DE2430585A1 - Synchronmotor - Google Patents

Description

betreffend. ,
Synchronmotor

Die Erfindung "betrifft einen Synchronmotor*, insbesondere einen preiswerten, selbstanlaufenden Synchronmotor mit einem hohen Wirkungsgrad und geringer erforderlicher Eingangsleistung. Der erfindungsgemäße selbstanlaufende Synchronmotor wird beispielsweise zum ständigen Antrieb einer Digitaluhr oder einer direkt anzeigenden Uhr verwendet, die in einem Automobilarmaturenbrett angebracht ist und deren Eingangsleistung der normalen Automobilbatterie entnommen wird.

Synchronuhrmotoren wurden einige Zeit lang ausschließlich in elektrischen Uhren verwendet, weil sie einfach sind und die von ihnen abgegebene Drehfrequenz genau ist. Vervollständigt werden diese Eigenschaften durch die^Tatsache, daß das typischerweise geringe Ausgangsdrehmoment kleiner Synchronmotoren für Uhren gut geeignet ist, die im Betrieb keine hohen Drehmomente erfordern. In ihrem Aufbau waren bisherige Zeitgeber oder Uhrenmotoren oft äußerst einfach. Der Stator enthält normalerweise eine Erregeropule in Form einer einfachen konzentrisch, gewundenen Wicklung,

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die einen Teil eines magnetischen Kreises, der als der Kern "bezeichnet wird, umgibt und den erzeugten magnetischen Fluß relativ zn einem Eotor verteilt. Die Rotorstruktur wurde in verschiedenen Formen ausgebildet, kann aber eine einfache permanentmagnet! cche'Scheibe sein, die derart polarisiert ist, daß sie längs ihres Umfangs abwechselnd Nord- und Südpole aufweist. Der Eotor ist relativ zum Statorkern drehbar angeordnet, so daß der Statorkern und der Rotor einen radialen Luftspalt bilden, durch den der im Kern induzierte J¹IuB hindurchtritt. Wegen des einfachen Äufbaus sind solche Syncbronuhrenmotoren leicht herzustellen und werden in großen Stückzahlen gefertigt, was zu geringen Stückkosten führt. Diese Motoren hatten bisher aber offensichtlich einen schlechten Wirkungsgrad. Beispielsweise betrug der Wirkungsgrad bisheriger Uhrenmotoren normalerweise unterhalb 1 fo_t in einigen der hochwertigeren Motoren mit einem komplizierteren Aufbau betrug der Wirkungsgrad 2 fo oder mehr; ein Beisjäel eines solchen Motores ist der in der US-PS 3 469 131 beschriebene Motor. Dieser Motor ist Jedoch relativ teuer und hat bei gleichem Volumen oder gleichen Abmessungen nicht das gleiche Drehmomentvermögen wie der im folgenden zu beschreibende Motor.

Allmählich wurden batteriegetriebene Uhren entwickelt, die derzeitig sehr populär sind. Diese Uhren arbeiten im allgemeinen dadurch, daß sie eine hin— und hergehende oder oszillatorische Bewegung einer Unruhe, einer Stimmgabel oder eines Pendels aufrechterhalten, die oder das wiederum mechanisch die Zeiger der Uhr antreibt. Normalerweise wird eine einfache transistorisierte Oszillatorschaltung geringer Leistung verwendet, um die hin- und hergehende oder oszillatorische Bewegung aufrecht zu erhalten; die daher geringe Energieentnahme aus der Uhrenbatterie hat batteriegetriebene Uhren ermöglicht, die monatelang ohne daß ein Auswechseln der Batterie notwendig ist arbeiten.

