DE1927245C3 - Einphasenmotor für Geschwindigkeitsund Wegstreckenmessung bei Fahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Einphasenmotor nach Art eines Spaltpol-Hysteresemotors für die Geschwindigkeits- und Wegstreckenmessung bei Fahrzeugen, dessen gespaltene Statorpole aus je einem Hauptpol und einem um einen bestimmten Winkel in Umfangsrichtung versetzten, eine Kurzschlußwicklung tragenden Hilfspol bestehen und dessen Rotor aus radial magnetisierten, scheiben- oder ringförmigen, zur Erzeugung des Hauptanteiles des Synchrondrehmoments dienenden Dauermagneten und einem scheiben- oder ringförmigen, im wesentlichen zur Erzeugung eines asynchronen Moments dienenden Element aus einem magnetisierbaren Werkstoff mit ausgeprägter Hysterese zusammengesetzt ist.

Es sind bereits elektrische Tachometer bekannt, bei denen die Anzeige der Geschwindigkeit mittels eines Drehspulmeßwerks und die Wegstreckenanzeige mittels eines Rollenzählwerks erfolgt, das von einem Schrittmotor angetrieben ist. Die Speisung eines solchen Tachometers erfolgt von einem Frequenzgeber aus, der aus einem geschwindigkeitsproportional betätigten Schaltkontakt, einem fotoelektrischen Geber, einem Abreißoszillator oder auch einem Wechselspannungsgenerator mit einer Amplitudenbegrenzungsstufe besteht. Diese Frequenzgeber liefern also ein geschwindigkeitsproportionales Signal konstanter oder nahezu konstanter Amplitude über den benötigten Drehzahlbereich, das einmal zur Ansteuerung des Rotors und zum anderen für das Drehspulmeßwerk vorgesehen ist. Diese bekannten Tachometer haben den Nachteil, daß sie bauteilaufwendig und teuer sind.

Es sind auch Tachometer bekannt, die aus einem Wirbelstrommeßwerk zur Anzeige der Geschwindigkeit und einem Rollenzählwerk zur Anzeige der Wegstrecke bestehen. Werden diese billig herstellbaren Tachometer durch einen einzigen Motor angetrieben, so kann in gleicher Weise wie bei den elektrischen

ίο Tachometern auf die Verwendung einer flexiblen Antriebswelle verzichtet werden. Da das Zählwerk des Tachometers vom Beginn der Bewegung des Fahrzeugs und damit von der Frequenz Null an zählen muß und auf dar anderen Seite der Geschwindigkeitsmesser bei

'5 hohen Drehzahlen bzw. Frequenzen von 50 Hz und mehr noch genau arbeiten soll, ist hierfür ein Antriebsmotor erforderlich, dessen Drehzahl i.i einem breiten, von Null ausgehenden Bereich proportional der Geschwindigkeit des Fahrzeuges veränderbar sein muß.

ίο Hierbei so!! der Motor im untersten Bereich von Null ab im Schrittbelrieb arbeiten, um eine exakte Zählung der zurückgelegten Wegstrecke zu erreichen. Die Geschwindigkeitsmessung dagegen — mit in der Regel unterdrücktem Nullpunkt — kann bei einer Geschwindigkeit von etwa 5 km/h beginnen, d. h. vnn einer dieser Geschwindigkeit entsprechenden Frequenz der Speisespannung an soll der Motor im Synchronbetrieb bis zur oberen Grenzfrequenz sicher arbeiten.

Für diesen Zweck bieten sich zunächst die für Regel- und Steuerzwecke in vielen Ausführungsformen bekannten Synchronmotore, sogenannte Synchros, Drehmelder od. dgl. an. Solche Motore können aber aus physikalischen Gründen nur drei- oder mehrphasig betrieben werden und sind daher relativ teuer. Auch der notwendige Leitungsaufwand und die Störanfälligkeit sind zu groß.

