DE2115405B2

DE2115405B2 - Elektrischer synchronmotor

Info

Publication number: DE2115405B2
Application number: DE19712115405
Authority: DE
Inventors: Toyoshi Gifti; Hinachi Matatoyo Nagoya Aichi; Mori (Japan)
Original assignee: KX. Tokai Rika Denki Seisakusho, Aichi (Japan)
Priority date: 1970-04-07
Filing date: 1971-03-30
Publication date: 1977-06-16
Also published as: US3684907A; DE2115405C3; FR2092558A5; GB1349577A; DE2115405A1; JPS5228969B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Synchronmotor mit einem aus einem magnetischen Material bestehenden Gehäuse, einem mit dem Gehäuse magnetisch und mechanisch verbundenen Joch, das einen in Richtung auf die freien Enden der Polschuhe eines Rotors vorspringenden Polring trägt, einer mit dem durch die Polschuhe, das Joch und das Gehäuse gebildeten Magnetkreis verkettete Erregerspule und mit einem mit einem Permanentmagneten versehenen Stator, an dessen Umfang Nord- und Südpole einander abwechselnd verteilt sind, wobei der Rotor den Stator konzentrisch und durch einen Luftspalt von diesem getrennt umfaßt und die Anzahl der Nord- und Südpole ein gerades Vielfaches der Anzahl der Polschuhe ist.

Ein solcher aus der GB-PS 1144 034 bekannter Synchronmotor weist ein Gehäuse und ein mit diesem verbundenes Joch auf, wobei an der Innenmantelfläche des Gehäuses eine ringförmige Erregerspule angeordnet ist. In dem Gehäuse bzw. dem Joch ist eine Welle drehbar gelagert, die einen Rotor aus einem magnetisehen Material trägt, der eine Vielzahl von zu ihren freien Enden hin spitz zulaufenden Polschuhen trägt, die sich parallel zur Welle erstrecken. Dieser Rotor umfaßt konzentrisch einen ringförmigen Permanentmagneten, der Stationär auf dem Joch konzentrisch zu der Welle ^₀ befestigt ist. Der Permanentmagnet weist auf seinem Umfang einander abwechselnd Nord- und Südpole auf, deren Anzahl ein gerades Vielfaches der Zahl der Polschuhe ist. Den freien Enden der Polschuhe benachbart und mit diesen etwa fluchtend ist ein _&5 hervorstehender Polring an dem Joch befestigt bzw. mit diesem einstückig ausgebildet, wodurch der Luftspalt zwischen den freien Enden der Polschuhe und dem benachbarten TeU des Joches verringert wird. Durch diese Verringerung des Luftspaltes wird auch der magnetische Widerstand des die Polschuhe und das Joch, aufweisenden Magnetkreises verringert, wodurch wiederum das Drehmoment und damit auch der Wirkungsgrad des Synchronmotors verbessert wird. Jedoch ist dieser Wirkungsgrad und auch das Betriebsverhalten des bekannten Synchronmotors noch nicht optimal, da das Drehmoment allein zwischen dem Permanentmagneten und dem Rotor auftritt

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Synchronmotor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sein Drehmoment und damit auch sein Wirkungsgrad nochmals gesteigert wird.

Bei einem Synchronmotor der genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Polring aus einzelnen Polen gebildet ist, deren Anzahl gleich der Anzahl der Pole des Stators ist

Durch die Unterteilung des bei dem bekannten Synchronmotor vorgesehenen durchgehenden Polringes ist eine Anzahl von Einzelpolen, die gleich der Anzahl der Pole des Stators bzw. Permanentmagneten ist wrd ein Drehmoment nicht nur zwischen dem Rotor und dem Permanentmagneten wie bei dem bekannten Synchronmotor erreicht, sondern darüber hinaus gleichzeitig auch noch ein Drehmoment zwischen dem Rotor und den hervorstehenden Einzelpolen erreicht Bei dem erfindungsgemäßen Synchronmotor wird also der magnetische Widerstand für den in der Erregerspule erzeugten Magnetfluß zwischen Joch und den einzelnen Polschuhen des Rotors nicht nur vermindert, wie dieses bereits durch den Polring bei dem bekannten Synchronmotor der Fall ist, sondern zusätzlich durch die Ausbildung von Einzelpolen variiert, wodurch ein zusätzliches Drehmoment durch die magnetische Anziehung bzw. Abstoßung zwischen den hervorstehenden Einzelpolen und den Polschuhen des Rotors erzeugt wird.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es

F i g. 1 eine Schnittzeichnung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Synchronmotors,

Fig.2 eine Darstellung des Synchronmotors nach F i g. 1, bei der die Verteilung des Magnetflusses auf den Rotor und Stator angegeben ist,

Fig.3 Vergleichsdiagramme, die die von dem Magnetfluß erzeugten Drehmomente bei Erregen der Spulen eines herkömmlichen und eines erfindungsgemäßen Synchronmotors zeigen,

F i g. 4 bis 4d Diagramme für einen erfindungsgemäßen Synchronmotor in Form eines Schrittmotors und

F i g. 5 ein Vergleichsdiagramm mit den charakteristischen Kurven der Drehmomente eines herkömmlichen und eines erfindungsgemäßen Synchronmotors.

In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel in Form eines Zweiphasen-Schrittmotors dargestellt. Ein Gehäuse 11 dient als Haupt joch. Joche 12 und 13 und ein Zwischenjoch 14 dienen dazu, hintereinander einen magnetischen Kreis aufzubauen. Am Gehäuse 11 sind Erregerspulen 15 und 16 innerhalb von Abschnitten, die durch das Zwischenjoch 14 ecbildet werden, befestigt Eine Nabe 17 aus nichtmagnetischem Material ist an dem Zwischenjoch 14 befestigt. Auf dieser Nabe 17 sitzen Permanentmagnete J8 und 19. Diese weisen jeweils einen Nord- und Südpol auf, die sich am Umfang abwechseln. Die Anzahl der Nord- und Südpole ist ein geradzahliges Vielfaches der Anzahl der erwähnten

Polschuhe. An den Jochen 12 und 13 sind Lager 20, 21 befestigt, die eine Welle 22 aus nichtmagnetischem Material aufnehmen. Auf dieser Welle 22 aus nichtmagnetischem Material sitzen Rotorkörper 23 und 24. Diese Rotorkörper 23 und 24 haben jewtils Polschuhe 25 und 26 aus weichmagnetischem Material, die sich gegen ihre freien Enden verjüngen. Diese Polschuhe 25 und 26 sind so angeordnet, daß ein Phasennachlauf von 90° eines elektrischen Winkels gegeneinander aufrechterhalten wird. Vorstehende Pole 27 und 28, deren Anzahl ein geradzahliges Vielfaches der Anzahl der Polschuhe 25 und 26 ist, sind an die Joche 12,13 und 14 derart angeformt, daß sie entsprechenden Polschuhen 25 und 26 auf den Rotorkörpern 23 und 24 jeweils gegenüberliegen. Auf dem nach außen stehenden Teil ,₅ der Welle 22 befindet sich ein Treibrad oder Ritzel 29.

Arbeitsweise

Bei einer Speisung der Erregerspulen 15 und 16 in der j_n pig.4a bis 4c dargestellten Weise arbeiten die Rotoren 23 und 24 wie es Fig.4d zeigt Anhand von F i g. 2 sei die magnetische Arbeitsweise pro Phase des Synchronmotors im folgenden näher dargestellt.

Wenn die Erregerspule 15 stromlos wird, bleibt der Polschuh 25 zwischen entsprechenden Nord- und Südpolen des Permanentmagneten 18 stehen. Wenn der Erregerspule 15 dann Strom zugeführt wird, breitet sich ein von der Erregerspule erzeugter Magnetfluß aus, wie er durch den Pfeil C dargestellt ist. Dieser Magnetfluß fließt über das joch 12 und den Polschuh 25 des Rotors 23 in das Zwischenjoch 14. Der magnetische Widerstand in dem Magnetkreis des Magnetflusses Φι am Luftspalt zwischen den freien Enden des Polschuhs 25 und des Zwischenjochs 14 wird in Zusammenarbeit mit den vorstehenden Polen 28 auf dem Zwischenjoch 14 herabgesetzt, wenn sich der Rotor bezüglich der Darstellung it. Fig.2 nach rechts bewegt. Die Polschuhe 25 werden von den vorstehenden Polen auf dem Zwischenjoch 14 angezogen. Andererseits fließt ein Magnetfluß Φ/w, wie er durch den Pfeil D gekennzeichnet ist. Dieser Magnetfluß entspringt an den Nordpolen des Permanentmagneten 18, fließt über den Luftspalt in das Zwischenjoch 14, vom Joch 12 in die Polschuhe 25 und über den Luftspalt zurück zu den Südpolen des Permanentmagneten. Der magnetische Widerstand d;s Magnetkreises an dem Luftspalt zwischen den Polschuhen 25 und den Südpolen des Permanentmagneten 18 wird herabgesetzt, wenn sich der Rotor bezüglich Fig.2 nach rechts bewegt. Die Polschuhe 25 werden von den Zentren entsprechender Südpole angezogen. Da sich der magnetische Widerstand R des von der Erregerspule erzeugten Magnetflusses ΦL in bezug auf den Drehwinkel θ des Rotors in der Ungleichung