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Synchronmotoren, wie sie in,der erwähnten US-PS 3 469 131 beschrieben sind, wurden in batterlegetriebenen Uhren erfolgreich verwendet« :^ie oben ausgeführt, sind diese Motoren aber relativ teuer -und*haben keine Eigenschaften, wie sie für sehr -unempfindliche und unter geringer Leistung arbeitende Verwendungen erforderlich sind. Entsprechend besteht ein Bedarf für eine wirksame Prj märquelle für Rotationsenergie, so daß die Notwendigkeit eine hin- und hergehende Bewegung in. eine Drehbewegung vermie'den werden kann» Die Umwandlung einer hin- und heimgehenden Belegung in eine Drehbewegung bedingt zusätzliche Teile und Schritte im Zusammenbau, wodurch zusätzliche Kosten beim Herstellen von Uhren entstehen.ϊίoch teurer und komplizierter ist der Mechanismus zum Umwandeln einer intermittierenden hin- und hergehenden Bewegung in eine relativ gleichförmige und gleichmäßige Drehbewegung, in Automobiluhren. Die Verwendung dieses Hechanismus in Automobiluhren führte oft zu ungenau gehenden Automobiluhren, weil extreme Stoße, Temperaturen und Schwingungen, wie sie normalerweise von der Unruhfeder und damit verbundenen Teilen dieser Uhren aufgenommen werden, nicht lineare Ausgangsdrehmoinente hervorrufen»

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen einfach aufgebauten und wirksamen Synchronmotor zum Betreiben batteriegetriebener Uhren zu schaffen, der eine wirksame, ständig arbeitende Rotationsenergiequelle insbesondere für Automobiluhren darstellt, bei denen die Rotationsenergiequelle ein selbstanlaufender Synchronuhrmotor mit, geringer erforderlicher Eingangsleistung ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Synchronmotor gelöst, der gekennzeichnet ist durch einen scheibenförmigen Rotor mit einem Ring permanentmagnetiscber Pole, die sich durch die Dicke erstrecken und längs des Umfangs angeordnet sind, wobei neben einem Pol jeweils Pole entgegengesetzter Polarität sind, einen Stator mit einem Kern oder einer Erregerspule, wobei der

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Kern wenigstens ein einen axialen Spalt "bildendes Polpaar aufweist, durch das der permanentmagnet is ehe Ringbereich des Rotors hindurch tritt, und die Srregerspule mit dem Statorkern zum Erzeugen eines Erregerfeldes im Kern gekoppelt ist, das zwischen den Statorpolen im wesentlichen senkrecht zur Rotorebene durch den Rotor tritt und die von den Rotorpolen erzeugten magnetischen Felder durch den Stator etwa senkrecht zur Oberfläche des Statorpolpaares hindurchtreten, und zusätzliche, den magnetischen 5¹IuB leitende Mittel, die mit dem Stator zusammenwirken und neben den Rotorpolen angeordnet sind und den Fluß zwischen dem Rotor und dem Stator bei Betrieb des Motores verstärken. Der Rotor weist ein geringes Trägheitsmoment auf und hat ein geringes Gewicht, wobei seine magnetisierten Bereiche eine große magnetische Arbeitsfläche mit hoher Remanenz bilden« Der Motor ist deshalb in der Lage, bei geringer Eingangsleistung ein hohes Drehmoment zu erzeugen. Nahe jedem Polpa-ar befindet sich ein Vorsprung, der sich in eine Richtung parallel zur Ebene des Roters erstreckt und das vom Stator erzeugte magnetische Feld derart stört, daß der Synchronmotor selbstanlaufend wird.

Der erfindungsgemäße Motor schaltet zusammen mit der mit ihm verbundenen Elektronik die komplexen Eigenschaften gegenwärtig verwendeter Automobiluhren, wie die feine Feder, die Unruhe, den Wiederaufzugmechanismus für die Hauptfeder usw. aus. Desweiteren erzeugt dieser Motor ein Drehmoment, wie e3 zum Antreiben von Anordnungen notwendig ist, die keine herkömmlich anzeigenden Zeiger sind, beispielsweise Digitaluhrenwerke.