Es sind des weiteren Einphasenmotore des eingangs beschriebenen Aufbaus bekannt. Diese im Aufbau einfachen Motore haben den Nachteil, daß sie im unteren Frequenzbereich ein für die vorliegenden Zwecke zu geringes Drehmoment besitzen und dadurch bereits bei geringen Belastungen außer Tritt fallen. Sie werden daher auch im allgemeinen nur für den Synchronbetrieb bei Frequenzen im Bereich von 50 Hz verwendet.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Motor der eingangs beschriebenen Gattung, der in den unteren Frequenzen ein für die genannten Zwecke zu niedriges Drehmoment aufweist, dahin zu verbessern, daß er über den Frequenzbereich von 0 bis 50 Hz oder darüber ein genügend hohes Drehmoment erzeugt.

D>ese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Speisung des Motors mit veränderlicher Frequenz eines Frequenzgebers der stromleitende Querschnitt der auf den Hilfspolen angeordneten Kurzschlußwicklung größer als der Querschnitt des Eisenkerns der Hilfspole bemessen ist, dergestalt, daß das Maximum des Asynchronmomentes in dem oder in der Nähe des Frequenzbereiches liegt, in dem sowohl

<*> der Übergang vom Schritt- in den Synchronbetrieb stattfindet als auch das Synchronmoment sein Minimum aufweist.

In völligem Gegensatz zu der bei dem gattungsgemä-Qen Motor üblichen und bekannten Bemessung des stromleitenden Querschnitts der Kurzschlußwicklung — der stromleitende Querschnitt wird so groß gewählt, daß die Phasenverschiebung zwischen Haupt- und Hilfsfluß im Stator genau eine Achtel Periode beträgt —

wird bei der erfindungsgemäßen Bemessung der Querschnitt wesentlich größer gewählt. Durch diese Maßnahme wird das bei einer bestimmten Erregung der Hauptpole durch die Statorwicklung erzielbare Maximum des Verlaufs des Asynchronmoments in Abhängigkeit von der Frequenz der Speisespannung des Frequenzgebers so weit nach dem unteren Frequenzbereich verschoben, daß in überraschender Weise bei relativ flach ausgeprägtem Maximum des asynchronen Momentverlaufs im kritischen Frequenzbereich des Motors — dem Übergang vom Schrittbetrieb in den Synchronbetrieb — noch ein so hohes asynchrones Anzugsmoment wirksam ibt, daß ein sicherer Übergang auch bei der vorgesehenen Belastung, beispielsweise durch ein einen hohen Reibungswiderstand aufweisendes übliches Wegstreckenzählwerk gewährleistet ist. Durch die erfindungsgemäOie Bemessung des Querschnittes der KurzschluQwicklungen auf den Hilfspolen kann die von den Dauermagneten herrührende Schwächung des Asynchronmoments durch Klebcrnoment und Streufluß gerade im kritischen Über^angsbereich durch die Verschiebung des Momentenverlaufes weitgehend kompensiert werden. Als weiterer Vorteil ergibt sich durch die Verstärkung des Asynchronmoments im unteren Frequenzbereich eine gegenüber dem bekannten Motor verstärkte Dämpfung der Schwingungen des Rotors im Schritlbetrieb und damit eine sicherere Ruhelage nach jedem Schaltschritt.

