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RÖCHSTDREHZAHLELEKTROMOTOR MIT DAUERMAGNET
Die Erfindung betrift einen
kollektorlosen Höchstdrehzahlelektromotor mit Dauermagnet, der durch einfachen Aufbau
und insbesondere durch einen ruhigen Lauf ausgezeichnet ist.
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Der Rotor des Motors besteht aus einer massiven Scheibe, die aus
einem leichten und dabei hochfesten nichtmagnetischen Werkstoff hergestellt ist.
In dieser Scheibe sind einander gegenüber zylindrische Dauermagnete
derart
angebracht, daß die Achsen der Zylinder zur Umdrehungsachse der Scheibe parallel
liegen, wobei die nebeneinander angebrachten Magnete eine axialgerichtete, aber
einander entgegengesetzt polarisierte Magnetisierungen aufweisen, Die Anzahl der
Magnetpaare hängt von der gewänschten Polzahl des Elektromotors ab.
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Die Scheibe ist an einer kurzen, starken und womöglich hohlen Welle
angebracht, die an beiden Seiten der Scheibe gelagert ist Die Armatur oder der Stator
des erfindungsgemäßen Elektromotors weist die Form einer symmetrischen Scheibe auf
die an einer oder paarweise an beiden Seiten der umlaufenden Scheibe parallel zur
Scheibenebene angebracht ist. Sie besteht aus einem ferromagnetischen Ring, die
eine Wicklung trägt, die toroidartig und psr Anzahl der Pole und der Phasen entsprechend
in Abschnitte unterteilt; ist. Die Zuleitungen der Armaturenwicklung liegen in Nuten,
die in einem Körper aus elektrisch gut leitendetl, aber nicht magnetischen Werkstoff
ausgebildet sind, der den ferromagnetischen Ring umgibt, Die Ausbildung der Armatur
ermöglicht somit die Ausbildung von Ein- bzw. Nehrphasenmotoren.
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Im Luft spalt ist die Richtung des Flusses zur Umdrehungsachse parallel,
wobei der Luftspalt im Betrieb konstant bleibt.
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An-der Seite des otorgehäuses gegenüber der umlauf enden Scheibe
ist ein Fühler zum Fühlen der Jeweiligen Winkellage der Scheibe angebracht, die
bestimmt ist, mittels einer Steuereinrichtung den Armaturenstrom zu steuern.
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Der oben @rörterte Aufbau des erfindungsgemäßen Hochstdrehzahlelektromotors
ist mit verschiedenen Vorteilen verbindens Di. geometrische Pori des Rotors bietet
den Vorteilt daß bei einer sehr geringen Nasse des Rotors ein
hohes
Trägheitsmoment in der Hauptrichtung vorhanden ist.
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Der gegenseitige Abstand der Hauptwellenlager kann auf ein Mindestmaß
verringert werden* wodurch ein ruhiger Lauf des Motors und eine lange Lebensaauer
der tager erreicht werden. Der Gewichtsausgleich der Scheibe, der bei hohen Drehzahlen
unvermeidlich ist, kann infolge der geometrischen Form statisch sein, no daß eine
dynamische Außgleichung entfallen kann. Da die Dauermagnete in einem Werkstoff hoher
Festigkeit eingebettet sind, können Werkstoffe guter magnetischer Eigenschafter
geringerer Festigkeit, wie z.B. Metalloxyde für die Dauermagnete zur Anwendung gelangen.
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Ist die umlaufende Scheibe aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff
hergestellt, verhindern die Wirbelströme im Scheibenwerkstoff, daß sich der Wechselstrommagnetkreis
der Armatur schließt. Dabei ermöglicht die Armaturenausbildung eine möglichst kurze
Weglänge im Erregermagnetkreis, wodurch die Eisenverluste verringert werden. Der
elektrisch gut leitende Werkstoffs der den ferromagnetischen Ring und die Wicklung
der Armatur umgibt, verringert durch seine Wirbelstrome das magnetische Streufeld
der Armatur, d.h. ihre Streuinduktivität. Dabei wird eine Kühlung mittels Konvektionswärmeleitung
der Wicklungsleiter erreicht1 wodurch die Stromdichte in den Leitern vergrößert
und dadurch eine Abnahme der Hotorabmessungen erreicht werden kann. Die letztgenannten
Vorteile sind wesentlich, wenn berücksichtig wird, daß bei höheren Drehzahlen die
Betriebsfrequenzen Grundharmonischen von etwa 2 ko und mehr enthalten.
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Der Btlndige Luft spalt zwischen Rotor und Armatur ist eine Vorbedingung
für eine kontinuierliche Luftströmung und dadurch für einen ruhigen Lauf des Rotors
bei hohen Drehzahlen.