Der erfindungsgemäße Synchronmotor hat einen guten Wirkungsgrad in Bezug auf Erzeugung eines hohen Ausgangsdrehmoments bei kleiner ^ingangsleistung.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Darstellungen beispielsweise und mit vorteilhaften Einzelheiten erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf den erfindungsgemäßen Motor mit dem in dem axialen, vom Statorkern gebildeten Luftspalt angeordneten Rotor,

Fig. 2 eine Endansicht des Synehronmotores mit dem ringförmigen magnetischen Bereich des Rotors,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Rotors zur Darstellung der magnetischen Pole an dem Umfangsring,

Fig. 4 eine Teilendansicht der Rotor- und Statorhaugruppe zur Darstellung der relativen Längsausbildung des Stators relativ zum Rotor,

Fig. 5 eine seitliche Schnitt ansicht des Synchronmotors, "bei dem der Stator eine Mehrzahl von Polpaaren aufweist,

Fig. 6 eine genauere Darstellung der Statorpolstruktur des Motors gemäß Fig. 4,

Fig. 7 ein Schaltbild der Schaltung zum Antrieb des Synchronmotors,

Fig. 8 eine Aufsicht auf den Synchronmotor mit einem Paar Ansätzen an den Statorpolpaaren,

Fig. 9 eine Endansieht des Synchronmotores gemäß Fig. 8,

Fig. 10 eine Endansicht einer abgeänderten Aus führung s form des Synchronmotors.

Gemäß Fig. 1 weist der Stator 11 einen Kern 13 und eine Erregerspule 21 auf. Der Kern 13 enthält zwei zueinander komplementäre geglühte Eisenplatten 15 und 17, die vorzugsweise durch Stanzen hergestellt sind. Um Platz zu sparen und eine wirksamere

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Kopplung mit der Erregerspule 21 zu bewirken, sind die Spulenhalteansätze 16 der Kernplatten 15 und 17 relativ zueinander versetzt, wie aus Pig. 2 deutlicher hervorgeht. Die Ansätze sind seitlich nebeneinander angeordnet und miteinander punktverschweißt, um einen einteiligen Statorkern zu bilden. Weil die Ansatzbereiche des Eeras nebeneinander angeordnet sind, hat die Querschnittsfläche des Kerns bei ihrem Durchtritt durch die Spule 21 eine quadratische Konfiguration, die, wie allgemein bekannt, eine sehr wirksame elektromagnetische Kopplung mit der Spule 21 bildet. Die anderen Teile des Statorkerns außerhalb der Spule 21 brauchen nicht so dick zu sein, wie die kombinierten Ansatzbereiche 16; die optimale Dicke des Stators in allen Teilen außerhalb der Ansatzbereiche kann mittels Techniken bestimmt werden, wie sie Fachleuten anhand des Wissens über den Leckfluß an den PoIflachen des Statorkerns, die Oberfläche der Eotorpole, dem Luftspalt zwischen den Statorpolpaaren und den unmagnetisierten Übergangsbereich zwischen benachbarten Nord- und Südpolen des Rotors bekannt ist.

Ein Spulenkörper 19 aus irgendeinem geeigneten Material, wie beispielsweise gehärtetem Kunststoff, wird von den Spulenhalteansatzen 16 getragen. Die Erregerspule 21 ist um den Spulenkörper konzentrisch gewunden und weist in'einer bevorzugten Aus— führungsform 6000 Wicklungen eines Kupferdrahtes der Lehrennummer 43 ©it einem Gesamtwiderstand von etwa 86OiIauf. Die Wicklungsanzabl und die verwendete Drahtstärke können ;je nach Zahl der Statorpolpaare, des erforderlichen Drehmoments und des Betriebsspannungsbereiches Jedoch auch anders gewählt sein. Der Spule 21 wird elektrischer Strom über leitungen 23 zugeführt.

Die Endbereiche des Statorkerns außerhalb der Spule 21 sind voneinander getrennt und bilden einen axialen Luftspalt 27 für den Rotor 25. Die Abmessungen des Luftspaltes hängen von der Dicke des Rotors und der erforderliehen magnetischen G-leichstromsteifigkeit ab. Normalerweise ist es ia Hinblick auf leichte Herstellbarkeit

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wünschenswert, äen Luft spalt groß zu machen, wie im folgenden klar werden wird, sollte die magnetische Steifigkeit nicht zu gering sein, damit sie einen wirksamen Betrieb des Motors nicht verringert. Der axiale'Luftspalt ermöglicht, das vom Stator erzeugte magnetische Feld senkrecht zur Eotorebene auf den Rotor zu richten; entsprechend wird das vom Rotor erzeugte magnetische JeId senkrecht zur Ebene der Oberfläche der Statorpole auf die Statorpole gelenkt. Dies führt zu einem sehr geringen Leckfluß und zu einem geringen magnetischen Widerstand gegenüber dem vom Stator erzeugten Magnetfeld. Entsprechend ist der Wirkungsgrad des Motors erheblich verbessert.

Der Rotor ist eine Scheibe mit einer Dicke von etwa 0,58 mm und besteht aus einem Material geringer Dichte, wie beispielsweise Bariumferrit in einem Gummibindematerial, das im Handel gewöhnlich unter dem Handelsnamen Piastiform verkauft wird und in den für den Rotor erforderlichen Abmessungen relativ billig ist. Der zurückbleibende Magnetismus, d.h. die Remanenz von Piastiform, beträgt 0,22 weber,/m , was, wie im folgenden deutlich wird, bezüglich der Arbeitscharakteristik des erfindungsgemäßen Motors wichtig ist. Wie in E¹Ig* 2 dargestellt, ist ein Ring um den äußeren Umfang des Rotors durch die Dicke des Rotors hindurch permanent magnetisiert und bildet auf beiden Seiten des Rotors eine ringförmige magnetische Arbeitsfläche* Die magnetisierte Fläche weist abgestumpfte dreieckige Bereiche ,die Rotorpole, auf, die, wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich, abwechselnd entgegengesetzte Polarität haben. Die Pole sindderart angeordnet, daß sie längs des Umfanga des Rotors aneinander angrenzen und dadurch den gesamten Ring zum Erzeugen abwechselnd entgegengerichteter Magnetfelder zur Verfügung stellen. Der Rotor ist auf einer axialen Welle 29 relativ zum Stator drehbar mittels bekannter Vorrichtungen angebracht. In der bevorzugten Ausführungsform sind 16 Rotorpole vorhanden und die Erregerspule 21 wird von einem Strom mit einer Frequenz von 64 Hz

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erregt. Entsprechend wird der Rotor mit 8 Umdrehungen je Sekunde angetrieben. .

Der beschriebene Synchroniaotor weist einen überaus einfachen und unempfindlichen Aufbau auf, der für schnelle Massenherstellung und zur Verwendung in vibrierenden Umgebungen, wie in Automobilen, geeignet ist. Wie im weiteren ausgeführt wird, ist, weil die Rotordiehte klein ist und gleichzeitig eine große magnetische Arbeitsfläche zur Verfügung steht, das Verhältnis von Trägheitsmoment des Botors zu vom Motor entwickeltem Drehmoment klein, wodurch der Motor in der lage ist, selbst anzulaufen. Sine einfache Rücklaufsperrvorrichtung, die mit dem Getriebe (nicht dargestellt) zusammenwirkt, stellt sicher, daß die Drehung des Botors in die erwünschte Richtung erfolgt. Solche Vorrichtungen sind Fachleuten bekannt.

Die Arbeitsweise des Motors entspricht allgemein bekannten Prinzipien von Synchronmotoren. Wenn sich der Rotor in der in Fig. 2 dargestellten Lage befindet und seine Drehung in Gegenuhrzeigerrichtung erfolgt, läßt der Statorkern ein magnetisches Feld durch den Rotor derart hindurchtreten, daß der magnetische Nordpol 31 vom Statorpolpaar angezogen wird. Gleichzeitig wird der magnetische Südpol 33 in Gegenuhrzeigerrichtung weg vom Statorpolpaar abgestoßen· Ein Bruchteil einer Sekunde später und nach V16 einer vollständigen Umdrehung des Rotors dreht sich das magnetische Feld im Stator um und der magnetische Südpol 35 des Rotors wird vom Statorpolpaar angezogen, während der magnetische Nordpol 31 in Gegenuhrzeigerrichtung weg vom Stator abgestoßen wird. Auf diese Weise wird der Sotorpol kontinuierlich durch Wechselwirkung der ihie Polarität abwechselnd ändernden magnetisohen Felder des Rotors und des alternierenden magnetischen Feldes des Stators angetrieben. Ein pulsierendes unipolares magnetisches Feld könnte im Stator ebenfalls erzeugt werden. In einem solchen Fall würde

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der Nordpol 31 des Rotors angezogen werden und der Südpol 33 des Rotors abgestoßen werden, wenn die Spule 31 mit einem unipolaren Puls gekoppelt wird. Ein Bruchteil einer Sekunde später und nach Ve einer vollständigen Umdrehung des Rotors wird das magnetische Feld im Stator wiederum mit der gleichen Polarität erzeugt, entsprechend wird der Nordpol 36 zum Stator hingezogen und der Südpol 35 des Rotors vom Stator in Gegenuhrzeigerrichtung abgestoßen. Weil der Rotor nur jede Achtelumdrehung anstelle jeder Sechzehntelumdrehung angetrieben wird, ist die Bewegung des Rotors, wenn sie von einem unipolaren pulsierenden Magnetfeld erzeugt wird, weniger glatt bzw. gleichmäßig als wenn sie von einem typischen Wechselstromfeld erzeugt wird.

Das entwickelte Drehmoment, das zum Selbstanlaufen eines Synchronmotors mit einem Permanentmagneten erforderlich ist, muß größer sein als das zum Überwinden der Haftreibung notwendige Drehmoment zuzüglich des Steifigkeitsdrehmoments aufgrund des Permanentmagneten und des Trägheitsmoments des Rotors. Die geringe Dichte des Rotο !materials vermindert offensichtlich die Reibung und das Trägheitsmoment und das Steifigkeitsmoment des Permanentmagneten kann auf einen geeigneten Wert eingestellt werden, der von den Erfordernissen der jeweiligen Verwendung des Motors abhängt. Das mittlere Drehmoment, das von einem solchen Motor entwickelt werden kann, ist proportional zum Produkt des Magnetfeldes, das von dem der Spule aufgeprägten Strom herrührt, und dem Magnetfeld, das von den Permanentmagneten im Rotor herrührt. Beide diese Drehmomente hängen von den Eigenschaften und der Geometrie des magnetischen Weges durch den Rotor, den Stator und den den Rotor und Stator trennenden luftspalt ab. Weil der erfindungsgemäße Rotor dünn ist und ein kleines Trägheitsmoment hat, dabei aber eine große magnetische Arbeitsfläche hat, ist der Motor in der Lage, bei geringer Eingangsleistung ein hohes Drehmoment zu entwickeln und erfordert gleichzeitig im Vergleich zu herkömmlichen Motoren ein kleines Anlaufmoment. Es läßt sich

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zeigen, daß das maximale, ztua Selbstanlauf en des erfindungsgemäßen Synchronmotors erforderliche Drehmoment "beträgt:

T = 16/T J f² (T)

^Pr

wobei T das erforderliche Drehmoment, J das Trägheitsmoment des r

fiotors, f die Frequenz des Stromes, mit dem die Erregerspule beaufschlagt ist und P die Gesamtanzahl der Eotorpole ist. Daraus ist ersichtlich, daß das Trägheitsmoment J mmal sein sollte, um das zum Selbstanlaufen erforderliche Moment zu verkleinern.

Die Formel für das Trägheitsmoment des in Fig. 3 dargestellten Hot ors laut et:

J = D L_r A_r ² (2)

2 7Γ

wobei D die Dichte des Rotormaterials, L die Dicke des Hotormagneten und A die Gesamtoberfläche auf jeder Seite der Botorscheibe bezeichnet. Einsetzen der Gleichung (2) in die Gleichung (1) ergibt die folgende Gleichung:

^Tr ° ^{8 D} h ^Ar ^2f2 O)

Das zum Selbst anlaufen erforderliche maximale Drehmoment ist also proportional zur Dichte des Ho tors, der Dicke der Magnetpole, dem Quadrat der Oberfläche der Scheibe und dem Quadrat der Frequenz der Erregerspannung.

Die Formel für das maximale, vom erfiniungsgemäßen Synchronmotor abgegebene Drehmoment lautet:

*d ■ ^ ^Pr ⁽¹h + *r* *βΛ (4)

4MoA_p

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wobei TrI das maximale, vom Motor zu entwickelnde Drehmoment bedeutet, -P die Anzahl der Statorpolpaare, L die Luft spalt länge, s &

0 der Spitzenwert des durch, den aufgeprägten Strom erzeugten

magnetischen Flusses im Luftspalt, 0^ der maximale magnetische Nettofluß im Luftspalt, der von den Permanentmagneten des Rotors erzeugt wird, Mo. die Permeabilität des freien Zwischenraums und A die Querschnittsfläche eines einzelnen Stator- oder Botorpols ■bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, daß die erwähnte Formel unter der Toraussetzung genau ist, daß das Eisen des Stators nicht •gesättigt wird, der Fluß im Luftspalt sinusförmig sich, ändert und das Getriebespiel der nachgeschalteten TJhr derart ist, daß der Motor auf synchronerGeschwindigkeit ist, bevor ein Lastmoinsnt auf den Rotor zurückwirkt. Zusätzlich ist angenommen, daß die Stat ο röberf lachen die gleiche geometrische Ausbildung wie die Rotorpolflachen aufweisen und daß Randeffekte vernachlässigt werden. Diese Bedingungen sind für derzeitig verwendete TJhrengetriebe und Synchronmotoren zutreffend.

Die Flußausdrüeke in Gleichung (4) sollten in Ausdrücke für den Strom umgewandelt werden, damit die Gleichung (4) in Bezug auf die Eingahgsleistung und den Wirkungsgrad aussagekräftig ist. Die GIe ic hung (4) kann geschrieben werden als

T_A ^ 0,16 P₈ KI A_a R ( L_r ) (5)

wobei N die Anzahl der Wicklungen in der Erregerspule 21, I der maximale Strom, mit dem sie beaufschlagt wird, A die Gesamt ringfläche der permanenten Magnetpole, d.h. die magnetische Arbeitsfläche, R die Remanenz des Rotormaterials (Plastiform), die 0,22 weber/m beträgt, ist. Weil das entwickelte Drehmoment proportional zur magnetischen Arbeitsfläche A ist, ist wichtig, daß diese Fläche so groß wie möglich ist, indem die Seite·, jedes Magnetpols des Eotors an der Seite des benachbarten Pols anliegt.-

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Weil das maximale im Mittel entwickelte Drehmoment gleich oder größer dem maximalen im Mittel erforderlichen Drehmoment sein muß, werden die Gleichungen (3) und (5) gleichgesetzt, um den erforderlichen Strom zu bestimmen.

I = 5OD f² A² (Lr + Lg) (6)

" ^Pr ^Ps^Aa^RN

Die Gleichung (6) kann nun auf den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Synchronmotor angewendet werden, wobei die folgenden Werte für die Gleichungen der Parameter genommen werden:

P = 1
P = 16

V =	10 3 m
	1,26 χ 10 ~4 m2
Aa =	0,79 χ 10 ~4 m2
R =	0,22 weber/m2
D =	3,7 x 103 kg/m3
f =	64 Hz
N	6000

Der zum Selbstanlaufen des Synchronmotors erforderliche Wert I beträgt 10,48 mA und das entwickelte Ausgangsdrehmoment beträgt 1,21 χ 10 " Jiewtonmeter. Weil die Ausgangsleistung des Produkts des Äusgangsdrehmoments und der Winkelgeschwindigkeit des Rotors ist, errechnet sich die Ausgangsleistung zu 6,07

Die Eingangsleistung kann mit der folgenden Formel errechnet werden:

P₁ = I²R + P_o + P₀ (7)

wobei R der Gesamtwiderstand der Spule ist, der etwa 860JI beträgt, P der Leistungsverlust im Kern aufgrund der Hysterese und

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Wirb el s tr ömen i3t und schätzungsweise etwa 50 pW beträgt und P die Ausgangsleistung ist. Entsprechend errechnet sich die Eingangsleistung zu

-Pi = 6,07 +47,6 + .05 =53,72 mW Der Wirkungsgrad errechnet sich nun zu:

E = Po 100# = 6,07 100# = 11,3$ (8)

Wie ersichtlich, ist der Synchronmotor nicht nur in der Lage, genügend Drehmoment zum Selbstanlaufen zu entwickeln, sondern zusätzlich ist sein Wirkungsgrad wesentlich besser gegenüber dem Wirkungsgrad von etwa 1 $> von herkömmlichen vereinfachten Synchronuhrmotoren. Wenn es nicht nötig ist, daß der Motor selbst anläuft, wie beispielsweise in Fällen, in denen er von Hand gestartet wird, ist das hohe Anlaufmoment nicht erforderlich und als Folge davon genügt der Betrieb mit sehr geringer Leistung.

