DE2335717B2

DE2335717B2 - Elektrischer miniatur-synchronmotor

Info

Publication number: DE2335717B2
Application number: DE19732335717
Authority: DE
Inventors: Toyoshi Gifu; Mori (wase, Yoshitaka, Nagoya, Aichi; (Japan)
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 1972-07-13
Filing date: 1973-07-13
Publication date: 1977-08-18
Also published as: FR2193281A1; DE2335717A1; US3826939A; FR2193281B1; DE2335717C3; GB1389983A

Description

Magnetpole zum Stillstand kommt.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Synchronmotors,

F i g. 2 eine Rückansicht des Motors von F i g. 1,

F i g. 3 einen Axialschnitt einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Synchronmotors,

F i g. 4 einen Radialschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig.3,

Fig.5 in vergrößertem Maßstab einen Teil einer Abwicklung des Synchronmotors von F i g. 3,

F i g. 6 in Perspektive die Abwicklung von F i g. 5,

F i g. 7 ein Schaubild zur Darstellung der Drehmoment-Kennlinien,

Fig.8 einen Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Synchronmotors,

F i g. 9 einen Radialschnitt entlang der Linie XII-XII in F i g. 8,

Fig. 10 in vergrößertem Maßstab einen Teil einer Abwicklung des Synchronmotors von F i g. 8,

Fig. 11 in Perspektive die Abwicklung von Fig. 10 und

Fig. 12 ein Schaubild zur Darstellung der Drehmoment-Kennlinien.

In den Zeichnungen und in der folgenden Beschreibung sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Gemäß F i g. 1 bis 4 sind ein Permanentmagnetstator 1, ein Lager 2, eine Welle 3, eine Nabe 5, Polzähne 6, ein Rotor 6', eine ringförmige Erregerspule 8, ein Hauptjoch 9 und ein Abtriebszahrad 10 wie bei dem eingangs beschriebenen bekannten Synchronmotor angeordnet. Ein aus Weicheisen bestehendes Hüfsjoch 11 besitzt mehrere Vorsprünge Ua, die konzentrisch zu dem Permanentmagneten 1 angeordnet sind, so daß sie diametral äußeren Endabschnitten der Polzähne 6 gegenüberstehen. Der Abstand zweier Vorsprünge entspricht zwei Polteilungen des Permanentmagneten 1. Sie verlaufen an Orten, die mit den Grenzlinien zwischen den Polen des Permanentmagneten 1 übereinstimmen. Es sind also halb so viele Vorsprünge lla wie Pole des Permanentmagneten 1 vorgesehen.

F i g. 3 und 6 zeigen eine andere Form eines Hilfsjochs 12, die ähnlich der des zuvor erwähnten Jochs 11 ist. Die an diesem Joch 12 ausgebildeten Vorsprünge 12a stehen jedoch in Achsrichtung der Welle 3 den freien Enden der Polzähne 6 gegenüber. Vorsprünge 12a sind bei dieser Ausführungsform wiederum halb so viele vorgesehen wie Pole des Permanentmagneten 1.

Die Wirkungsweise des so aufgebauten elektrischen Miniatur-Synchronmotors wird nunmehr anhand der Fig.3 und 4 in Verbindung mit den Fig.5 und 6 beschrieben.

Wenn der Erregerspule 8 ein elektrischer Strom zugeführt wird, dann wird in Richtung des Pfeiles a ein Magnetfluß Φ induziert. Dieser Magnetfluß Φ umfaßt einen Wechselflußanteil Φζ, der über den Vorsprung 12a des Hilfsjochs 12 durch einen Luftspalt zu dem dem Vorsprung 12a gegenüberliegenden Polzahn 6 zu dem Hauptjoch 9 verläuft. Schließlich verläuft ein Magnetflußanteil Φ μ von einem N-PoI des Permanentmagneten 1 durch einen Luftspalt in den Polzahn 6, durch einen Luftspalt zum Hauptjoch 9 und nach Verkettung mit der ringförmigen Erregerspule 8 durch das Hilfsjoch 12 zu einem S-PoI des Permenantmagneten 1. Ein weiterer Magnetflußanteil Φ$ erstreckt sich von dem N-PoI des Permanentmagneten 1 durch einen Luftspalt zu dem Polzahn 6 und kehrt ohne Verkettung mit der ringförmigen Erregerspule 8 zu dem S-PoI des Permanentmagneten 1 zurück.

Tl sei das durch den Wechselflußanteil Φι zwischen den Polzähnen 6 und den Vorsprüngen 12a des

ίο Hilfsjochs 12 erzeugte Drehmoment, Tm das durch den Magnetflußanteil Φμ zwischen den Polzähnen 6 und dem Permanentmagnet 1 hervorgerufene Drehmoment, 7s das durch den Magnetflußanteil Φ5 zwischen den Polzähnen 6 und dem Permanentmagnet 1 bewirkte Drehmoment und Tc ein aufgrund der Lagerreibung zwischen der Welle 3 und dem Lager 2 bei Drehen des Rotors 6' erzeugtes Drehmoment. Das Drehmoment Tc wirkt entgegengesetzt der Resultierenden aus den Drehmomenten TL T_M und Ts so daß sich dessen Richtung umkehrt, wenn auch die Resultierende der genannten Drehmomente in der Richtung umgekehrt wird.