Da die Verschiebung des Maximums des asynchronen Drehmoments nach dem untersten Frequenzbereich hin jedoch bewirkt, daß im oberen Frequenzbereich — bedingt durch den fallenden Kurvenverlauf — der vom Hystereseteil des Rotors herrührende Anteil am synchronen Drehmoment des Motors geschwächt wird, kann dies zur Folge haben, daß der belastete Motor beispielsweise bei kurzzeitigem Aussetzen der Speisespannung bei hohen Drehzahlen nicht mehr ein genügend hohes asynchrones Anzugsmoment besitzt, um schnell v/.-der in den Synchronbetrieb laufen bzw. anlaufen zu können. Um diesen Mangel auszuschließen, empfiehlt es sich, mindestens zwei in Achsrichtung getrennt angeordnete Dauermagnete auf dem Rotor vorzusehen und deren Magnetisierungsachsen in Umfangsrichtung um den gleichen oder annähernd gleichen Winkel gegL-neinanoer zu verdrehen, um den je ein Haupt- und ein Hilfspol des Stators in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind. Durch diese Versetzung der Magnetachsen der Dauermagnete ergibt sich eine solche magnetische Felcverteilung des Rotors in Umfangsrichtung, daß das von den Dauermagneten ausgeübte K!ebemoment erheblich verkleinert und auch deren Streufluß vermindert wird. Diese Verminderung der schwächenden Wirkung der Dauermagnete ergibt im oberen Frequenzbereich bei hohen Drehzahlen des Motors die gewünschte Anteilsverbesserung am synchronen Drehmoment vom Hystereseteil des Rotors und auch ein eventuell notwendiges ausreichendes asynchrones Anzugsmoment.

Die Anlauf- und Schaltrichtung des Motors kann durch eine eine Vorzugsrichlung bewirkende Gestaltung der Statorpolschuhe, und zwar in bekannter Weise durch deren einseitige Verlängerung in Drehrichtung, zusätzlich gesichert werden. Darüber hinaus ist es zur Erzielung eines kompakten Motoraufbaus zweckmäßig, die Statorwicklung als Ringspule auszubilden.

Der Drehmomentverla'jf und der Aufbau des Motors nach der Erfindung sei anhand der Zeichnung eines Ausfühningsbeispiels näher erläutert. Diese zeigt in

Fig.) ein Momentdiagramm,

Fig.2 an einem Achsenschnitt schematisch den Aufbau des Motors und

F i g. 3 eine Ansicht einer Kurzschlußwicklung.

Im Diagramm der Fig. 1 ist der Momentverlauf in den drei die Betriebsarten des Motors unterscheidenden Bereichen in Abhängigkeit von der Frequenz der Speisespannung bzw. der Drehzahl des diese beispielsweise geschwindigkeitsabhängig erzeugenden Frequenzgenerators dargestellt. Im Bereich / arbeitet der Motor im Schrittbetrieb, und der Bereich // kennzeichnet den kritischen Frequenzbereich, in welchem der Übergang vom Schrittbetrieb in den mit /// bezeichneten Bereich des Synchronbetriebes stattfindet. Während die Kennlinie a den Verlauf des Gesamtmoments des Motors zeigt, gibt die Linie b den Verlauf des asynchronen, vom Hystereseteil des Rotors und die Linie c den Verlauf des synchronen, von den Dauermagneten auf dem Rotor herrü^h.-;nden Moments wieder. Die Kennlinie dzeigt zum Vergleich den Verlauf des Asynchronmomentes eines Spaltpol-Hysteresemotors ohne die Maßnahmen nach der Erfindung und ohne Dauermagnete auf dem Rotor. Es ist erkennbar, dab ein solcher Motor für den Schrittbetrieb ungeeignet ist.

