DE2026729A1

DE2026729A1 - Elektromotor

Info

Publication number: DE2026729A1
Application number: DE19702026729
Authority: DE
Inventors: James Clark Santa Ana Calif. Nailen (V.St.A.)
Original assignee: ALUMINA FERRITE CORP
Current assignee: ALUMINA FERRITE CORP
Priority date: 1970-03-09
Filing date: 1970-06-01
Publication date: 1971-09-30
Also published as: NL7008268A; FR2050029A5; US3707638A; CH526221A; BE751517A; GB1275326A

Description

Alumina Ferrite Corporation of America, Chatsworth,

Calif./USA

Elektromotor

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einander zugeordnetem 'Ständer und Läufer mit magnetischen Kernen, welche eine Mehrzahl Pole aufweisen, die zur Übertragung von Drehmoment auf den Läufer* einander gegenüber angeordnet sind. In der Vergangenheit wurden Ferrite allgemein weder als Magnetpole im Läufer noch im Ständer von Elektromotoren verwendet. Dies ist zum Teil auf die große Härte von Gerriten zurückzuführen, wodurch sich eine schwierige Bearbeitung ergibt ο Der Hauptgrund hierfür dürfte jedoch darin liegen, daü Ferrite eine wesentlich geringere Flußdichte aufweisen und so schwächere Magnete als Stahl oder verschiedene Legierungen ergeben, welche zur Verwendung als

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SAD ORiQiNAL

Pole in Elektromotoren durch übliche Verfahren wie Stanzen, Formen, Bohren und normale Maschinenschneidvorgänge leicht herstellbar sind.

Trotzdem haben Ferrite einige einzigartige Eigenschaften, welche sie in mancher Hinsicht weit wünschenswerter als Stähle oder andere übliche Materialien zur Verwendung als Pol- oder Kernteile in Elektromotoren erscheinen lassen. Diese Eigenschaften sind infolge der genannten Nachteile von ψ Ferriten in der Fachwelt weitgehend übersehen worden j Wenn diese Eigenschaften richtig ausgenützt werden, lassen sich durch die Verwendung von Ferriten in Elektromotoren große Verbesserungen erreichen in bezug auf Eignung für hohe Drehzahlen, Wirkungsgrad, Langlebigkeit, Verwendbarkeit in explosiven und anderen Atmosphären, in welchen Elektromotoren normalerweise nicht verwendet werden können, auf Schrittschaltefähigkeit und anderweitig. . '

Diese einzigartigen Eigenschaften von Ferriten, welche so überraschend vorteilhaft in Elektromotoren ausgenutzt werden können, umfassen:

(1) wesentlich höhere Koerzitivkraft in einigen Ferriten als bei den besten üblicherweise verwendeten Magnetmaterialien wie Alnico-Verbindungen, wobei die Ferrite den Permanentmagnetisraus über eine viel längere Zeitdauer ohne' Verringerung der magnetischen Kraft durch extreme Temperaturen, Schwingungen oder Stöße halten;

(2) hoher spezifischer Widerstand von Ferriten vergleichen mit üblichen elektromagnetischen Kern- und Polmaterialien, , welche allgemein aus weichen Stählen sind, wodurch eine große Verringerung der Wirbelstromverluste,

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welche einen Haupts torf ak-tor bei den üblichen Elektromotoren bilden, zu erreichen ist;

(3) niedrige Koerzitivkraft einiger Ferrite , mit entsprechender Verringerung der erforderlichen Kraft zur Erzeugung -oder Umkehr eines magnetischen Flusses; und

(4) große Variationsbreite der physikalischen und magnetischen Eigenschaften zur Verfügung stehender Ferrite, welche eirE optimale Materialauswahl für ^den Anwendungs fall ermöglichen.'Weitere Eigenschaften von Ferri.ten, welche bei der Verwendung in einem Elektromotor entsprechend der Erfindung Vorteile ergeben, werden aus dem folgenden zu ersehen sein.

Der· Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung von Ferriten einen Elektromotor zu schaffen, welcher einen sehr guten Wirkungsgrad aufweist und insbesondere für hohe Drehzahlen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindunf;sgemäß dadurch gelöst, daß der Kern des Ständers oder Läufers aus einem Ferritmaterial niedriger Koerzitivkraft mit Wicklungen auf den Polen aufgebaut ist und der Kern des Läufers bzw. Ständers eine hohe Koerzitivkraft aufweist und permanentmagnetisch ist, und daß eine Einrichtung zur Versorgung der Wicklungen mit elektrischen Impulsen wechselnder Polarität mit den Wicklungen verbunden ist.

Zweckmäßig wird der erfindungsgemäße Elektromotor mit einem Ferrit niedriger Koerzitivkraft für Kern und Pole des Ständers ausgeführt, wodurch der Vorteil hohen spezifischen Widerstandes des Ferritmaterials zur Verringerung der Wirbelstromverluste und so zur weitgehenden Verbesserung der Eigen-

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schäften bei hohen-Drehzahlen und des Wirkungsgrades ausgenützt wird. Gleichzeitig wird der-Aufbau durch den Wegfall der Notwendigkeit des Blechens vereinfacht, und die niedrige Koerzitivkraft im Ferrit des Ständers tragt durch Verringerung der erforderlichen Energie für die Umkehr des magnetischen Flusses in den Polen zu den verbesserten Eigenschaften bei hohen Drehzahlen bei.

Weiter wird durch die Erfindung ein Elektromotor zur ^ Verfügung gestellt, bei welchem durch die Verwendung von Ferritmaterialien zusammen mit optischer Kommutierung bei vollständige!· Abweichung von der üblichen Praxis beim Bau von Elektromotoren eine weite Vielzahl von neuen Anwendungsgebieten für Elektromotoren geschaffen wird und sich überraschende neue Ergebnisse und Vorteile auf dem Gebiet der Elektromotoren ergeben. Während einige der Vorteile und neuen und verbesserten Anwendungen der Erfindung hier dargestellt sind, verstellt es sich, daß noch weitere andere auftreten und durch den technischen Fortschritt auf verschiedenen Gebieten verfügbar sein werden. Weiterbildungen der Erfindung und zweckmäßige Ausführunpjsformen ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.

Ausführbungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung in Einzelheiten des Aufbaus und der Schaltung dargestellt und werden im folgenden auch im Zusammenhang mit der Betriebsweise näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines zusammengebauten erfindungsgemäßen Elektromotors,

Fig. 2 einen senkrechten Querschnitt längs der Linie. 2-2 in Fig. 1 zur Darstellung ..der Anordnung des Läufers zum .Ständer, . : . ■

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Pig. 3 einen senkrechten, axialen Längsschnitt längs der Linie 3-3 in Pig. 2 mit einigen Teilen in Ansicht zur Darstellung des Lichtkommutators und ebenso der Anordnung von Ständer zu Läufer, ·

Pig, 4 einen senkrechten Querschnitt längs der Linie 4-4 in Pig. 3 zur weiteren Darstellung des Lichtkommutators ,

Pig. 5 eine Vorderansicht des zusammengebauten Motors nach Pig. 1,

Pig. 6 eine elektronische Schaltanordnung zur Steuerung der Ständerwicklungen durch elektrische Impulse, welche entweder fotoelektrisch durch den Lichtkommutator erzeugt oder von einer externen Quelle in den Kreis eingeführt werden, und

Pig. 7 eine Anordnung ähnlich Pig. 6 zur Darstellung einer anderen Schaltungsanordnung.

In Fig. 1 bis 5 der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Motor 10 mit einem Grundrahmen 12 und einem auf diesem befestigten zylindrischen Gehäuse 14 dargestellt. Am Gehäuse 14· sind ein vorderes und ein hinteres Lagerschild 16 bzw. 18 befestigt,

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Im Gehäuse 14- zwischen den Lagerschildern 1G und 18 ist der allgemein mit 20 bezeichnete Ständer befestigt, welcher einen ringzylinderförmigen Körpei\22 als Joch und eineMehrzahl regelmäßig angeordneter, radial nach innen ragender Pole 24- aufweist, und zwar sechs Pole im'gezeigten Ausführungsbeispiel. Jeder der Pole 24 trägt eine entsprechende Wicklung 26. In der Erfindung ist der Ständer, welcher den Köripr 22,

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die Pole 24 und dieWicklungen 26 umfaßt, der Teil des Motors,

in welchem die drehenden magnetischen Felder für die Antriebskräfte des Motors erzeugt werden.

Der Körper 22 und die Pole 24 des Ständers 20 sind aus e'inem Ferrit mit niedriger Koerzitivkraft und vorzugsweise höchstmöglicher Flußdichte, z.B. "Indox II" von Indiana General, "Ceramic Nr. 5" von Arnold Engineering oder ähnlichen Ferritwerkstoffen aufgebaut. Geeignete Ferrite sind Barium-, Strontium und Lithiumferrate, sie sind jedoch nicht

P hierauf beschränkt. Der spezifische Widerstand von in dem Ständer verwendeten Ferriten wird in der Größenordnung von 20 oder mehr mal dem spezifischen Widerstand typischer Dynamobleche liegen, welche für geblechte Ständer verwendet werden, wodurch das Auftreten von Wirbelströmen selbst ohne Blechen auf einen Minimalwert verringert wird. Der Ständer aus Ferrit muß daher nicht geblecht werden, was seine Herstellung wesentlich vereinfacht. Die niedrigen Wirbelstromverluste infolge des hohen spezifischen Widerstands und der kristallinen Struktur des Ferrits haben ^um Ergebnis, daß eine der Hauptbegrenzungen für Drehzahl und Wirkungsgrad bei üblichen Elektromotoren nicht auftritt. Es

Il wird angenommen, daß die niedrige Koerzitivkraft des in dem Ständer verwendeten Ferritmaterials ein Ergebnis der Reinheit der SpineIstruktur und in einigen Fällen·des Fehlens von Magnetostriktion ist, wodurch der magnetische Fluß leichter umkehrbar ist, und was ebenfalls zu einem Motor mit höherem Wirkungsgrad und höherer Drehzahl beiträgt.

Die Vermeidung eines geblechten Ständeraufbaus vereinfacht nicht nur die Herstellung, sondern hat. auch andere wichtige Vorteile, z.B, das Fehlen von hörbaren Geräuschen und Schwingungen, welche nor¹ malerweise durch einen geblechten

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Ständeravubau hervorgerufen werden, die Fähigkeit im Vakuum , au arbeiten, was infolge des in den organischen Stoffen zwischen den Blechen eingeschlossenen hohen Dampfdrucks schwierig ist, die Fähigkeit, in exLer abgeschlossenen Umgebung ohne Abbröckeln von Oxyd oder Isol .tion zu arbeiten, was bei geblechten Materialien auftritt, usw. Ein zusätzlicher Vorteil bei der Vermeidung des geblechten Feldaufbaus ist eine verbesserte Stabilität des berechneten Flußfeldes, da es sich nicht infoige loser Schichtung oder von Nieten verschieben kann oder umorientiert wird. Dies kann wichtig sein für die Genauigkeit bei Schrittscaaltungen und Servomotoren, wofür die Erfindung besonders geeignet ist.

Der Ferritständer muß nicht aus einem einzigen Stück hergestellt werden. Er kann auch aus einer Vielzahl von axial ausgerichteten Blöcken, welche wesentlich dicker als die üblichen Bleche sind, zusammengebaut werden, oder er kann aus einem getrennten ringförmigen Körper 22 und getrennten ^olen 24 hergestellt werden, welche in den Körper eingesetzt sind, ohne daß nennenswerte Verschlechterungen der magnetischen Eigenschaften auftreten.

Ein weiterer Vorteil des hohen spezifischen Widerstandes im Ferritständer ist der, daß Ferrit für alle praktischen 2Wecke nichtleitend ist, und daß so die Erdschlußprobleme wie bei üblichen Materialien nicht auftreten. So kann der normalerweise von den Wicklungshaltern ausgefüllte Raum durch zusätzliches Tragmaterial ohne die Gefahr von Kurzschlüssen gefüllt werden, um größeres Moment und einen besseren Wirkungsgrad zu erhalten. Wenn die üblichen Wicklungshalter so entfallen, ist es zweckmäßig, die Kanten der Pole abzurunden, so daß sie nicht die Isolation der Wicklung verletzen.

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Der Läufer ist allgemein mit 2i> bezeichnet und besteht aus einem zentralen Kern mit einer Mehrzahl von regelmäßig angeordneten Polen 30? welche vom Kern radial nach außen ragen. Eine Welle 32 erstreckt sich durch die Mittelachse des Läufers 28, und der Kern- und Polaufbau ist zur Übertragung von Drehmoment auf die WaLIe mit dieser verbunden. Vorzugsweise ist der Läufer 28 mit Epoxyharz 34 vergossen, um seinen magnetischen Teil auf der Welle zu sichern und die Schlitze zwischen benachbarten Polen 30 auszufüllen und hierdurch dem Läufer eine geschlossene zylindrische Form zu geben. Dies verringert die Luftreibungsverluste, was bei hohen Drehzahlen wichtig sein kann, und ergibt im Falle eines Ferritläufermagneten zusätzliche·erwünschte Festigkeit der Pole gegen Zentrifugalkräfte.

Die Welle 32 des Läufers ist in geeigneten Kugellagerschalen 36 in den entsprechenden Lagerschildern 16 und.18 gelagert und hat ein vorderes Wellenende 38, welches durch einen Staubdeckel 40 am vorderen Lagerschild 16 ragt und einen Wellenstumpf für die Leistungsabnahme bildet. Ein hinteres Wellenende 42 der Welle 32 ragt über das hintere Lagerschild 18 hinaus und wird wie im folgenden im einzelnen beschrieben mit einem Lichtkommutator verwendet.

Der Läufer 28 ist ein Permanentmagnet, und in Anlagen, in welchen maximale Momente oder Drehzahlen erwünscht sind, wird als Permanentmagnetmaterial vorzugsweise Alnico V verwendet, während für Sonderausführungen Alnico VI und Alnico VIII brauchbar sind. Derartige Materialien werden von Arnold Engineering hergestellt. Wenn jedoch eine lange magnetische Lebensdauer, Widerstandsfähigkeit gegen extreme Temperaturen, Schwingungen, Schläge und dergleichen wichtiger als die Erzielung maximalen Drehmoments oder maximaler Drehzahl sind, werden für den Rotor 28 vorzugsweise ferritische Perraanent-

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magnete verwendet. Vorzugsweise wird für diesen Zweck ein Kobaltferritmaterial verwendet. Das Ferritmaterial für Permanentmagneten hat eine sehr hohe Koerzitivkraft, und diese hohe Koerzitivkraft macht es allgemein unejnpfindlich gegen Zeit, Temperatur, Schläge, Schwingungen und ebenso gegen äußere magnetische Felder.

Der Läufer 28, welcher in der Zeichnung dargestellt ist, hat sechs Pole 30 > wodurch jeweils benachbarte Pole abwechselnd als Word- und Südpole polarisiert sein können, und wodurch sich weiter ergibt, daß einander diametral gegenüberliegende Paare von Polen entgegengesetzt polarisiert sind. Sechs Pole oder ganze Vielfache hiervon stellen die einzigen geometrischen Konfigurationen dar, welche entgegengesetzte Polarität sowohl benachbarter als auch diametral gegenüberliegender Pole ergeben. Auf diese Weise und mit einer entsprechenden Anzahl von Polen 24 im Ständer werden alle Pole ein Antriebsmoment erzeugen, während die Ständerpole sechsmal pro Umdrehung umgeschaltet werden, worauf sich ein beträchtlich höheres Drehmoment als bei der üblichen dreipoligen Ausführung ergibt. Dieses durch die Konfiguration mit sechs Polen oder Vielfachen hiervon hervorgerufene zusätzliche Drehmoment wird zumindest teilweise die verringerte Flußdichte durch die Verwendung von Ferritmaterialien bei relativ niedrigen Drehzahlen kompensieren. Bei hohen Drehzahlen ergibt der Wirkungsgrad des Ferritmaterials im Ständer wie oben im einzelnen beschrieben, mehr als eine Kompensation der niedrigeren Flußdichte.

Wenn keine Schrittschaltung erfolgen soll, können ungerade Polzahlen, z.B. 5, 7 oder ⁽-j Pole oder abgeschrägte Pole verwendet werden, um den Anlauf zu

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Es ist zu erkennen, daß der in der Zeichnung dargestellte Läufer 28 relativ lang und schmal ist.. Läufer dieser Art werden vorzugsweise für Anwendungsfälle mit geringer Trägheit wie für Servo-, Steuer-, Schrittschalt- und Lageregelungsmotoren verwendet. Läufer mit großen Durchmessern warden vorzugsweise dort verwendet, wo maximales Drehmoment oder hohes Trägheitsmoment oder beides erwünscht ist, wie z.B. bei Byroskopen.

Am hinteren Wellenende h-2 der Welle 32 des Läufers ist ein Zerhacker oder Lichtkommutator 44 befestigt, welcher als Lichtventil oder -tor dient, das einem Paar Fotozellen abwechselnd Lichtstöße zuführt. Der Lichtkommutator 44 weist drei regelmäßig angeordnete Zylindersegmente 46 koaxial zur Welle 32 mit dazwischenliegenden regelmäßig angeordneten Schlitzen 48 auf. Der Lichtkommutator befindet sich in einem hinteren Gehäusedeckel 50, welcher sich vorn hinteren Lagerschild 18 in Weiterführung des Gehäuses 14 des Motors ausdehnt. Ein hinterer Endteil des GehäusedeckeIs 50 ist offen und seinerseits durch eir.en hinteren Gehäuseteil 52 des Grundrahmens abgedeckt, welcher über die Höhe der Achse der Welle nach oben ragt. Auf der Innenseite des hinteren Gehäuseteils 5² des Grundrahmens ist eint Lampenbefestigung 5^ angebracht, in welcher eine Lampe 56 für standige Beleuchtung während des Betriebs des i'Iotors befestigt ist. Die Lampe kann von beliebiger üblicher Art sein, z.B. tine Glühlampe oder eine Galliumarsenidlarape..,.

Eine Kommutatorplatte 58 ist parallel und eng anschließend an die obere Hälfte des hinteren Lagers childs 18-innerhalb des Gehausedeckels ¹JO am hinteren Lagerschild 18 angebracht und trägt ein paar Fotozellen 00. Die Foto-. zbl'h:n 60 sind diametral gegenüber und radial gerade außer-]"!;.■■ Jb si-.·: ,·'. rhack-iX'c oder Li oh t körnen^f ■:-■.'-;ors ^4 angeordnet _o

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Die Lampe 5b ist axial rait der Welle 32 und quer zu den Fotozellen 60 ausgerichtet. Die Komrautatorplatte 58 weist auseinanderliegendeBogenschlitze b2 auf, welche in Verbindung mit entsprechenden aus dem hinteren Lagerschild 18 herausragenden Zapfen 64 stehen, um eine Dreh- oder Winkeleinstellung der Fotozelle 60 relativ zum Ständer 20 des Motors vornehmen zu können, damit der Kommutator auf optimalen Betrieb eingestellt werden und weiter die Drehrichtung des Läufers 28 umgedreht werden kann. Mit der Kommutatorplatte 58 ist ein durch einen Schlitz im hinteren Gehäusedeckel 50 ragender Einstellarm 66 verbunden, um die Winkeleinstellung der Kommutatorplatte 58 au erleichtern.

Die Fotozellen 60 sind vorzugsweise Siliziumzellen, welche eine sehr geringe Schaltzeit in der Größenordnung von ein bis zwei MikroSekunden aufweisen, um einen Motorbe trieb mit hohem Wirkungsgrad und hoher Drehzahl erreichen zu können. Wahlweise können auch Selenzellen verwendet werden, obwohl diese eine viel größere Schaltzeit bis in der Größenordnung von etwa 1/2 Millisekunden aufweisen.

Zur scharfen und genauen Kommutierung kann eine Lampe 56 verwendet werden, welche im wesentlichen eine punktförmige Lichtquelle aufweist. Die Zeitdauer der Lichtimpulse von der Liampe 56 zu jeder der Fotozellen 60 ist bestimmt durch die Größe de.s Bogens jedes der Schlitze 48 des Kommutators, und kann nach Wunsch geändert werden. Mit einem wie in der Zeichnung dargestellten Kommutator mit drei Schlitten, einer einzigen Lampe 56 mit diametral gegenüberliegenden Fotozellen 6u und mit Zylindersegmenten 46 des Kommutators, welche sich im wesentlichen über 60° erstrecken, während die dazwischen liegenden Schlitze 48 des Kommutators ebenfalls über im wesentlichen 60° verlaufen, wird den Fotozellen 60 abwechselnd Licht von der Lampe 56 zugti\hrt, wobei jede Fotozelle pro Umdrehung des Zorhackers

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oder Lichtkommutators 44 drei mal Licht erhält. Die Fotozellen 60 betreiben komplementäre elektronische Kreise, Vielehe ihrerseits den Feldwicklungen 26 elektrische Energie zuführen, so daß die abwechselnde Lichtzufuhr zu den Fotozellen 60 entsprechende Polaritätsumkehr der Feldwicklungen 26 bewirkt. Auf diese Weise werden die Feldwicklungspolaritäten sechsmal je Umdrehung des Läufers 28 umgekehrt.

In der in Fig. 1 bis 5 dargestellten praktischen Ausführungsform der Erfindung ist diese elektronische Schaltung zweckmäßig auf einer gedruckten Schaltungsplatte 68 innerhalb des hohlen Grundrahmens 12 des Motors untergebracht.

Fig. 6 zeigt ein Schaltbild zur Darstellung einer Art von Schaltkreis, wie sie zum Schalten der elektrischen Energie der Feldspulen für abwechselnde Polaritätsumkehr im Ansprechen auf abwechselnde Lichtzufuhr zu den Fotozellen 60 verwendet werden kann. Dabei ist die Schaltung der Feldspulen richtig mit der Läuferlage so synchronisiert, daß eine Drehung geeigneter Größe und Richtung erzeugt wird. In Fig. 6 ist jeweils eine Seite der Fotozellen 60 mit einer gemeinsamen Erdleitung verbunden, während die anderen Seiten der Fotozellen entsprechende vorverstärkende Transistoren 7Ü und 72 vorspannen, die ihrerseits mit entsprechenden steuerverstärkenden Transistoren 7^ und 76 verbunden sind, welche, entsprochende Leistungstransistoren 78 und 80 steuern. Durch eine geeignete Spannungsquelle 82 wird dem Kreis über einen Schalter 84 elektrische Energie zugeführt. Die Ausgänge der Leistungstransistoren 78 und 80 sind mit gegenüberliegenden Enden eines Spartr.ansformators 86 mit Mittelabgriff derart verbunden, daß der eine oder der andere der Leistungstransistoren 78 und 80 leitend sein wird und. der Ausgang des Spartransformators 86 zu den Wicklungen 26 des

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Motors entgegengesetzte Polaritäten für die entsprechenden leitenden Zustände der Leistungstransistoren 78 und 80 aufweisen wird. Unter der Annahme, daß der Zerhacker oder Lichtkommutator 44 eine Beleuchtung der oberen der zwei Fotozellen 60 in Fig. 6 zuläßt, fällt deren Widerstand und der Transistor 70 wird eingeschaltet. Hierdurch werden die Transistoren 74 und 78 gesättigt, wodurch die Kollektorspannung des Transistors 7& sinkt, und durch die transformierende Wirkung des Spartransformators 86 wird der Kollektor des Transistors 80 in der Spannung angehoben. Unter der Annahme, daß die Spannungsquelle 82 24 Volt Gleichspannung aufweist, wird die Spannungsdifferenz zwischen dem Kollektor des Transistors 80 und dem Kollektor des Transistors etwa 22 Volt betragen. Da die zu den Feldspulen bzw. den Wicklungen 26 führenden Leitungen an dem Spartransformator 86 und somit an den Kollektoren der Transistoren 78 und 80 angeschlossen sind, werden der Feldwicklung des Motors etwa 22 Volt in geeigneter -^hase zum Antrieb des Läufers 28 zugeführt.

Unter der Annahme, daß die untere Fotozelle 60 in Fig. 6 beleuchtet wird, fällt deren Widerstand und der Transistor 72 schaltet tein, wodurch die Transistoren 76 und 80 gesättigt und die Spannung am Kollektor des Transistors 80 gesenkt, sowie die Kollektirspannung des Transistors 78 angehoben wird, wodurch den Feldwicklungen 26 in dem beschriebenen Beispiel etwa 22 Volt entgegengesetzter Polarität zugeführt werden. Während die Feldwicklungen im gezeigten Beispiel ihr Synchronisiersignal von komplementären Fotozellenvorverstärkern erhalten, versteht es sich, daß das Synchronisiersignal für die Feldwicklungen wahlweise auch durch ein wechselndes Triggersignal von einer

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beliebigen Quelle, wie z.B. von einem Pufferspeicherband, von einem Servoantrieb, einem Computerausgang oder dgl. zugeführt werden kann. Nach Wunsch können dann komplementäre Schaltkreise ähnlich den in Fig. 6 gezeigten verwendet werden, um die Feldpulen als Folge von derartigen exterrien Synchronisiersignalen zu steuern. Es ist klar, daß Motoren entsprechend der Erfindung besonders geeignet sind, in Abhängigkeit von unabhängig veränderlichen (Haupt-) oder abhängig veränderlichen (Neben-) zueinander in Gleichlauf geschaltetenMotoren betrieben werden können, was in Ölfeld- und chemischen Verfahrenssystemen, beim Positionieren von Werkzeugmaschinen, Leitwerken und Flügeln .und bei Na.yigationssystemen wünschenswert ist. Ein Motor dieser Art kann sehr leicht in Abhängigkeit von einem anderen Motor dieser Art dadurch betrieben werden, daß einfach ein Teil der Ausgänge eines komplementären Paars von Transistoren im Feldschaltkreis des einen Motors den Eingängen eines komplementären Paars von Transistoren im FeIdschaltfereis des anderen Motors zugeführt wird.

Vorzugsweise wird, wie in Fig. 6 gezeigt, jeweils eine Seite der Fotozellen mit Erde verbunden, da dies elektrostatische Störungen verringert, was bei Anwendungen im Flugzeugbau wichtig sein kann. Die Verwendung des Spartransformators 86 in dem in Fig. 6 gezeigten Kreis ergibt ausgezeichnete Betriebseigenschaften des Motors im mittleren Drehzahl- oder Frequenzbereich. Für sehr geringere Drehzahlen oder Frequenzen neigt der Spartransformator 8b jedoch zur Sättigung, und für sehr hohe Drehzahlen oder Frequenzen kann die Induktivität des Spartransformators 86 den Wirkungsgrad verringern. Entsprechend kann zur Verwendung von Motoren, welche gute Betriebseigenschaften entweder bei niedrigen oder hohen oder bei beiden Frequenzen aufweisen sollen,

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ein modifizierter komplementärer Schaltkreis wie in Fig. 7 ' dargestellt zurSteuerung der Feldwicklungen verwendet werden. In dem Schaltkreis nach Fig. 7 wird ein Brückennetzwerk mit Transistoren anstelle des Spartransformators verwendet. Sonst ist die komplementäre Verstärkerkreisanordnung in Fig. 7 sehr ähnlich der in Fig. O dargestellten. Wenn so die obere Fotozelle 60 in Fig. 7 beleuchtet wird, bewirkt sie die Sättigung von Transistoren 88 und 92, während bei Beleuchtung der unteren Fotozelle 60 in Fig. 7 eine Sättigung von Transistoren 90 und 9¹+ erfolgt. Die Brücke 96 aus vier Transistoren wird entsprechend aufeinanderfolgende elektrische Energieimpulse entgegengesetzter Polarität an die Feldwicklungen 26 angeben. Eine Gleichspannungsquelle 98 und ein Schalter 100 sorgen für die ■Energieversorgung des Kreises.

Die Motorfeldspulen bzw. Wicklungen 26 sind in Fig. und 7 in Reihe geschaltet gezeigt. Dies ergibt die beste Anpassung der Kreisimpedanz bei niedrigen und mittleren Drehzahlen z.-ö. bis zum Bereich von etwa 5000 bis etwa 10 000 U/min, Oberhalb dieser Drehzahlen wird die Stromnacheilung infolge der Streuinduktivität ein zunehmend wichtiger Faktor. Entsprechend werden für den Betrieb bei relativ hohen Drehzahlen, z.B. bei Drehzahlen in der Größenordnung von etwa 10 000 bis etwa 100 000 U/min die Feldspulen bzw. die Wicklungen 26 vorzugsweise parallel geschaltet, wodurch sich eine Verringerung der Induktivität im Quadrat der Anzahl von Spulen, oder bei sechs Spulen um einen Faktor 36:1 ergibt. Entsprechend werden die Spulen bei relativ niedrigen Drehzahlen in Reihe und bei relativ hohen Drehzahlen parallel geschaltet, und falls gewünscht, kann ein automatischer Schalter in den Motor mit Hilfe von Zentrifugal- oder anderen geeigneten Einrichtungen zum automatischen Durchführen dieser Schaltung entsprechend der Motorgeschwindigkeit eingebaut werden.

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Bei einem entsprechend der Erfindung aufgebauten Versuchsmotor hat es sich gezeigt, daß die optische Kommutierung einen sehr guten Wirkungsgrad, in der Größenordnung zwischen 90 und 96 % aufweist, und es wurde weiter beobachtet, daß dieser Wirkungsgrad etwas mit zunehmender Motordrehzahl zunimmt.

Zusätzlich zu dem einzigartigen Zusammenwirken der reibungslosen elektronischen Impulserzeugung mit dem Ferritständerkern zur Erzielung verbesserter Schnellaufeigenschaften und verbesserten Wirkungsgrades, und mit dem Poiaufbau mit sechs i^Jolen oder einem Vielfachen hiervon zur Erzielung von Schrittschaltfähigkeiten, hat die optische Kommutierung bei dem Motor eine Anzahl weiterer wichtiger Vorteile. So ist die Betriebslebensdauer für alle praktisch vorkommenden Fälle unbegrenzt, da keine sich abnutzenden Flächen vorhanden sind. Bei der optischen Kommutierung tritt keinerlei Reibung auf, und dies ist ein wichtiger Faktor bei den hohen Drehzahlen, welche der Motor erreichen kann. Es tritt kein hörbares Geräusch oder Bürstenpfeifen und kein Bürstenspringen ider -rattern infolge abgenutzter Bürsten oder unangelassener Bürstenfedern auf. Ähnlich haben G-kräfte keine ungünstige Wirkung auf den optischen Kommutator vergleichen mit gewöhnlichen Bürsten, welche sich von seinem mechanischen Kommutator unter hohen G-Belastungen abheben können. Die optische Kommutierung erzeugt keine Funken oder Bogen, so daß der Motor in jeder Atmosphäre laufen kann. Die Fähigkeit des Motors, mit sehr hohen Drehzahlen zu laufen, macht den Motor zusammen mit siner Fähigkeit, in einer explosiven Atmosphäre sicher zu laufen, besonders geeignet für Zahnbohrer, wo die Gefahr einer Explosion wegen des Gebrauchs von Äther oder Sauerstoff oder beiden besteht. Die optische Kommutie rung ergibt keine Radio- oder elektromagnetischen Störungen und erübrigt daher schwere und teure Entstörmittel, welche