F i g. 7 zeigt in Übereinstimmung mit einem Abweichungswinkel δ eine statische Charakteristik jedes der Drehmomente mit der oben beschriebenen Beziehung zwischen ihnen. Dieser Abweichungswinkel ό ist als elektrischer Winkel ausgedrückt und in Beziehung mit dem Drehmoment dargestellt, das die Polzähne 6 erhalten würden, wenn es dort angeordnet ist.

Wenn keine Vorsprünge 12a an dem Hilfsjoch 12 vorgesehen sind, denn erscheint das Drehmoment Tl nicht, wie in F i g. 7 gezeigt, und demgemäß liegen keine Drehmomente Tm und Ts in der Umgebung des mittleren Abschnitts des Pols des Permanentmagneten 1 vor. Andererseits tritt ein Reibungsmoment Tc auf, das entgegen der Drehrichtung wirkt. Befinden sich also die Polzähne 6 in der Umgebung der mittleren Abschnitte der jeweiligen Pole des Permanentmagneten 1, dann kann der Rotor 6' bei Erregung der ringförmigen Erregerspule 8 nicht starten.

Gemäß vorliegender Erfindung ist jedoch das Hilfsjoch 12 mit Vorsprüngen 12a versehen, so daß zwischen den Vorsprüngen 12a, und den Polzähnen 6 das Drehmoment Tl erzeugt wird. In F i g. 7 ist das Drehmoment entsprechend der Summe der Drehmomente Tu Tm und Ts sowie des Reibungsmomentes Tc bei ^dargestellt.

Wenn auch das Summen-Drehmoment T bei verschiedenen Abweichungswinkeln δ in Fig.7, wo die statische Charakteristik der Drehmomente dargestellt ist, auf 0 abfällt, so variiert dennoch das Drehmoment Tl in Übereinstimmung mit der Frequenz des der ringförmigen Erregerspule 8 zugeführten Wechselstromes und die Polzähne 6 erhalten in jeder Stellung ein ausreichendes Drehmoment, um zum Selbststarten das Reibungsmoment Tc überwinden zu können.

Sind die Polzähne 6 des Rotors einmal in Bewegung, dann wird die weitere Drehkraft durch die Drehmomente Tm und T₅ und auch zusätzlich von dem Drehmoment Tl aufgebracht, wenn der Polzahn nahe zum Vorsprung 12a gezogen ist.

In der in F i g. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform vorliegender Erfindung ist die Wirkungsweise völlig identisch mit der der zuvor beschriebenen Ausführungsform mit Ausnahme eines kleinen Unterschiedes in der charakteristischen Kurve des durch den alternierenden Magnetfluß erzeugten Drehmomentes.
Eine weitere Erläuterung obigen Synchronmotors

erfolgt nunmehr anhand der F i g. 8 bis 12, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Anzahl der Vorsprünge am Hilfsjoch gleich ist der Zahl der Pole des Permanentmagneten, und die Vorsprünge in Winkelschritten angeordnet sind, die gleich der Polteilung des Permanentmagneten sind.

Bei der Ausführungsform nach den F i g. 8 bis 12 sind Vorsprünge 13a, die denen der F ig. 3 und 4 gleichen, an einem Hilfsjoch 13 vorgesehen, das seinerseits identisch mit dem Hilfsjoch 12 der Fig.3 und 4 ist. Die Vorsprünge 13a befinden sich zwischen den jeweiligen Grenzlinien der Pole des Permanentmagneten 1 und den zugehörigen Mittellinien dieser Pole, so daß sie in Achsrichtung der Welle den freien Enden der Polzähne 6 gegenüberstehen.

Die Vorsprünge 13a können auch gemäß F i g. 1 und 2 so ausgebildet sein, daß sie den radialen Außenbereich der Endabschnitte der sich in Achsrichtung der Welle 3 erstreckenden Polzähne 6 gegenüberstehen, um mit einer den vorangehenden Ausführungsformen entsprechenden Wirkungsweise das Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreichen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Miniatur-Synchronmotor mit einem Permanentmagnetstator, der radial derart magnetisiert ist, daß über seinen Umfang in gleichen Winkelabständen abwechselnd Nord- und Südpole gebildet sind, einer koaxial zu dem Permanentmagnetstator angeordneten Welle, auf der ein Rotor mit Polzähnen aus weichmagnetischem Material befestigt ist, die sich in Axialrichtung der Welle konzentrisch zu dem Permanentmagnetstator unter Bildung eines Spaltes hiermit erstrecken, wobei die Anzahl der Pole des Permanentmagnetstators ein geradzahliges Vielfaches der Zahl der Polzähne ist, einer rinfgörmigen Erregerspule, die konzentrisch zu dem Permanentmagnetstator unter Bildung eines radialen Spaltes zwischen sich und dem Rotor angeordnet ist, einem Hauptjoch und einem mit den Polzähnen magnetisch zusammenwirkenden Hilfsjoch, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsjoch (11,12,13) einen oder mehrere Vorsprünge (Ha, 12a, 13a) aufweist, die in bezug auf die durch die radialen Mittellinien jedes Pols des Permanentmagnetstators und die Rotationsachse verlaufenden Ebenen an winkelmäßig versetzten Stellen angeordnet sind.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Vorsprünge (Ha, 12a) zumindest

_l Zahl der Pole des Permanentmagneten ² Zahl der Polzähne

beträgt und daß die Vorsprünge an Orten angeordnet sind, die den Grenzlinien zwischen zwei benachbarten Polen des Permanentmagneten in Winkelabständen von 2π χ Polteilung entsprechen, wobei η eine ganze Zahl ist.

3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Vorsprünge (13a,) zumindest

Zahl der Pole des Permanentmagneten Zahl der Polzähne

beträgt und daß die Vorsprünge an Orten angeordnet sind, die den Zwischenpositionen zwischen den Grenzlinien der Pole und den Mittellinien der Pole des Permanentmagneten an Winkelschritten von η χ Polteilung entsprechen, wobei η eine ganze Zahl ist und eine Hälfte der Vorsprünge auf dem Nordpol des Permanentmagneten und die andere Hälfte auf dessen Südpol angeordnet ist.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (Wa) in radialer Richtung der Polzähne (6) diesen Polzähnen gegenüberstehen.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (12a, 13a^in Achsrichtung der Welle (3) den Polzähnen (6) gegenüberstehen.

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Miniatur-Synchronmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein solcher Motor ist beispielsweise aus der US-PS 33 48 083 bekannt. Dieser Motor besitzt einen Permanentmagneten mit abwechselnd über seinen Umfang angeordneten Nord- und Südpolen. Der Permanentmagnet ist konzentrisch mit einem Lager und einer Welle aus nichtmagnetischem Material angeordnet und ist an einem Hilfsjoch befestigt. Das Hilfsjoch besteht aus weichmagnetischem Material und ist mit einem ringförmigen Vorsprung versehen, der den freien Enden der sich in Achsrichtung des Motors erstreckenden Polzähne gegenübersteht, um den Magnetfluß zu verbessern. Die Polzähne, die einen Teil eines Rotors bilden, bestehen aus weichmagnetischem Material. Sie sind über eine Nabe aus nichtmagnetischem Material an der Welle befestigt und sie erstrecken sich in Achsrichtung der Welle konzentrisch zu dem im Stator angeordneten Permanentmagneten, wobei sie von dem Umfang des Magneten einen gewissen Abstand einhalten. Die Anzahl der Pole des Permanentmagneten ist ein geradzahliges Vielfaches der Zahl der Polzähne. Eine ringförmige Erregerspule ist ebenfalls im Stator konzentrisch zu der Welle angeordnet. Mit der Welle ist ein Abtriebsritzel verbunden. Der Magnetkreis des von der ringförmigen Erregerspule erzeugten Magnetflusses wird von einem Hauptjoch aus weichmagnetischem Material in Zusammenwirken mit den Polzähnen und dem Hilfsjoch gebildet.

Wird der so aufgebaute Einphasen-Synchronmotor vom Netz abgeschaltet, so werden die Polzähne aufgrund des zwischen den Polen des Permanentmagneten und den Polzähnen wirkenden Drehmoments an den Grenzlinien zwischen den Nord- und Südpolen des Permanentmagneten zum Stehen kommen, wenn keine äußeren Kräfte, wie beispielsweise Lagerreibungskräfte, einwirken.

In Wirklichkeit treten aber immer Lagerreibungskräfte auf, so daß die Polzähne in der Umgebung der Mittellinien der Pole des Permanentmagneten beim Gleichgewicht zwischen dem Reibmoment aufgrund der Lagerreibung und dem zwischen den Polzähnen des Rotors und den Polen des Permanentmagneten verursachten Drehmomente anhalten.

Wenn die Erregerspule erregt wird, während die

Polzähne in der Umgebung der Mittellinien der Pole des Permanentmagneten ruhen, dann ist das zwischen den Polen des Permanentmagneten und den erregten und megnetisierten Polzähnen einwirkende Drehmoment zu gering, um das Reibmoment zu überwinden. Die Polzähne können sich also nicht von dieser Lage aus der Umgebung der Mittellinie der Pole herausbewegen, so daß das Starten des Motors nicht möglich ist.

Es ist daher erforderlich, äußere Krafteinwirkungen,

wie Reibungskräfte zu vermindern. Sowohl die Welle als auch das Lager können jedoch aus Gründen der Haltbarkeit und Stoßfestigkeit nicht verkleinert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe

zugrunde, die Selbststartfähigkeit eines elektrischen Einphasen-Miniatur-Synchronomotors zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Synchronmotor wird neben dem Drehmoment, das zwischen dem Rotor und dem Stator erzeugt wird, zusätzlich ein Drehmoment zwischen dem Rotor und den Vorsprüngen des Hilfsjochs erzeugt, so daß verhindert wird, daß das Drehmoment zum Start des Rotors Null wird, selbst wenn der Rotor auf der Mittellinie der jeweiligen