DE2408739C3 - Synchronmotor - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Synchronmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches I.

Ein Synchronmotor dieser Bauart ist aus der DT-OS 15 405 bekanntgeworden. Der als Kraftlinienverteiler dienende Rotor besteht bei diesem bekannten Motor aus zwei voneinander getrennten Hälften, die ober- bzw. unterhalb des zwischen den Erregerspulen angeordneten mittleren Jochs mit den freien Enden fingerartiger Polschuhe enden. Dabei stehen sich in axialer Richtung diese freien Enden der fingerartigen Polschuhe und eine mit Erhebungen und Vertiefungen versehene Fläche des mittleren Jochs gegenüber. Durch die Ausbildung des bekannten Rotors in der beschriebenen Form der Polschuhe ist eine Führung der magnetischen Kraftlinien gegeben, die keine vollkommene Sicherheit hinsichtlich des Anlaufs in der gewünschten Drehrichtung ergibt und die auch die zur Magnetisierung zugeführte Energie verhältnismäßig unvollständig in mechanische Arbeit umzusetzen (15 gestattet. Dies wirkt sich vor allem bei Motoren kleiner Bauweise aus, die zur Entnahme einer nennenswerten Antriebsleistung beträchtlich erhitzt werden müssen.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Nachteile der bekannten Synchronmotorbauart zu vermeiden und einen Synchronmotor zu schaffen, der mit Sicherheit in einer gewünschten Drehrichtung anläuft, einen erheblich verbesserten Leistungswirkungsgrad und ein starkes Richtdrehmoment aufweist.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe in erster Linie durch die in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen. Im Rahmen der gestellten Aufgabe vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt durch einen Synchronmotor,

Fig.2 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der wesentlichen Teile des Synchronmotors derFig. 1;

F i g. 3 zeigt zwei perspektivische Darstellungen von Rotoren zur Verwendung an dem Motor entsprechend derFig. 1;

F i g. 4 zeigt zwei perspektivische Darstellungen von Statormagneten zur Verwendung in den Motor entsprechend der F i g. 1;

Fig.5 zeigt eine schematische Darstellung des magnetischen Feldes, das sich zwischen einem Abschnitt des Rotors und des Stators eines Motors entsprechend der F i g. 1 aufbaut;

F i g. 6 zeigt eine Darstellung, um die magnetischen Verhältnisse in der Ruhelage des Rotors zu erklären;

Fig. 7 ist eine Darstellung, um das Entstehen der Drehkraft zu erklären.

Ein Motorengehäuse 1,2 aus weichem, magnetischem Material, das auch als Joch dient, ist in den F i g. 1 und 2 dargestellt. Das Gehäuse hat einen Bodenabschnitt 2. Spulen Aa und 4b bilden zusammen eine zweistufige Spule, von denen eine koaxial über der anderen angeordnet ist. Die einzelnen Spulen werden von Strömen verschiedener Phasenlage durchflossen. Zwischen den Spulen 4a und 4b ist ein weiteres Joch 3 angeordnet. Ein Lager 5 aus nicht magnetischem Material ist zentrisch an dem Bodenabschnitt 2 befestigt und trägt Barium-Ferritmagnete 9a und 9b. Diese Magnete 9a und 9b sind radial magnetisiert. Die Pole der oberen Reihe sind gegenüber denen der unteren Reihe verschoben. Die F i g. 4A und 4B zeigen, daß jeder der Permanentmagnete 9a und 9b acht Nord- und acht Südpole hat, die in gleichen Abständen angeordnet sind. Die Permanentmagneten 9a und 9b sind konzentrisch innerhalb der Erregerspule 11 und des mittleren Jochs 3 befestigt. Eine Platte 10 aus weichem, magnetischem Material dient dazu, daß eine Wirkung der oberen und der unteren Magneten auf den gleichen Abschnitt des Rotors verhindert wird. Die Fig.3A und 3B zeigen einen kreisförmigen, zylindrischen Rotor 8, der ringförmige Abschnitte und eine Umfangsoberfläche hat, die mit öffnungen und Stegen versehen ist. Der Rotor 8 kann sich in dem ringförmigen Raum, der von der Erregerspule 11, dem mittleren Joch 3 und den Permanentmagneten 9a und 9b des Stators begrenzt ist, drehen. Der Rotor 8 ist mit einem Vorsprung 7 aus Leichtmetall oder Kunststoff auf einer Welle 6 befestigt, die durch ein Lager 5, das zentrisch in bezug auf die Permanentmagnete 9a und 9b angeordnet ist, hindurchgeführt ist. Die ringförmigen Abschnitte 8a und Sb bilden zusammen mit dem Gehäuse 1 und der Bodenplatte 2 über sehr schmale Spalte, die von den

ausreichend großen Flächen der ringförmigen Abschnitte 8a und 86 und dem gegenüberliegenden Gehäuse 1 und dem Bodenabschnitt 2 begrenzt werden, einen magnetischen Wechselkreis.

An Hand der F i g. 7 wird nun beschrieben, auf welche Weise das Drehmoment in diesem induktionsmotor entsteht Der erste Abschnitt ISbesteh: aus der Spule 4a (Fig. 1), der die obere Reihe 9a der Magnetpole gegenüberliegt Der zweite Abschnitt 115 besteh· aus der Spule 4a, der die untere Reihe 9b der Magnetpole gegenübet liegt Jeder ringförmige Permanentmagnet des Stators 9a und 96 hat 16 Pole. Der ringförmige Rotor hat 8 Stege.

Zur Zeit T₀, wenn dem Motor keine Energie zugeführt wird, befinden sich die Stege des Rotors zwangsläufig in gleicher Entfernung von der Mitte eines Poles, der zu der oberen Reihe von magnetischen Polen gehört, und von der Mitte des entsprechenden gegenüberliegenden Poles, der zu der unteren Reihe von magnetischen Polen gehört (in diesem Fall ist «i =1x2)·

Der Zeitabschnitt vom Zuführen von Energie bis zum Anlaufen des Motors zur Zeit Γι beträgt 0 —'/2 <x. Dies ist die Zeit, die der Rotor benötigt, um sich hin und her zu bewegen, bis er magnetisch eine optimale Lage einnimmt Die Anlaufbedingungen sind erfüllt, wenn die Spule 4a des Abschnittes IS erregt ist, so daß der Rotor eine Nord-Polarität erhält. (Die Spule 4b des Abschnittes IIS wird in diesem Zeitpunkt nicht erregt.) Daraufhin bewegt sich der Rotor des Abschnittes IS zur Polmitte des festen Magneten Sdes gleichen Abschnittes.

Zur Zeit T₁ ist die Spule 4a nicht erregt, dageger, die Spule 4b von HS, so daß der Rotorabschnitt von I!S Nord-Polarität erhält. Daraufhin bewegt sich der Rotor von IlSzur Polmitte des festen Magneten Svon IIS.

Zur Zeit Γ3 wird die Spule von IS so erregt, daß der Rotor IS Süd-Polarität erhält. Daraufhin bewegt sich der Rotor von IS zur Polmitte des festen Magneten N von IS.

Zur Zeit Γ4 wird die Spule 4b von HS erregt, so daß der Rotor IIS Süd-Polarität erhält. Daraufhin bewegt sich der Rotor von IlSzur Polmitte des festen Magneten N von IIS. Der Motor kommt nun wieder in eine Stellung, die er bereits zur Zeit Tj hatte.

Auf Grund des beschriebenen Ablaufes dreht sich der Motor kontinuierlich. Wenn man die Phasen der Spule 1 mit der Phase der Spule 2 vertauscht, kann die Drehrichtung des Motors umgekehrt werden.

Die Fig.5A zeigt die Verteilung des magnetischen Flusses, wenn die Rotoren von IS und IIS in gleicher Richtung erregt sind, d. h., wenn sich die Kurven IS und IIS der F i g. 7 miteinander schneiden. Die F i g. 5B zeigt die Verteilung des magnetischen Flusses zur Zeit 7j wie es in der F i g. 7 dargestellt ist

Die ringförmigen Abschnitte 8a, Sb des Rotors 8 wirken mit dem Stator zusammen, um die Wirksamkeit zum Aufbau eines magnetischen Wechselkreises auf ein Höchstmaß zu steigern. Da der kreisförmige, zylindrische Rotor und das Statorjoch einen äußerst geringen magnetischen Widerstand haben, kann ein starker magnetischer Fluß zwischen den Statormagneten und den Stegen des Rotors erzeugt werden, wodurch ein sehr wirksames Drehmoment entsteht.

Bei dem eingangs erwähnten bekannten Motor treten die magnetischen Kraftlinien bevorzugt an den freien Enden der fingerartigen Polschuhe aus, so daß der Permanentmagnet nicht aufs wirkungsvollste ausgenutzt werden kann. Erfindungsgemäß können die Nord- und Südpole einfach auf der Umfangsoberfläche des Rotors oder an den Verengungen der Rotorstege entwickelt werden, wodurch es möglich ist, daß der von diesen Polen erzeugte magnetische Fluß den von den Statormagneten erzeugten magnetischen Fluß schneidet. Dieser Motor hat eine so hohe magnetische Wirkung, wie sie mit bekannten Motoren nicht erreicht werden kann.

Eine besondere Eigenschaft des Motors liegt darin, daß die Stege des Rotors 8 durch das dritte, mittlere Joch nicht unterbrochen sind, was stark dazu beiträgt, die Selbstanlaufeigenschaft zu verbessern und die Drehkraft zu erhöhen. In Abhängigkeit von der Zuordnung eines einfachen Solenoids zu dem zylindrischen Rotor entwickeln sich Nord- oder Südpole der Oberfläche der durchgehenden Stege des Rotors. Starke und schwache magnetische Flußverteilungen treten so in der Umfangsoberfläche des Rotors auf beiden Seiten des mittleren Jochs auf. Diese magnetischen Flußverteilungen in Verbindung mit den elektrischen Strömen, die einen Phasenunterschied haben, haben dadurch eine besondere Wirkung, daß sie eine starke Dreh-Richtungsabhängigkeit auf den zylindrisehen Rotor ausüben.

In Obereinstimmung mit dem zwischen den Spulen bestehenden Phasenunterschied sind die Statormagnete so angeordnet, daß ein Phasenwinkel zwischen der ersten und der zweiten Reihe von Magnetpolen auftritt, wodurch sowohl die Selbstanlaufeigenschafi und die Drehkraft verbessert werden, als auch dem Motor eine starke Dreh-Richtwirkung gegeben wird.

Die Verbesserung in der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Motors verglichen mit bekannten Motoren kann der folgenden Tabelle entnommen werden.

	Energie aufnahme (W)	Dreh moment (kg-cm)	Wirkungs grad	Temperatur anstieg	Gewicht
Warren-Motor, Modell Nr. B-3, hergestellt von TS	4	0,9	0,23%	weniger als 400C	350 g
Induktionsmotor, Modell Nr. A-I, hergestellt von NS	4	2,0	0,5%	35° C	260 g
Erfindungsgemäßer Induktionsmotor	0,6	3,0	5,0%	5°C mit Wider- standsverf.	200 g
Anm.: Das angegebene Drehmoment wurde bei	einer Geschwindigkeit von	einer Umdrehung	pro Minute gemessen.

llici/u 3 Blatt

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Synchronmotor mit einem Kraftlinienverteiler als Rotor, der um zwei koaxial aufeinanderliegende radial magnetisierte Permanentmagnetringe und innerhalb zweier koaxial aufeinanderliegender Erregerspulen rotiert, wobei zwischen den Erregerspulen ein magnetisch leitendes Joch angeordnet ist und die Speisung dieser Spulen mit Strömen verschiedener Phasenlage erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfläche des Rotors (8) mit öffnungen zwischen axial ausgerichteten Stegen, die in ringförmige Abschnitte (8a, Sb) übergehen, ausgebildet ist und daß die Nord- und Südpole des einen Permanentmagnetrings gegenüber den entsprechenden Polen des anderen Permanentmagnetrings um einen Winkel verschoben sind.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege in gleichen Abständen angeordnet sind.

3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Enden der Stege ein Bereich vorhanden ist, in dem die Stege schmaler sind als an ihren Enden.

4. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (3) von dem schmalen Bereich der Stege einen geringen Abstand hat.

5. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Nord- und Südpolen einer Reihe gleich groß ist.

6. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Nord- bzw. Südpole einer Reihe gleich der Anzahl der Stege des Rotors ist.

7. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwischen zwei Reihen (9a, 9b) von Magnetpolen eine Platte (10) aus einem weichmagnetischen Werkstoff angeordnet ist.