DE2348502A1

DE2348502A1 - Elektromotor mit ausgepraegten polen und zahlreichen kurzgeschlossenen abschirmungsspulen fuer jeden pol

Info

Publication number: DE2348502A1
Application number: DE19732348502
Authority: DE
Inventors: Joe Thomas Donahoo
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-10-02
Filing date: 1973-09-27
Publication date: 1974-04-18
Also published as: JPS4972602A; US4131814A; FR2201573B1; IT993468B; US3959678A; GB1445416A; FR2201573A1

Description

L.

Dr. Horst Schüler 2 34 850 2

Patentanwalt

6 Frankfurt/Main 1
Niddastr. 52

26. September 1973 Vo/Cs

2498-3D-SM-4136

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road Schenectady, N,Y., U.S.A.

Elektromotor mit ausgeprägten Polen und zahlreichen kurzgeschlossenen Abschirmungsspulen für jeden Pol

Die Erfindung bezieht sich auf dynamoelektrische Maschinen und insbesondere auf Motoren mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen, bei denen konzentrierte Wicklungen um auf dem Umfang im Abstand angeordnete Polstücke herum angeordnet sind, die jeweils eine vordere bzw. auflaufende Polspitze aufweisen, die durch einen Luftspalt von der hinteren bzw. ablaufenden Polspitze des benachbarten Polstükkes getrennt ist.

Abgeschirmte Pole aufweisende Motoren mit konzentrierter Wicklung auf ausgeprägten Polen gehören zu den Motortypen, die billiger herzustellen sind. Demzufolge wurde dieser Motortyp für Wechselspannungsapplikationen gewöhnlich immer dann ausgewählt, wenn die bisher bekannten Betriebscharakteristiken (Anzugsmoment, maximales

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oder Blockierungsmoment, Betriebsmoment. Sattelmoment, Wirkungsgrad usw.) dieses Motortyps die Anforderungen für die beabsichtigte Applikation erfüllen.

Wenn Jedoch eine oder mehrere Betriebscharakteristiken dieses Motortyps für einen gegebenen Anwendungsfall nicht zufriedenstellend sind,werden normalerweise Motoren mit verteilter Wicklung verwen-. det. Allgemein sind Motoren mit verteilter Wicklung viel teurer in der Herstellung als Motoren mit ausgeprägten Polen. Zusätzlich benutzen eine verteilte Wicklung aufweisende Motoren für mechanische Nutzung Lösungen wie beispielsweise selektiv erregbare Hilfswicklungsanordnungen, so daß gewünschte Betriebscharakteristiken erreicht werden können. Beispielsweise kann ein erhöhtes Startoder Anzugsmoment, ein besserer Wirkungsgrad usw. mit diesen teureren Motoren erreicht werden im Vergleich zu bekannten Motoren mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen ähnlicher räumlicher Gesamtgröße .

Abgeschirmte Pole aufweisende Motoren mit konzentrierter Wicklung auf ausgeprägten Polen weisen relativ niedrige Anzugsmomente auf, wenn sie für einen relativ hohen Wirkungsgrad während des Betriebes ausgelegt sind (beispielsweise Wirkungsgrade von 35 bis 40% und mehr). Wenn solche Motoren beispielsweise einen Betriebswirkungsgrad in der Nähe von 40% oder mehr aufweisen, scheint das Verhältnis von Start- oder Anzugsmoment zum maximalen Drehmoment unveränderbar bei 0,33 oder weniger zu liegen. Dieses ist einer der Hauptgründe, warum die Anwendung von Motoren mit abgeschirmten Polen allgemein auf Anwendungsfalle zum Antrieb von Lüftern oder anderen Vorrichtungen für strömende Medien begrenzt gewesen ist, wie beispielsweise Pumpen. Bei vielen dieser Applikationen ist das erforderliche Anzugsmoment ein relativ kleiner Bruchteil des gewünschten maximalen Momentes oder Betriebsraomentes (ausgedrückt als ein prozentualer Anteil des maximalen Momentes).

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Bei den für einen höheren Wirkungsgrad ausgelegten Motoren mit konzentrierter Wicklung auf ausgeprägten, abgeschirmten Polen ragen die Polstücke von einem magnetisierbaren Joch radial nach vorne. Zusätzlich sind die Polspitzen benachbarter Polstücke dieser Art durch Luftspalte voneinander getrennt, wie es beispielsweise in der US-Patentschrift 3 313 965 beschrieben ist. Bei Gestaltungen dieses allgemeinen Typs senken Änderungen, die den Wirkungsgrad erhöhen (für ein gegebenes Verhältnis von Sattel- zu maximalem Moment), das Verhältnis von Anzugs- zu maximalem Moment. Andererseits bewirkt für jedes gegebene Anzugsmoment und Maximalmoment jede weitere Verbesserung des Wirkungsgrades in erwarteter Weise eine Verkleinerung des Sattelmomentes.

Während eine Verkleinerung des Sattelmomentes im allgemeinen unerwünscht ist, kann diese sogar unzulässig (auf Grund des Verlustes von Motorstabilität) bei Motoren werden, die mit angezapften Wicklungen versehen und für einen Betrieb mit verschiedenen Geschwindigkeiten vorgesehen sind. Beispielsweise kann zwar ein für zahlreiche Geschwindigkeiten ausgelegter Motor mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen für einen Lüfterbetrieb bei hoher Drehzahl stabil sein; wenn dieser Motor dann jedoch anläuft, erreicht er nicht seine stabile Drehzahl, wenn das Sattelmoment kleiner ist als das Drehmoment, das zur Beschleunigung des Lüfters oder einer anderen Last über diejenige Drehzahl hinaus erforderlich ist, die zu dem Sattelmoment des Motors gehört. Für ein gegebenes Anzugs- und Maxima lmoment bewirkt jedoch bei bekannten Motoren jede Erhöhung der Stabilität, die mit einem höheren Sattelmoment verbunden ist, eine Verkleinerung des Betriebswirkungsgrades.

Deshalb würde es verständlicherweise vorteilhaft und wünschenswert sein, neue und verbesserte,Motoren mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen zu schaffen, bei denen die Wicklungsspulen um radial angeordnete Polstücke herum konzentriert sind; derartige Motoren sollten Charakteristiken aufweisen, die es u.a. nicht notwendig machen wür-

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den, einen kleineren Wirkungsgrad für erhöhte Verhältnisse von Anzugs- zu Maximalmoment für ein gegebenes Verhältnis von Sattel- zu Maximalmoment in Kauf nehmen zu müssen. Es würde auch wichtig sein, neue und verbesserte Motoren mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen zu schaffen, die Charakteristiken aufweisen, die die Verwendung dieses Motortyps bei sogenannten mechanischen Applikationen gestatten würden, wo bisher die teureren Induktionsmotoren (mit Anlaufhilfsvorrichtungen) verwendet worden sind. Zwei allgemeine Beispiele für diese Applikationsart sind das Gebiet der Industriemaschinen und die Gebiete der mit elektrischen Motoren angetriebenen Räderuntersetzungen.

Demzufolge besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, neue und verbesserte Motoren mit konzentrierter Wicklung auf ausgeprägten, abgeschirmten Polen zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und stark verbesserte Anzugsmomentcharakteristiken besitzen.

Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung neuer und verbesserter Motoren des oben beschriebenen Typs, bei denen die Wechselbeziehungen zwischen verschiedenen Charakteristiken, wie beispielsweise Sattelmoment, Anzugsmoment, maximales Moment und Strom- und Leistungsbedarf, grundlegend verschieden sind im Vergleich zu Motoren des gleichen, bisher bekannten Typs.

Ferner beinhaltet die vorliegende Erfindung neue und verbesserte Motoren mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen, bei denen die vorstehenden Aufgaben gelöst werden, ohne daß notwendigerweise die räumliche Größe der Motoren einer gegebenen Kennleistung in drastischer Weise erhöht werden muß.

Diese und andere Aufgaben werden gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel "bei Motoren gelöst, die Rotor- und Statoreinrichtungen aufweisen. Die Statoreinrichtungen besitzen lamellierte Kerne, die ein magnetisches Joch und Poletücke umfassen. Zahlreiche kurz-

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geschlossene Abschirmungsspulen sind auf der hinteren bzw. ablaufenden Polspitze von Jedem Polstück vorgesehen, das sich seinerseits im allgemeinen in radialer Richtung von der geometrischen Mitte des magnetisierbaren Joches erstreckt. Dieses Joch verbindet magnetisch die Polstücke miteinander.

Bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die vordere bzw. auflaufende Polspitze von jedem Polstück durch einen Luftspalt von der hinteren bzw. ablaufenden Polspitze des benachbarten Polstückes getrennt. Diese Luftspalte erleichtern u.a. die Anordnung von Wicklungen auf den Polstücken. Zusätzlich befindet sich weniger Eisen in dem magnetischen Kreis (von dem Rotor zu dem Polstück) relativ zur Luftmenge in einem derartigen Kreis entlang der auflaufenden Polspitze von jedem Polstück im Vergleich zu den relativen Mengen von Luft und Eisen entlang dem Mittelabschnitt der Polstücke. Mit anderen Worten weisen die auflaufenden Ränder oder Polspitzen der ausgeprägten Polstücke eine relativ höhere Reluktanz auf im Vergleich zum Mittelabschnitt oder den ablaufenden Spitzen der Polstücke. Dies wird in den dargestellten Ausführungsbeispielen mit abgeschrägten, die Bohrung bildenden Oberflächen erreicht. Dies ist eine an sich bekannte Lösung. Die ablaufende Spitze von jedem Polstück ist so angeordnet^ daß sie wenigstens zwei kurzgeschlossene Abschirmungsspulen aufnimmt, und jede ablaufende Spitze ist mit einem solchen Abstand gegenüber der auflaufenden Polspitze eines benachbarten Polstückes angeordnet, daß praktisch kein magnetisch perraeables Material vorhanden ist, das eine Brücke zwischen den benachbarten Polspitzen bildet.

Neben jedem der Polstücke sind zahlreiche Windungen aus leitendem Material konzentriert. Die konzentrierten Windungen, der Statorkern, die Abschirmungsspulen und andere notwendige Teile, wie beispielsweise ein Gehäuse, Lagerhalterungen usw. bilden zusammen die Statoreinrichtung. Die Rotoreinrichtung, zu der eine Welle gehört, wird für eine Rotation relativ zur Statoreinrichtung gehaltert.

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Mit der vorliegenden Erfindung sind zahlreiche Vorteile erzielbar. Beispielsweise ist es nun möglich, Motoren der oben beschriebenen Art zu bauen, die höhere Verhältnisse von Anzugs- zu Maximalmoment als diejenigen Werteaufweisen, die bisher als Grenzwerte für Motoren mit Wirkungsgraden von mehr als 40% angesehen wurden. Darüber hinaus sind die erfindungsgemäßen Motoren relativ stabil, d.h. sie können so ausgewählt werden, daß sie zufrieden-. stellende Verhältnisse von Sattel- zu Maxima!moment aufweisen. Alternativ können erfindungsgemäße Motoren ein größeres Anzugsmoment (für ein festgesetztes maximales Moment) aufweisen, ohne daß dafür notwendigerweise ein kleinerer Wirkungsgrad in Kauf genommen werden muß. Demzufolge können Motoren mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen nun für verschiedene mechanische Applikationen ausgelegt werden, wo bisher teurere Induktionsmotoren verwendet worden sind.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 ist e-ine Stirnansicht von einem erfindungs gemäßen Motor mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen, wobei einige Teile weggelassen und andere Teile im Schnitt dargestellt sind.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine der Statorlamellen für den in Fig. 1 gezeigten Motor.

Fig. 3 ist eine Ansicht von einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Motors, wobei gewisse Teile im Schnitt oder aufgeschnitten dargestellt oder andere Teile weggelassen sind.

Fig. 4 ist eine Stirnansicht von einem bekannten Motor, wobei gewisse Teile im Schnitt oder aufgeschnitten dargestellt und andere Teile weggelassen sind.

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Fig. 5 ist eine Kurvendarstellung der Drehzahl über dem Drehmoment für die Motoren des beschriebenen allgemeinen Typs»

Fig. 6 bis 9 sind Kurvendarstellungen von verschiedenen Leistungsoder Betriebscharakteristiken für bekannte und erfindungsgeraäße Motoren, wobei

Fig. 6 eine Kurvendarstellung des Gesamtwirkungsgrades bei 70% des Maximalmomentes (MM) über dem Verhältnis von Anzugszu Maximalmoaent (AM/MM),

Fig. 7 eine Kurvendarstellung der Eingangsleistung in Watt pro Watt Ausgangsleistung bei 70% des Maximalmomentes (MM) über dem Verhältnis von Anzugs- zu Maximalmoment (AM/MM),

Fig. 8 eine Kurvendarstellung des Kupferverlustes der Hauptwicklung pro Watt Ausgangsleistung bei 70% des maximalen Momentes über dem Verhältnis von Anzugs- zu Maximalmoment (AM/MM), und

Fig. 9 eine Kurvendarstellung der Eingangsleistung in Watt bei gebremstem bzw. blockiertem Rotor pro Watt Ausgangsleistung bei 70% des maximalen Drehmomentes über dem Verhältnis von Anzugs- zu Maximalmoment (AM/MM) ist.

In Fig. 1 ist ein Motor 10 mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen gezeigt, der einen Stator, einen Rotor und nicht-gezeigte Lager sowie zugehörige Halterungsteile aufweist.

Der Stator umfaßt einen Magnetkern, der aus einer Vielzahl von magnetisierbaren Lamellen gebildet ist, die ein magnetisierbares Joch und zahlreiche im Abstand angeordnete Polstücke bilden. Der Stator umfaßt ferner eine Vielzahl von Windungen aus Leiterdraht, die auf einem Abschnitt 11 von jedem der zahlreichen im wesentli-

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chen identischen Polstücke 12 angeordnet sind. Die Abschnitte 11 erstrecken sich im allgemeinen radial von der geometrischen Mitte des Statorkernes, der bei dem in Fig. 1 gezeigten Motor auch entlang der Mittel- oder Rotationsachse des Rotors verläuft.

Die Wicklungsspulen 14 auf jedem Polstück sind im wesentlichen identisch in bezug auf Leitergröße und Windungszahl. Diese Spulen sind in üblicher Weise miteinander verbunden, so daß, wenn nicht gezeigte äußere Speiseleiter (die mit den Enden der aus den Spulen 14 gebildeten Wicklung verbunden sind) mit einer geeigneten Erregerspannungsquelle verbunden sind, der Rotor 15 in einer durch den Pfeil 11 angegebenen Richtung rotiert, d.h. von den vorderen bzw. auflaufenden Polspitzen 17 in Richtung auf die hinteren oder ablaufenden Polspitzen 18.

Für eine einfache Beschreibung und deutliche Darstellung sind gewisse Teile des vollständigen Motors 10 nicht dargestellt und werden auch nicht weiter beschrieben, abgesehen von dem Hinweis, daß der Motor 10 ferner eine stationäre Struktur zur Halterung des Statorkerns 20 aufweist. Ferner sind ein oder mehrere Lagerhalter vorgesehen, durch die ein oder mehrere Lager so angeordnet werden, daß die Welle 16 für eine Rotation gelagert ist. Es sei auch darauf, hingewiesen , daß der Motor 10 entweder mit einem Lager oder zwei Lagern versehen sein kann.

Der Rotorkörper 15 kann in üblicher Weise ausgebildet sein und wird vorzugsweise von einem Stapel bzw. Paket aus Lamellen gebildet, die aus dem gleichen magnetisierbaren Eisen oder Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt sind, wie die Laraellen bzw. Bleche des Statorkernes 20. Alle beschriebenen Motoren sind aus Lamellen bzw. Blechen aufgebaut, die etwa 0,625 mm (0,025 Zoll) dick sind. Die Rotorlamellen weisen darin ausgebildete Nuten auf, um die Stäbe einer kurzgeschlossenen Käfigläuferwicklung aufzunehmen. Diese Stäbe und zugehörige Endringe 17 können auf ein-

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fache Weise aus Aluminium im Spritzgußverfahren hergestellt werden.

Die vorderen Polspitzen 17 von jedem der Polstücke 12 sind abgeschrägt, so daß die Flußdichte im Luftspalt unter den vorderen Polspitzen im Vergleich zur Flußdichte im Luftspalt an der Mitte von jedem der Polstücke 12 vermindert ist. Bei dem dargestellten Aufbau sorgt das relativ wenige Eisen in dem magnetischen Kreis in der Nähe der vorderen Polspitzen im Vergleich zur Luftmenge für die gewünschte unterschiedliche Flußdichte im Luftspalt. Es können auch andere Lösungen verwendet werden, um dieses Ergebnis zu erzielen. Beispielsweise würden andere Lösungen darin bestehen, eine abgestufte Bohrung oder Reluktanznuten in den vorderen PoI-spitzen zu schaffen, um somit vordere Polspitzen mit hoher Reluktanz herzustellen.

Auf der hinteren oder ablaufenden Polspitze 18 von jedem Polstück 12 sind Paare von Abschirmungsspulen 21, 22 untergebracht. Diese Spulen 21, 22 sind in Nuten 23, 24 angeordnet, die in jedem der ausgeprägten Polstücke ausgebildet sind. Die Relation, Form und Konfiguration der Nuten 23 und 24 sind in Fig. 2 deutlicher gezeigt, die den Kern 20 ohne alle Wicklungen und Abschirmungsspulen zeigt.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Nuten 23 in den hinteren bzw. ablaufenden Polspitzen 18 so geformt sind, daß sie eine runde Abschirmungsspule aufnehmen; wogegen die Nuten 24 eine solche Form erhalten haben, daß sie eine rechtwinklig geformte Abschirmungsspule aufnehmen. Diese Formen der Spulen sind auf Grund der Zweckmäßigkeit und Herstellbarkeit ausgewählt worden. Die tatsächliche Querschnittsfläche der Spulen für die Nuten 23, 24 sind so ausgewählt, daß die'Abschirmungsspulen einen elektrischen Widerstand aufweisen, der für eine gegebene Applikation im voraus ausgewählt worden ist. Das Material, aus dem die Abschirmungsspulen herge-

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stellt werden, kann ebenfalls auf der Basis von Wirtschaftlichkeit, einfacher Herstellung und wirkungsvoller Ausnutzung des Raumes ausgewählt werden, der für einen gegebenen Kern zur Aufnahme der Abschirmungsspulen zur Verfügung steht.

In den Fig. 1 und 2 ist ein vierpoliger Aufbau mit ausgeprägten Polen dargestellt. Die auf Grund der vorliegenden Erfindung erzielbaren Vorteile können jedoch auch bei zweipoligen, sechspoligen und anderen vielpoligen Konstruktionen erzielt werden.

. Die Vorteile, die bei Anwendung der vorliegenden Erfindung erhalten werden können, werden am besten aus der Beschreibung der Motoren deutlich, die in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind. In diesen Figuren sind zu Beschreibungszwecken gewisse Motorteile weggelassen, abgeschnitten oder im Schnitt dargestellt. Es sei auch darauf hingewiesen, daß die in den Fig. 3 und 4 gezeigten Motoren zu Vergleichszwecken hergestellt und untersucht worden sind.

Der in Fig. 4 gezeigte bekannte Motor steht seit einiger Zeit kommerziell zur Verfügung. Dieser Motor, der mit der Bezugszahl versehen ist, weist einen-Rotor auf, der aus einem Blechpaket von etwa 5 cm (2 Zoll) gebildet ist. Der Rotorkörper wurde mit 18 gleichmäßig beabstandeten Leiterstäben und Endringen hergestellt, die aus Aluminium im Spritzguß hergestellt waren. Der errechnete Grundwiderstand des Rotors 32 betrug, bezogen auf die Hauptwicklung, etwa 4,75 Ohm.

Der Statprkern 32 war ebenfalls ein Blechpaket von etwa 5 cm (2 Zoll), wobei die Lamellen durch Keile miteinander verbunden sind, die in Keilnuten 33 gehalten sind.

Der Rotor 34 des in Fig. 3 gezeigten Motors 36 ist im wesentlichen identisch mit dem Rotor 32 und der Kern 37 des Motors 36 ist im wesentlichen identisch mit dem Kern 32, abgesehen davon, daß zwei Keilnuten und zwei Windungsstifte aufnehmende Löcher

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in den Statorlamellen weggelassen sind. Praktisch der einzige weitere strukturelle Unterschied zwischen den Motoren 31 und 36 sind diejenigen Unterschiede, die aus einem Vergleich der ablaufenden Polspitzen 37, 38 der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Motoren deutlich werden.

Praktisch alle anderen Konstruktionsdetails der Motoren 31 und 36 sind gleich. Beispielsweise wurden Lagerhalterungen und Lagerstrukturen gleicher Größe und Typs verwendet, um die Rotoren 30, 34 für eine Rotation relativ zu den entsprechenden Statorkernen 32 und 37 zu haltern. Diese Ausführungen haben nur den Zweck, daß die völlig unerwarteten Unterschiede in den Relationen von Leistungsfähigkeit und Charakteristik, die nach der Prüfung der erfindungsgemäßen Motoren deutlich werden, besser verständlich werden.

Die Umrißlinie der bei 32 und 37 gezeigten Kerne ist in der Zeichnung jeweils in voller Größe gezeigt, damit sie in Größe und geo^ metrischer Konfiguration der Größe und Konfiguration der Statorlamellen in den Motoren entspricht, die tatsächlich gebaut und geprüft wurden. Hierauf wird auch noch bei einer Erörterung der in der folgenden Tabelle I enthaltenen Daten eingegangen.

Es wird nun auf die Fig. 3 und 4 im einzelnen eingegangen. In Fig. 4 ist die vordere bzw. auflaufende Polspitze 39 von jedem der Polstücke 41 bei 40 für eine Strecke von 80° elektrisch abgeschrägt. Die radiale Tiefe dieser Abschrägung beträgt etwa 2 mm (0,08 Zoll), und zwar gemessen auf der Mittellinie der Draht hindurchlassenden Nuten 42., Diese Mittellinie ist in Fig. 4 durch die Bezugslinie 43 dargestellt.

Die Polstücke 41 sind auch mit Nuten oder Aussparungen 44 versehen, in denen jeweils eine Abschirmungsspule 46, aus Kupfer untergebracht ist.

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Die Mitte der Öffnung 47 für jede Nut 44 der Abschirmungsspule betrug 30° elektrisch, gemessen von der Bezugslinie 43. Somit schirmt jede Spule 46 30° der Gesamtspanne des Msgnetpoles ab, der durch das Polstück 41 gebildet ist. Die Größe und Lage der Nuten 48 (und Öffnungen 49 in den Polstücken 51 des Kernes 37) relativ zu der mittleren Bezugslinie 52 ist die gleiche wie die für den Kern 32 beschriebenen Relationen. Darüber hinaus wurden die zwei Spulen 46 und die zwei Spulen 53 alle aus nicht isoliertem Kupferleiter hergestellt, der etwa 7,1 mm (0,281 Zoll) breit und 1,25 mm (0,05 Zoll) dick war.

Auf jedem der Polstücke 41 und 51 ist eine Spule aus Windungen angeordnet. Jede der Spulen 54 und 56 weist 125 Windungen aus isoliertem Kupferdraht mit einem Leiterdurchmesser von 0,914 mm (0,0359 Zoll) auf. Praktisch der einzige Unterschied zwischen den Wicklungen für die Motoren 31 und 36 besteht darin, daß der Wicklungswiderstand des Motors 31 etwa 1,6 0hm beträgt, während der Wicklungswiderstand des Motors 36 etwa 1,7 Ohm beträgt. Dies liegt jedoch daran, daß eine.leicht vergrößerte Drahtlänge für diejenigen Windungen in der Nähe der Polspitzen 38 des Motors 36 erforderlich sind im Vergleich zu den Drahtlängen in den Windungen neben den Polspitzen 37 des Motors 31.

Da die Abschrägung 57 in Länge und Tiefe im wesentlichen die gleiche ist wie die Abschrägung 40, besteht der einzige weitere Unterschied zwischen den Motoren 31 und 36 darin, daß der Motor 36 zusätzliche Abschirmungsspulen 58 aufweist, die jeweils auf einer vergrößerten Polspitze 38 in einem Nutpaar 59 getragen sind. Die Spulen 58 sind aus nicht isoliertem Kupferleiter (American Wire Gange No. 9) hergestellt, dessen Drahtdurchmesser etwa 2,9 mm (0,1144 Zoll) beträgt. Die Spitzen 38 sind relativ zu den Spitzen des Motors' 31 um einen ausreichenden Betrag vergrößert, um eine magnetische Sättigung der Lamellen unter den Spulen 58 auf Grund des Abschirmungsflusses zu verhindern. Die Ausdehnung der Ab-

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schirmungsspulen 59, d.h. das Bogenmaß von der Bezugslinie 52 zur Mitte der Öffnung 61, beträgt 18° elektrisch. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß bei zweipoligen Motoren bekanntlich elektrische Grade und räumliche Grade gleich sind.

Ein Motor 36 wurde dann getestet, die Testergebnisse wurden aufgezeichnet und dann mit den Testergebnissen für Motoren, wie dem Motor 31 _r verglichen. Die Untersuchungen wurden mit einem Reaktionsdynamometer durchgeführt, wobei die Welle des getesteten Motors mit der Welle eines Gleichstrommotors gekoppelt ist. Die Drehzahl des Motors 36 wurde sehr präzise gesteuert, indem die Drehzahl des Gleichstrommotors verändert wurde, der wirkungsmäßig als eine mit einer festen Drehzahl angetriebene Vorrichtung wirkte.Ein Tachometer auf dem Gleichstrommotor lieferte ein Drehzahlsignal, während Belastungsmesser ein Signal lieferten, das ein Maß für das Drehmoment des Testmotors für verschiedene Drehzahlen war. Ferner wurden Sensoren benutzt, um den Strom (in Ampere) und die Leistung (in Watt) zu bestimmen, die von dem Testmotor unter verschiedenen Belastungen gezogen bzw. verbraucht wurden.

Es wurden drei Motoren nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Motor 36 gebaut und die Durchschnittsdaten für diese drei Motoren wurden nach Durchführung des Versuches in Spalte B der nachfolgenden Tabelle I aufgezeichnet, während die Spalte A die Daten enthält, die bei entsprechenden Versuchen mit einem Motor erhalten wurden, der gemäß dem bekannten Motor 31 aufgebaut war. In der Tabelle I sind die Lastzustände und die interessierenden Charakteristiken auf der linken Seite der Tabelle aufgeführt, während aufgezeichnete, beobachtete und berechnete Größen in den Spalten A und B erscheinen.

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- 14 -TABELLE I

Wicklungswiderstand, Ohm Prüfspannung, 60 Hz Stromwärmeverlust Hauptwicklung, Watt

Leerlauf Drehzahl, U/min. Strom, Ampere Leistung, Watt

maximales Drehmoment (MM) Drehzahl, U/min Drehmoment, X 0,864 cmkg (oz-ft) Strom, Ampere Eingangsleistung, Watt

0,7 max. Drehmoment (0,7 MM) Gesamtwirkungsgrad, % Drehzahl, U/min Drehmoment, XO,864 cmkg (oz-ft) Strom, Ampere Eingangsleistung, Watt

Sattelmoment (SM)

minimales Drehmoment X

Anzugsmoment (AM) Drehmoment, XO,864 cmkg (oz-ft) Strom, Ampere Eingangsleistung, Watt

berechnete Verhältnisse SM/MM

AM/MM

Wirkungsgrad bei 0,7 MM, %

1,552	1,674
115	115
41,64	43,13
3516	3531
5,18	5,08
233	249

2720

2793

8,25	8,47
7,20	6,71
534	540
41,8	43_; 5
3188	3234
5,78	5,93
5,80	5,47
391	391
3,66	3,47
2_;52	3,38
9,68	8,92
667,5	' 669
0,444	0,409
0,305	0,399
41.8	43,5

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Es wird angenommen, daß ein Großteil der Daten in Tabelle I ohne weiteres verständlich ist. In Fig. 5 ist eine typische Drehzahl-Drehmomentkurve für Motoren mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen dargestellt, die dem Verständnis der Daten der Tabelle I dienen sol.¹. Die Überschrift "Leerlauf" bezieht sich auf einen Versuchszustand, bei dem der getestete Motor ohne Last oder bei maximaler Drehzahl arbeitete. "Maximales Drehmoment" bezieht sich auf den Punkt auf der Kurve gemäß Fig. 5, wo das maximale Drehmoment auftritt (das auch als abgebremstes Drehmoment bezeichnet wird); "Sattelmoment" bezieht sich auf den ähnlich bezeichneten, ein Minimum aufweisenden Drehmomentbereich gemäß der Kurve in Fig. 5; "0,7 maximales Drehmoment" würde einen Zustand darstellen, bei dem eine Last an einen Versuchsmotor angelegt ist, so daß dieser bei einer Drehzahl zwischen maximaler Drehzahl und der Drehzahl bei maximalem Moment bzw. an einem Punkt in der Kurve gemäß Fig. 5 arbeitet, der 70% des maximalen Drehmomentes entspricht. Als letztes sei bemerkt, daß "Gesamtwirkungsgrad", wie er hier verwendet wird, so berechnet oder gemessen ist, daß er die Ausgangsleistung einschließt,die verbraucht wird, um die Lagerreibung als Teil der nutzbaren Ausgangsleistung des Motors zu überwinden. Er ist definiert als Ausgangsleistung in Watt pro Watt Eingangsleistung multipliziert mit 100.

Die Daten gemäß Fig. 1 zeigen, daß die erfindungsgemäßen Motoren verschiedene überraschende und in signifikanter Weise verbesserte Betriebscharakteristiken aufweisen im Vergleich zu den bekannten Motoren. Beispielsweise ist die Leerlaufdrehzahl höher als für den bekannten Motor 31. Noch signifikanter ist jedoch, daß die Drehzahl bei maximalem Moment und das maximale Drehmoment selbst beide vergrößert wurden, während der Strom bei maximalem Moment kleiner ist. Die Tatsache, daß die Eingangsleistung bei maximalem Moment in Spalte B größer ist als in Spalte A, zeigt, daß der Leistungsfaktor der Motoren, wie dem Motor 30, näher bei 1 liegt als es für den Motor 31 der Fall ist. Auch dies ist ein erstrebenswerter Gesichtspunkt,

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Von noch größerer Bedeutung ist, daß zwar das Sattelmoment in Spalte B etwa 5% kleiner ist als dasjenige in Spalte A, aber das Start- oder Anlaufmoment ist in Spalte B wenigstens 1/3 oder 33% größer als das Drehmoment gemäß Spalte A.

Ein Vergleich der berechneten Verhältnisse in Tabelle I betont sogar noch stärker die signifikanten und überraschenden Unterschiede zwischen den Motoren 31 und 36. Motoren wie der Motor 36 haben ein Verhältnis von Anzugsmoment zu maximalem Moment von mehr als 0,33, während sie bei 70% des maximalen Drehmomentes einen Wirkungsgrad von 43,5% aufweisen und auch relativ stabil waren, was sich aus dem berechneten Wert des Verhältnisses von Sattelmoment zu maximalem Drehmoment ergibt.

Bisher mußten Kompromisse geschlossen werden bei Motoren mit ausgeprägten Polen zwischen einem Bedürfnis nach Wirkungsgraden von mehr als 35% und einem Bedürfnis für Verhältnisse von mehr als 0,33 von Anlaufmoment zu maximalem Moment. Beispielsweise können Mantelmotoren, wie sie in dem US-Patent 2 454 589 beschrieben sind, optimiert werden (durch Verwendung zahlreicher Abschirmungsspulen und abgeschrägter Polflächen), um Verhältnisse von Anzugsmoment zu maximalem Moment von mehr als 1/3 zu haben. Aber der Wirkungsgrad derartiger Motoren würde höchstens nur etwa 35% betragen.

Motoren, wie sie in Fig. 4 gezeigt sind, können andererseits im Aufbau optimiert werden, damit sie Wirkungsgrade in der Nähe von 50% haben, aber nur auf Kosten immer kleiner werdender Verhältnisse von Anzugsmoment zu maximalem Moment ab einer oberen Grenze von etwa 1/3.

Auf Grund der überraschenden Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Motoren wie dem Motor 36 wurde eine Anzahl anderer erfindungsgemäßer Motoren gebaut und in der oben beschriebenen Weise untersucht. Alle diese zusätzlichen Motoren waren solche mit ausge-

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prägten, abgeschirmten Polen. Um die Zahl der Variablen noch weiter zu begrenzen, wies jeder Motor folgendes auf: eine ablaufende Polspitze mit doppelter Abschirmungsspule; die gleiche Wicklung in bezug auf Leitergröße und Windungszahl; die gleiche Kernpakethöhe; eine auflaufende Polspitze mit hoher Reluktanz, die abgestuft anstatt abgeschrägt war; die gleiche Rotorpakethöhe; den gleichen Rotorendring; den gleichen Grundaufbau der Statorkernlamellierung. Die Statorkernbleche wurden unterschiedlich zueinander aufgebaut, indem Abwandlungen in den folgenden Ausdehnungen vorgenommen wurden: den Strecken für die Stufe in den auflaufenden Polspitzen; den Tiefen für die Stufen in den auflaufenden Polspitzen; der Strecke für die größeren Abschirmungsspulen; der Strecke für die kleineren Abschirmungsspulen; der Leitergröße der größeren Abschirmungsspulen; der Leitergrösse der kleineren Abschirmungsspulen. Zusätzlich wurde die Grösse der Rotorleiter (und deshalb des Rotorwiderstandes) verändert.

Die aus der Prüfung dieser Motoren erhaltenen Werte wurden dann dazu verwendet, ein mathematisches Modell aufzustellen und dieses Modell wurde seinerseits verwendet, um Punkte für verschiedene Kurven festzulegen, die in den Fig. 6, 7, 8 und 9 dargestellt sind. Die Werte, die von den tatsächlich gebauten Motoren erhalten wurden, sind in den ausgezogenen Kurven in diesen Figuren dargestellt. Bevor die Bedeutung dieser Figuren beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, daß weitere Abwandlungen in erfindungsgemäßen Motoren mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen gemacht werden könnten, die zu Motorwirkungsgraden in der Nähe von 50% oder Verhältnissen von Anzugsmoment zu maximalem Moment von mehr als 0,6 bei Wirkungsgraden von 40% oder mehr führen würden. Dies wird im folgenden noch beschrieben. Es sind beispielsweise Motoren mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen gebaut worden, die einen Wirkungsgrad von 39% und ein Verhältnis von Anzugsmoment zu maximalem Moment von 0,6 aufwiesen.

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Es wird nun auf die Figuren 6,7, 8 und 9 eingegangen. Die gestrichelten Kurven stellen charakteristische Relationen dar, die zu bekannten Motoren mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen gehören, für die der Motor 31 gemäß Fig. 4 ein Beispiel ist. Die ausgezogenen Kurven in den Figuren 6 bis 9 stellen charakteristische Relationen dar, die zu erfindungsgemäßen Motoren gehören.

Ein kurzer Blick auf diese Kurven zeigt schnell, daß die erfindungsgemäßen Motoren Betriebscharakteristiken oder Eigenschaften aufweisen, die für signifikante Vorteile sorgen. Wie aus Fig. 6 zu entnehmen ist, können nun beispielsweise Motoren mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen Verhältnisse von Anzugsmoment zu maximalem Moment von mehr als 1/3 bei Wirkungsgraden von. 40% und mehr aufweisen, wenn sie 70% des maximalen Drehmomentes liefern.

Fig. 7, die eine Kurvendarstellung der Eingangsleistung in Watt pro Watt Ausgangsleistung bei 70% des maximalen Drehmomentes ist, ist im Endeffekt eine inverse Darstellung der Kurven gemäß Fig. 6 und betont, daß für ein gegebenes Verhältnis von Sattelmoraent zu maximalem Moment eine Erhöhung des Verhältnisses von Anzugsmoment zu Maximalmoment bei Motoren, die bei 70% des maximalen Momentes arbeiten, erhalten werden kann bei verminderten Verhältnissen von Eingangs- zur Ausgangsleistung.

Die Kurven gemäß den Fig. 8 und 9 betonen weiterhin den Unterschied in anderen charakteristischen Verhältnissen der erfindungsgemäßen Motoren im Vergleich zu bekannten Motoren, von denen behauptet werden könnte, daß sie in engstem Bezug dazu stehen. Beispielsweise zeigt Fig. 8, daß bei Anwendungsfällen, die erhöhte Verhältnisse von Anzugsmoment zu maximalem Moment (mehr als 1/3) erfordern, erfindungsgemäßeMotoren die erwünschten Relationen abnehmender Leistungsverluste auf Grund von Stromwärmeverlusten in der Statorwicklung bei Betriebsbedingungen aufweisen. Fig. 9 zeigt andererseits, daß für Verhältnisse von Anzugsmoment zu maximalem

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Moment von mehr als 0,33 die erfindungsgemäßen Rotoren bei blokkiertem bzw. abgebremstem Rotor relativ kleine Leistungen erfordern (ausgedrückt als ein Vielfaches der Leistung, die für einen Betrieb bei 70% des maximalen Momentes erforderlich ist).

Es wird noch einmal auf Fig. 6 Bezug genommen. Es sei darauf hingewiesen, daß im allgemeinen, wenn die auflaufenden Polspitzen der erfindungsgemäßen Motoren mit ausgeprägten, abgeschirmten Polen nicht so gestaltet sind, daß sie die Flußdichte im Luftspalt entlang der vorderen Polspitze verkleinern, der Motorwirkungsgrad bei 70% des maximalen Drehmomentes erwartungsgemäß etwa 10 Punkte kleiner sein würde als er in Fig. 6 angegeben ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wurde weiterhin gefunden, daß für ein gegebenes Verhältnis von Sattelmoment zu maximalem Moment das Verhältnis von Anzugsmoment zu maximalem Moment (und deshalb der Betriebswirkungsgrad) für einen gegebenen Motoraufbau gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erhöht werden kann, daß die Strecke bzw. die Spanne der Abschirmungsspulen entlang der hinteren bzw. ablaufenden Polspitzen verkleinert wird. Dann ist es jedoch auch wünschenswert, die Strecke bzw. die Spanne irgendeiner Abschrägung oder Abstufung entlang der vorderen Polspitze zu verkleinern und eine derartige Abschrägung oder Abstufung tiefer zu machen, um so die Reluktanz entlang der vorderen Polspitze zu vergrößern (das heißt, die Flußdichte im Luftspalt entlang der vorderen Polspitze weiter zu verkleinern).

Es kann auch wünschenswert sein, bei einem gegebenen Motor mit einem Verhältnis von Anzugsmoment zu maximalem Moment von raeh'r als 1/3 das Verhältnis von Sattelmoment zu maximalem Moment eines derartigen Motors zu vergrößern, ohne dadurch eine Verkleinerung des Verhältnisses von Anzugsmoment zu maximalem Moment zu bewirken. Um diese Änderung zu erreichen, würde man den Rotorwiderstand vergrößern, die kleine Abschirmungsspulenausdehnung relativ zur -Ausdehnung der großen Abschirmungsspule verkleinern, die

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Leitergröße der größeren Abschirmungsspule vergrößern, die Größe des Leiters der kleineren Abschirmungsspule verkleinern und die Reluktanz der vorderen Polspitze ändern, beispielsweise indem die Tiefe der Abstufung oder Abschrägung vergrößert wird. Es sollte auch bedacht werden, daß es bei größeren Motoren (beispielsweise 1/6 oder 1/4 PS) relativ einfacher wird, optimierte Konstruktionen mit zahlreichen Abschirmungsspulen herzustellen als bei Motoren von 1/20 PS oder noch kleinerer Leistung. Die kleinere räumliche Größe der kleineren Motoren würde es schwieriger machen, mehr als zwei Abschirmungsspulen zu verwenden oder die Ausdehnung der kleineren Abschirmungsspulen über praktische herstellbare Grenzen hinaus zu verkleinern.

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Claims

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Ans ρ r ü c h e

Elektromotor mit ausgeprägten Polen, der einen Stator mit Erregerwicklung, einen Rotor und Mittel zur Halterung des Rotors relativ zum Stator unter Ausbildung eines Luftspaltes dazwischen aufweist, wobei der Stator einen aus magnetisierbaren Blechen gebildeten Kern und in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Polstücke aufweist, die jeweils eine so geformte vordere bzw. auflaufende Polspitze aufweisen, daß an diesen entlang eine relativ hohe magnetische Reluktanz gebildet ist im Vergleich zu einem anderen Abschnitt jedes Polstückes, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Polstücke (12) wenigstens zwei kurzgeschlossene Abschirmungsspulen (21, 22) aufweist, die entlang der hinteren bzw. ablaufenden Polspitze (18) des entsprechenden Polstückes angeordnet sind, und die Polstücke derart beabstandet sind, daß die vordere bzw. auflaufende Polspitze (17) von jedem Polstück im Abstand zur hinteren oder ablaufenden Polspitze (18) des benachbarten Polstückes angeordnet ist, derart, daß der Motor bei Lieferung eines Ausgangsdrehmomentes von etwa 70% des maximalen Drehmomentes des Motors (10, 36) einen Gesamtbetriebswirkungsgrad von wenigstens 35% aufweist.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine kurz geschlossene Käfigläuferwicklung aufweist und das Verhältnis von Anzugsmoment zu maximalem Moment für den Motor größer als 0,33 ist.
3. Elektromotor nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß dicht neben wenigstens einem der Polstücke eine konzentrierte Leiterwicklung angeordnet ist.

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4. Elektromotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere oder auflaufende Polspitze von jedem der Polstücke derart geformt ist, daß sie eine höhere Reluktanz für einen Magnetfluß im Luftspalt entlang den vorderen bzw. auflaufenden Polspitzen bildet im Vergleich zur Reluktanz gegenüber dem Magnetfluß im Luftspalt entlang den Polstückflächen in der Nähe der Mitte der Polstücke.
5. Elektromotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser wenigstens zwei Polstücke aufweist, die jeweils auf einem ersten Abschnitt die wenigstens zwei Abschirmungsspulen (21, 22) aufweisen.
6. Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet , daß ein zweiter Abschnitt von jedem Polstück derart aufgebaut ist, daß er eine relativ hohe Reluktanz aufweist im Vergleich zu einem anderen Abschnitt des gleichen Polstückes.
7. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet , daß der erste Abschnitt von jedem Polstück das hintere bzw. ablaufende Polende bildet, der zweite Abschnitt jedes Polstückes das vordere bzw. auflaufende Polende bildet und das hintere Polende des einen Polstückes von dem vorderen Polende des benachbarten Polstückes räumlich verschoben ist.

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