Für den Anlauf des Motors im Schrittbetrieb (Bereich I) ist zunächst ausschließlich das Synchronmoment c' des Dauermagnetteiles wirksam. Bei einer Frequenz der Speisespannung von etwa 2 bis 3 Hz bricht dieses Moment praktisch zusammen — es pendelt im kritischen Bereich //Undefiniert zwischen positiven und negativen Werten — und tritt am Ende des Bereiches // als Synchronmoment mit einem Verlauf nach der Kennlinie c für den Dauerlauf des Motors wieder auf. Die Lücke im kritischen Frequenzbereich //, dem Übergang vom Schrittbetrieb in den Synchronbetrieb, wird nach der Erfindung durch die Verschiebung der asynchronen Kennlinie 6 nach dem untersten Frequenzbereich zu ausgefüllt. Das nun in diesem Bereich bereits wirksame, vom Hystereseteil des Rotors herrührende asyn hrone Drehmoment ist ausreichend groß, um ein Außertrittfallen des Motors am Ende des Schrittbereiches / zu verhindern, den Übergangsbereich // im asynchronen Lauf zu überbrücken und einen schnellen Übergang in den Synchronbetrieb (Bereich III) sicherzustellen.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Motors nach der Erfindung an einem Achsenschnitt durch die Hilfspole. Der Wickelkörper 1 mit Ringspulenwicklung 2 ist von einer Polblechschale 3 und einem Deckelteil 4 allseits umschlossen. Aus dem Boden der Schale 3 und dem Deckel 4 sind die Statorpole ausgestanzt und auf die innrrr Zylinderfläche des Stators umgebogen. Von den Polen sind in der Schnittzeichnung nur die Hilfspole 5 sichtbar. In Lagerbüchsen 6 im Boden 3 und Deckel 4 ist der Rotor mit seiner Welle 7 gelagert. Die Welle 7 trägt einen elektrisch nichtleitenden Kernteil 8, auf welchem in der Mine ein Ring aus Hysteresewerkstoff 9 und zu dessen beiden Seiten Dauermagneiringe 10 festsitzend angeordnet sind.

Auf den Hilfspolen 5 ist die KurzschlußwicklLng in Form von je zwei Kupferscheiben 11 aufgeschoben. Fig. 3 zeigt eine Ansicht dieser Kurzschlußscheiben, und man erkennt, daß der wirksame Querschnitt der gesamten Kurzschlußwicklung im gezeichneten Beispiel größer ist als der Eisenkernquerschnitt der Hilfspole 5. In Fig. 3 sind gestrichelt ein Hilfspol 5 und der dazugehörige, sonst nicht gezeigte Hauptpol 12 angedeutet, der in einem Sektorausschritt der Kurz-

schlußscheibe 11 liegt. Etwa um den gleichen Winkel, um den je ein Haupt- und ein Hilfspol des Stators in Umfangsrichtung versetzt sind, sind die Magnetisierungsachsen der beiden Dauermagnetringe 10 gegeneinander verdreht. Die F-'orm der Scheiben 11 dient der s Schaffung von Nebenschlußwegen für die Kurzschlußströme und der besseren Ableitung der in den Scheiben entstehenden Wärme.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einphasenmotor nach Art eines Spaltpol-Hysteresemotors für die Geschwindigkeits- und Wegstreckenmessung bei Fahrzeugen, dessen gespaltene Statorpole aus je einem Hauptpol und einem um einen bestimmten Winkel in Umfangsrichtung versetzten, eine Kurzschlußwicklung tragenden Hilfspol bestehen und dessen Rotor aus radial magnetisierten, scheiben- oder ringförmigen, zur Erzeugung des Hauptanteiles des Synchrondrehmoments dienenden Dauermagneten und einem scheiben- oder ringförmigen, im wesentlichen zur Erzeugung eines asynchronen Moments dienenden Element aus einem magnetisierbaren Werkstoff mit ausgeprägter Hysterese zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Speisung des Motors mit veränderlicher Frequenz eines Frequenzgebers der stromleitende Querschnitt der auf den Hilfspolen (5) angeordneten Kurzschlußwicklung (11) größer als der Querschnitt des Eisenkerns der Hilfspole (5) bemessen ist, dargestellt, daß das Maximum des Asynchronmomentes in dem oder in der Nähe des Frequenzbereiches liegt, in dem sowohl der Übergang vom Schritt- in den Synchronbetrieb stattfindet als auch das Synchronmoment sein Minimum aufweist.

2. Einphasenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnr.t, daß mindestens zwei in Achsrichtung getrennt angeordnete Dauermagnete (10) auf dem Rotor vorgesehen und deren Magnetisierungsachsen in Umfangsrichtung um den gleichen oder annähernd gleichen Winkel gegeneinander verdreht sind, um den je ein Haupt- und ein Hilfspol (12; 5) des Stators in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind.