung.

Der Winkel zwischen den Mittelpunkten benachbarter Zähne beträgt entsprechend dem Abstand der fünfzehn Zähne auf den Polscheiben 11 und 12 24°. Wie die F i g. 1 und 2 zeigen, sind sieben Zähne auf jeder Seite des Rotors vorgesehen. Die Zähne 40 sind relativ zu den Zähnen 41 symmetrisch. Wenn daher die Zähne der Nordpol-Polscheibe 11 den Zähnen 40 auf einer Seite des Rotors gegenüberliegen, stehen die Zähne der Südpol-Polscheibe 12 den Zähnen 41 auf der anderen Seite des Rotors gegenüber.

Wenn der Motor in Betrieb ist, gibt es zwei Kraftlinienwege, nämlich einen für die Wechselfeldlinien der Erregerwicklung, der in Fig.3A schematisch dargestellt ist, und den anderen für die Gleichfeldlinien der dauermagnetischen Scheibe, die in Fig.3B gezeigt ist.

Die Wechselfeldlinien werden durch Erregung der Wicklung 31 erzeugt und laufen durch den Stator zu den Zähnen, quer zum Luftspalt, durch die Polscheiben 11 und 12 sowie quer zum Luftspalt zurück in den Stator, um den magnetischen Stromkreis zurück zur Erregerwicklung zu schließen. Wie F i g. 3A zeigt, gehen die Kraftlinien der Erregerwicklung durch die Polscheiben 11 und 12 durch und umgehen somit den Permanentmagneten.

Der Weg der Gleichfeldkraftlinien ist in Fig.3B dargestellt und verläuft vom Nordpol der dauermagnetischen Scheibe 10 durch die Zähne der Polscheibe 11 quer zum Luftspalt und durch die Statorzähne sowie zurück quer zum Luftspalt und durch die Polscheibe 12 zum Südpol der Scheibe 10. Wie Fig. 2 zeigt, sind die Zähne der Polscheiben 11 und 12 versetzt, liegen aber stets einer Polfläche genügend nahe, um den Gleichfeldweg des magnetischen Kreises zu schließen. Wenn sich der Motor synchron dreht, sind die Rotorzähne auf die Statorpolscheibe ausgerichtet wie Fig.2 zeigt, wenn die Wechselfeldlinien der Erregerwicklung ein Maximum erreichen, wodurch eine maximale Kopplung zwischen den Zähnen der Polscheiben 11 und 12 über einen angrenzenden Statorpolschuh im Augenblick der Erzeugung des maximalen Drehmoments erhalten wird.

Die Wechsel- und Gleichfeldlinien des magnetischen

in Kreises werden somit überlagert, und es ergibt sich ein wesentlich größeres Drehmoment als durch Hystereseoder Reluktanzmotoren. Da das Motordrehmoment dem Quadrat der Kraftliniendichte im Luftspalt annähernd proportional ist ist die additive Wirkung

r> ziemlich bedeutsam.

Es sollen nun zuerst die Kraftlinien während einer Halbperiode betrachtet werden, wenn die Wechselstromkraftlinien Φa in der in Fig.4 angegebenen Richtung verlaufen. Im Zahn 16 der Nordpol-Polscheibe sind die Wechselfeldkraftlinien Φ₃ und die Gleichfeldkraftlinien Φπι additiv und können dargestellt werden durch:

während im Rotorzahn 17 die Gleichfeldkraftlinien Φ_η, in der entgegengesetzten Richtung verlaufen und die Kraftlinien daher einander entgegengesetzt sind, was dargestellt werden kann durch:

— (I) Λ- (I)

' in f ' ti ·

Da das Drehmoment dem Quadrat der Kraftliniendichte annähernd proportional ist, wird das kombinierte Drehmoment T\ eines Paares von Rotorzähnen 16 und 17 dargestellt durch:

Diese Gleichung kann ausgerechnet und vereinfacht werden auf:

Während der nächsten Halbperiode verändern die Wechselfeldlinien Φ,·, die Richtung, und das Drehmoment T2 während dieser Halbperiode kann daher dargestellt werden durch:

Diese Gleichung kann ausgerechnet und vereinfacht werden auf:

T₂ < 4'/'„//>„ .

Das Motordrehmoment ist daher annähernd proportional dem vierfachen Produkt der Kraftlinien der dauermagnetischen Scheibe und der Kraftlinien der Erregerwicklung. Aus dieser Beziehung ist zu entnehmen, daß das Drehmoment direkt proportional zu einer Zunahme der Kraftlinien der dauermagnetischen Scheibe zunimmt. Die Sättigungscharakteristiken in den am meisten eingegrenzten Strecken der magnetischen Wege (zwischen den Rotorzähnen und den Statorpolflächen) begrenzen jedoch das Ausmaß der Vervielfachung des Drehmoments, die durch Erhöhung der

Stärke des Permanentmagneten erzielbar ist. Es wurde als wünschenswert befunden, den Motor so auszubilden, daß er in einem Bereich arbeitet, welcher gewöhnlich 50% der zulässigen Sättigungs-Kraftliniendichte nicht überschreitet, wenn die Kraftlinien des Permanentmagneten und das Maximum der Wechselfeldlinien der Erregerwicklung kombiniert werden. Bei dem Motor gemäß der Erfindung betragen die Kraftlinien 0_m des Permanentmagneten annähernd das Zehnfache des Maximums der Kraftlinien Φ, der Erregerwicklung, was entsprechend den Gleichungen (4) und (6) ein Motordrehmoment ergibt, das annähernd vierzigmal größer ist, als ohne den polarisierten, umlaufenden magnetischen Stromkreis erzielt werden könnte.

Ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Motor wies die folgenden Abmessungen auf: einen Rotordurchmesser von 9,375 mm, einen Luftspalt von nicht mehr als 0,125 mm und Lamellen mit einer Dicke von 0,15 mm. Das magnetische Material bestand aus einer Eisenlegierung, die 47 Gewichts-% Nickel und 3 Gewichts-% Molybdän enthielt. Dieses magnetische Material hatte eine Durchlässigkeit von 30 000, einen elektrischen Widerstand von 90 mOhm/cm, eine Sättigungs-Kraftliniendichte von 11 000 Gauß und einen Hystereseverlust von 250 Erg/cm³/Periode.

Bei Erregung durch eine Sinuswellenquelle von 150 Hz wurden die folgenden Charakteristiken gemessen:

	E	/	W Eingang	W Ausgang	Leistung
	Volt	mAmp	in Watt	in Watt	%
	0,76	135	84	50	60
IO	0,80	145	110	77	70
	0,95	150	139	95	65

Bei Speisung des Motors durch Rechteckimpulse von 150 Hz wurden die folgenden Charakteristiken gemessen:

E	/	W	Eingang	W	Ausgang	Leistung
Gleich		in	Watt	in	Watt	%
strom
in Volt	mAmp

1,2
1,5

440
545

529
816

275 355

52 43,6

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Selbstanlaufender Synchronmotor mit einer Erregerspule mit beidseitig vorgesehenen Polschu- ^T> hen, die an den dem senkrecht zur Erregerspulenachse angeordneten Läufer zugewandten Enden gezahnt sind, wobei der Läufer aus einer axial magnetisierten dauermagnetischen Scheibe mit an deren Stirnseiten sitzenden, am Umfang gezahnten Pclscheiben besteht, die gegeneinander so verdreht sind, daß die Zähne der einen Polscheibe in die Zahnlücken der anderen Polscheibe zu stehen kommen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (40,41) der Polschuhe des Stators so breit ι ■> sind, daß sie ein Paar von Rotorzähnen (16,17) der Polscheiben (11,12) zumindest teilweise überdecken.

2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnetfluß etwa lOmal größer als die Spitze des Erregerflußes ist, während diese Magnetflüsse durch die Rotorzähne (16,17) der Polscheiben (11,12) durchtreten.

3. Synchronmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsluftspalte schmaler als 0,125 mm sind. 2^r>