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ausdrückt, kann der Magnetkreis dieses Magnetflusses ΦL ein Drehmoment auf die Polschuhe 25 entsprechend der Variation des magnetischen Widerstandes R übertragen. Es wird also auf den Rotor 23 nicht nur ein Drehmoment übertragen, das durch den Magnetfluß Φ μ aus dem Permanentmagneten 18 hervorgerufen wird, sondern auch durch den Magnetfluß Φ^ der durch die Erregerspule 15 erzeugt wird.

In F i g. 3 sind zwei charakteristische, auf die Phase bezogene Drehmomentkurven dargestellt Die mit α bezeichnete Kurve rührt von einem Magnetfluß Φι. bei dem neuen Synchronmotor her, während die mit β bezeichnete Kurve auf einen Magnetfluß Φί. zurückgeht, der durch die Erregerspule eines herkömmlichen Synchronmotors erzeugt ist Eine charakteristische Kurve der magnetischen Anziehung in einem Synchronmotor, in dem ein Permanentmagnet als Stator benutzt wird, ist in einer mit ό bezeichneten Kurve in F i g. 5 dargestellt. Die in diese Figur ebenfalls eingezeichnete, mit γ bezeichnete Kurve gibt die magnetische Anziehungskraft bei einem herkömmlichen Synchronmotor wieder. Aus den Vergleichskurven ist ersichtlich, daß die auf den neuen Synchronmotor zurückgehende Kurve bei weitem günstiger als die bei einem herkömmlichen Synchronmotor ist.

Das neue Prinzip kann weiterhin auch bei einem Mehrphasen-Synchronmotor mit einem Permanentmagneten als Stator angewendet werden. Bei einem derartigen Mehrphasensynchronmotor kann die magnetische Anziehungskraft, wie sie in der mit <x bezeichneten Kurve in F i g. 3 dargestellt ist, dadurch weiter erhöht werden, daß der Erregerspule 16 ein Strom zugeführt wird, der gegenüber dem der Erregerspule 15 zugeführten Strom um einen elektrischen Winkel von 90° verzögert wird. Dadurch wird das Ausgangsdrehmoment und das Verhältnis des Drehmoments zu den Trägheitskräften gegenüber einem herkömmlichen Mehrphasen-Synchronmotor mit einem Permanentmagnet als Rotor erhöht, was insbesondere die Anlaufcn.nrakteristik verbessert.

Der neue Synchronmotor kann als Einphasensynchronmotor ausgeführt werden, wenn eine der beiden in F i g. 1 dargestellten Phasen abgetrennt wird. Auch in diesem Fall ist die Anlaufcharakteristik, wie sie bei einem Mehrphasen-Synchronmotor beschrieben wurde, oder die Ausgangsdrehmomenten-Charakteristik gegenüber einem herkömmlichen Synchronmotor wesentlich günstiger.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Synchronmotor mit einem aus einem magnetischen Material bestehenden Gehäuse, einem mit dem Gehäuse magnetisch und mechanisch verbundenen Joch, das einen in Richtung auf die freien Enden der Polschuhe eines Rotors vorspringenden Polring trägt, einer mit dem durch die Polschuhe, das Joch und das Gehäuse gebildeten Magnetkreis verkettete Erregerspule und mit einem mit einem Permanentmagneten versehenen Stator, an dessen Umfang Nord- und Südpole einander abwechselnd verteilt sind, wobei der Rotor den Stator konzentrisch und durch einen Luftspalt von diesem getrennt umfaßt und die Anzahl der Nord- und Südpole ein gerades Vielfaches der Anzahl der Polschuhe ist, dadurch gekennzeichnet, dafl der Polring (27,28) aus einzelnen Polen gebildet ist, deren Anzahl gleich der Anzahl der Pole des Stators (18,19) ist.

2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Rotor (25, 26) jeweils zwei Polringe (27, 28) zusammenwirken, wobei die einzelnen Pole des zweiten Polrings (27) den nicht freien Enden der Polschuhe des Rotors benachbart angeordnet sind.

3. Synchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (25, 26) sich zu ihren freien Enden hin verjüngen.