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Wird der Motor durch eine Wechselfrequenz gesteuert, so arbeitet
er als ein Synchronmotor, :Wird er lit einem
Phasenfühler und einer
Steuereinrichtung versehen, dann kann er bei optimalen Leistungen als ein Gleichstrommotor
betrieben werden, wobei dann auf Gleichstrommotoren kennzeichnende Eigenschaften
auftreten.
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Alle diese Vorteile tragen dazu beit daß der erfindungsgemäße Elektromotor
insbesondere bei Röchstdrehzahlen von etwa 60,000 U/min und mehr besonders vorteilhaft
zur Anwendung gelangen kann.
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Der Aufbau ist sehr einfach Weder Schleifringe, noch Kollektoren
sind erforderlich. Die Leistungsfahigkeit des erfindungsgemäßen Elektromotors ist
im Verhältnis zu seinem Raumbedarf sehr hoch. Wird er als Synchronmotor verwendet,
oder mit einem Phasenfühler versehen, so besteht die Möglichkeit einer genauen Drehzahlegelung
in einem Bereich von Null bis Höchstirehzahlt wobei die Genauigkeit der Regelung
selbst einen Wert von 0,1 % erreichen kann.
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Bei einer Parallelschaltung von mehreren Motoren können diese gleichzeitig
bei derselben genauen Drehzahl betrieben werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert.
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Fig. 1 ist dabei ein Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Elektromotors.
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Fig. 2 ist eine Draufsicht zu einer Einzelheit der Fig. 1.
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Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung einer Einzelheit.
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Fig. 4 ist ein Blockschema eines beispielsweisen Phasenfühlers für
den erfindungsgemaßen Elektromotor.
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Fig. 5 zeigt eine beispielsweise Ausbildung der Armaturenwicklung
des erfindungsgemäßen Elektromotors zum Teil in Schnitt.
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Fig. 6 ist eine Draufsicht zur Fig. 5.
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Mit 1 ist ein scheibenförmiger Rotor bezeichnet, dessen scheibe aus
nichtmagnetischem Material besteht. In
dieser Scheibe sind zylindrische
Dauermagnet 2 von einander entgegengesetzten Polaritäten N, S vorgesehen, die in
der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise an einem Kreis in gerader Zahl derart angeordnet
sind, daß ihre Achsen der Umdrehungsachse der Scheibe 1 parallel liegen, die ihrerseits
an ihren beiden Seiten mittels Wellenzapfen 3 in Wellenlagern 4 gelagert sind. Somit
laufen die Dauermagnete 2 mit ihren Längsachsen parallel zur Umdrehung achse der
Wellenzapfen 3 um.
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Beim dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist die Armatur 5 des Elektromotors
unterteilt an beiden Seiten der Rotorscheibe 1 angebracht. Die Teile bestehen aus
Je einem ringförmigen Eisenkern 6, der aus einem Band spiralförmig gewickelt ist,
wie dies aus Fig, 3 hervorgeht.
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Der Eisenkern 6 trägt eine Armaturenwicklung 7, die in Nuten 8 des
Armaturenkörpers angebracht ist wie dies ebenfalls aus Fig. 3 ersichtlich ist. Die
Zwischenräume zwisohen dem genuteten Armaturenkörper und der Armaturenwicklung 7
werden durch mit einem Isoliermaterials z.B Kunststoff 8a ausgegossen. Dies ist
in Fig. 1 durch gekreuzte Schraffierung angedeutet.
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Sowohl die Rotorscheibe 1, als auch die unterteilten Armaturen 5
sind von einem Gehäuse 9 umgeben, das an seinen beiden Stirnenden mit Je einer Abschlußplatte
10 abgeschlossen ist Die Abschlußplatten 10 dienen zugleich zur Lagerung der Wellenzapfen
3 des Rotors 1.
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Seitlich am Motorgehäuse 9 ist ein Phasendetektor 11 angebracht,
dessen Einzelheiten in Fig. 4 dargestellt sind Im Phasendetektor 11 ist ein lichtempfindliches
Element 12 angebracht, das über eine elektronische Steuerschaltung 13 und einen
Inverter 14 mit Thyristoren an die Armatur 5 des Elektromotors angeschlossen ist.
Eine Lichtquelle 15 liest ihr Licht über einen Kondensor 16 und über nicht dargestellte
Prismen im Phasendetektor 11 in Richtung
den Pfeilen 17a auf die
zylindrische Mantelfläche der Rotorscheibe 1 fallen, die entsprechend der Polenzahl
abwechselnd matt I,: r. poliert ausgebildet ist. Diese abwechselnde Ausbildung ist
in den Fig. 2 und 4 mit Bezugszeichen 1a bzw. 1b angedeutet.