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üblicherweise bei einigen Anwendungen von Elektromotoren verwendet werden. Die Betriebsweise ändert sich in keiner Weise während der Lebensdauer, und keine Nachstellungen zur Kompensation von Abnutzungen sind erforderlich. Es wird kain Bürstenstaub erzeugt, und daher tritt das Problem von Kommutatorkurzschlüssen nicht auf. Durch den Betrieb des Kommutators wird kein Ozon erzeugt.

Während die Erfindung im Zusammenhang mit einer praktischen und bevorzugten AusfUhrungsform beschrieben worden ist, versteht es sich, daß Abweichungen hiervon innerhalb des Bereichs der Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist, auftreten können.

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Claims

- 18 Patentansprüche

/J.)Elektromotor mit einander zugeordnetem Ständer und Läufer mit magnetischen Kernen, welche eine Mehraahl Pole aufweisen, die zur Übertragung von Drehmoment auf den Läufer einander gegenüber angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern des Ständers (20) oder Läufers (28) aus einem Ferritmaterial niedriger Koerzitivkraft mit Wicklungen (26) auf den Polen (24·) aufgebaut ist und der Kern des Läufers (28) bzw. Ständers (20) eine hohe Koerzitivkraft aufweist und permanentmagnetisch ist, und daß eine Einrichtung zur Versorgung der Wicklungen (26-) mit elektrischen Impulsen wechselnder Polarität mit den Wicklungen (26) verbunden ist.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (20) die Wicklungen (26) auf seinen Polen (24) aufweist und der Läufer (28) den permanentmagnetischen Kern enthält.
3. Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Läuferkern aus Ferritmaterial, vorzugsweise' Kobaltferrit aufgebaut ist.
4. Elektromotor nach Anspruch 2 oder J, dadurch g e k e η nze ichne t, daß der Läuferkern im wesentlichen in Kunststoff eingeschlossen ist.
5. Elektromotor nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß .er sechs Ständerpole (24) oder ein Vielfaches hiervon im wesentlichen regelmäßig auf einem Kreis angeordnet aufweist, und daß auf jedem der Ständerpole (24) eine Wicklung (26) angeordnet ist.

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6. Elektromotor nach Anspruch.51 dadurch gekennzeichnet, daii die Anzahl 4er Läuferpole (30) gleich der Anzahl der Ständerpole (24) ist.
7. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Versorgung mit elektrischen Impulsen komplementäre Verstärkerkreise umfaßt.
8. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Versorgung mit elektrischen Impulsen zur Aufnahme von Impulsen von einer relativ zum Motor externen Quelle eingerichtet ist,
9. Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse von der externen Quelle bchrittschaltimptilse sind.
10. Elektromotor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e. t, daß die Einrichtung zur Versorgung mit elektrischen Impulsen einen Kommutator umfaßt, von welchem zumindest ein Teil zur Versorgung der Ständerwickrungen (26) synchron mit der Läuferbewegung mit dem Läufer (28) fest verbunden ist.
11. Elektromotor nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t, daß der Kommutator sowohl einen Läuferteil als auch einen stationären Teil umfaßt, welche miteinander in mechanisch getrenntem, allgemein reibungslosen Verhältnis funktionell verbunden sind.
12. Elektromotor nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der Kommutator ein Lichtkommutator (44) ist, dessen Läuferteil Lichtpulseinrichtungen (4-6, 48) aufweist, und dessen stationärer Teil mit den Lichtpulseinrichtungen optisch verbunden fotoeluktrische Einrichtungen (60) enthält. · .

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13· Elektromotor nach Anspruch 12, dadurch ge ken n zeichnet, daß der Lichtkommutator (44) eine stationäre Lichtquelle (56) aufweist, und daß die Lichtpulseinrichtungen aus einem Lichtzerhacker (46, .48) bestehen , welcher zwischen der Lichtuqlle (56) und den fotoelektrischen Einrichtungen (60) angeordnet ist.

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