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Die dargestellte beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Elektromotors arbeitet wie folgt: Werden die Armaturenteile 5 des Elektromotors
eingeschaltet, dann wird auch der Rotor 1 unter der gegenseitigen Wirkung von Dauermagneten
2 und Armaturenteilen ebenfalls in Drehbewegung versetzt, wobei der Phasendetek
tor 11 dafür sorgt, daß durch Ermittelung der jeweiligen Winkellage des Rotors 1
die unterteilten Wicklungen der Armatur 5 des Motors immer phasengerecht polarisierte
Spannungen erhalten. Dies erfolgt dadurch, daß das Licht der Lichtquelle 15 von
der Oberfläche der umlaufenden Rot,orscheibe 1 abwechselnd absorbiert bzw. reflektiert
wird.
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Wenn namlich die Lichtstrahlen in Richtung des Pfeiles 17a auf die
matte Oberfläche 1a der Rotorscheibe fallen, werden sie absorbiert, so daß das photoempfindliche
Element 12-keine Erregung erhält. Wenn demgegenüber die Lichtstrahlen von der polierten
Flache ib in Richtung d:'s Pfeiles 17b in das lichtempfindliche Element 12 des Phasendetektors
11 reflektiert werden, steuert die Steuerschaltung 13 umX so daß auch die Armatur
5 entsprechende Erregung erhält.
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Im Obigen ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben
worden, bei welchem die Armatur 5 unterteilt an beiden Seiten der Rotorscheibe 1
angebracht war. Es ist aber auch möglich, die Armatur 5 ausschließlich an einer
Seite der Rotorscheibe vorzusehen.
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Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Armaturenwicklung 3 nur an einer
Seite des ferromagnetischen Kernes 6 angebracht ist. Ein derartiges Ausführungsbeispiel
ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Wie ersichtlich,
ist der aus
einem Band spiralförmig gewickelte ferromagnew tische Kern 6 in einer ringförmigen
Nut eines hrmaturenkörpers angebracht1 wobei die unterteilten Armaturenwicklungen
7 in Acharichtung an einer Seite (in der Fig. 5 an der oberen Seite) des Armaturenkörpers
angeordnet sind.
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Die Zwischenräume sind dabei z.B. durch einen Kunststoff 8a ausgegossen,
wie dies auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 der Fall war.
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Mehrphasige Arjnaturenwicklunen können auch vorgesehen sein.
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Bs ist leicht einzusehen, daß der erfindungsgemäße Elektromotor besonders
geeignet ist, bei sehr hohen Drehzahlen umzulaufen, da die Scheibe 1 bezüglich der
Schleuderkräfte wesentlich vorteilhafter ist, als ein aus verschiedenen Teilen zusammengesetzter
Rotor. Hierzu kommt, daß der Stator als ein Toroid ausgebildet ist, wodurch der
Luftspalt zwischen Stator und Rotor unveränderlich wird. Die Bedeutung dieses Umstandes
besteht darin, daß durch die Unveränderlicbkeit des liuftspaltes ein ständiges Drehmoment
und dadurch ein ruhiger Lauf erreicht werden.
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Ir Durch Anderungen des Drehmomentes beding-te Vibrationen oder Schwingungen
könnten Ja den Motor bei den angestrebten hohen Drehzahlen zerstören Die Toroidform
des Stators hat auch'den Vorteil einer geringen Selbstinduktion, was insbesondere
bezüglich der Steuerung beim Kommutieren im Gebiet der angestrebten hohen Drehzahlen
wesentlich ist.
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Die Ausbildung des Rotors in einem Block gestattet die Anwendung
von Dauermagnetwerkstoffen, die an sich zur Ausbildung eines Rotors ungeeignet wären,
da ihre mechanische Festigkeit verhältnismäßig gering ist. Zur Erreichung von hohen
Drehzahlen müssen aber die magnetischen Werkstoffe des Rotors wegen der durch die
hohe Drehzahl bedingten magnetischen Rückwirkung über eine hohe Koerzitivkraft verfügen.
Diese einander entgegengesetzten
Forderungen werden beim Rotor des
erfindungsgemäßen Motors erfolgreich ausgeglichen. Im Rotor können nämlich Dauermagnetwerkstoffe,
z.B. Metalloxyde trotz ihrer geringen mechanichen Festigkeit verwendet werden, da.
sie gleichsam in den umläufenden Körper der Scheibe eingebettet sind.
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Bei einem Modell waren die Abmessungen des Elektromotors 100x 120
mm, wohei die erreichte Höchstdrehzahl 60,000 U/mln betrug. Dann war die abgegebene
Leistung 0,6 PS bei einer Genauuigkeit von mehr als 0,1 % der Drehzahlregelung.