Aus Gleichung (6) ist ersichtlich, daß bei Erhöhung der Zahl der Statorpole sich der maximale, erforderliche Eingangsstrom vermindert. Sei beispielsweise angenommen, daß die Anzahl der Statorpole auf 8 zunimmt. Die obige Formel ergibt dann einen maximal erforderlichen Eingangsstrom von 1,31 mA, wobei das maximal entwickelte Drehmoment 1,21 χ 10 Hm beträgt. Weil die Ausgangsleistung das Produkt aus entwickeltem Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit des Hotors ist, beträgt die Ausgangsleistung P 6,07 mW und ist ebenso groß wie für den Stator mit nur einem Polpaar. Bei einem Spulenwiderstand von 860-Q.beträgt die Eingangsleistung zum Ausgleichen der Kupferverluste 0,744 mW und die Kernverluste sind etwa zehnmal höher als bei dem Stator mit einem Polpaar. Die gesamte Eingangsleistung P₁-errechnet sich mittels der Gleichung (7) zu 7,31 mW.

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Der Wirkungsgrad beträgt entsprechend Gleichung (8):

E = Po. 100$ = 6,07 (100) ^ 83,1$ PI 7,31

Durch Erhöhen der Anzahl der Statorpole wird der Wirkungsgrad des Synohronmotors erheblich vergrößert.

Pig. 4 stellt eine teilweise Endansicht des Stators dar "und zeigt die Ausbildung der Statorpolfläche relativ zum magnetisierten Bereich des Eotora. Der Statorteil 18 hat die ^ora eines abgestumpften Dreiecks. Diese Ausbildung stimmt fast genau mit der Ausbildung der permanentmagiaetisierten Polflächen des Rotors 25 überein. Der Teil 18 des Oberansätzes des Stators erstreckt sich nach unten zum unteren Teil des Spulenhalteansatzes 16, die Spule 21 ist nicht dargestellt. Der Ansatz 16 der Platte 17 des Stators ist dargestellt und, wie bereits erwähnt, zur Bildung eines einteiligen Stators mit der Platte 15 punktverschweißt. Während die erwähnten Gleichungen für einen Statorpol mit der Ausbildung gemäß Fig. 4 gültig waren, können die Statorpole rechteckig ausgebildet sein, wie am deutlichsten in Fig. 2 dargestellt. Die rechtwinklige Ausbildung der Polfläche erfordert weniger Arbeitsschritte bei der Herstellung des Stators und vermindert dadurch die Kosten des Motors, während die Eigenschaften des Motore, einschließlich seinem Wirkungsgrad, dadurch nicht wesentlich nachteilig beeinflußt werden.

In Fig. 7 ist ein Schaltbild der Antriebsschaltung für eine Wechselstromerregung der Spule 21 des Synchronmotors dargestellt. Die Schaltung beinhaltet drei wesentliche Teile, einen kristallgesteuerten Oszillator 47» eine !Peilerschaltung 49 und eine Antriebsschaltung 51 . Ober den Widerstand 43 wird der Schaltung Gleichst rom bzw. Gleichspannung zugeführt _t wobei der Widerstand 43 einen vorübergehenden Stromschutz für jeden der drei Bauteile der Schaltung bewirkt. Zwischen das niederspannung s seit ige Ende des Widerstandes 43 und ein Bezugspotential, wie Erde, ist eine Zehnerdiode 45

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geschaltet. Eine zweite Grleichspannungquelle 53 ist zwischen die Teilergchältung und die Antriebsschaltung angeschlossen, um ein geeignetes Vorspannungspotential zu erzeugen.

Die Oszillatorschaltung 47 enthält einen Quarzkristall 55, der mit einer Frequenz von 262,144 Hz schwingt. Quarzkristalle sind "bekannt und im Handel leicht erhältlich. Der Kristall 55 ist auf seiner einen Seite an den Eingang eines Verstärkers 57 und mit seiner anderen Seite über einen einstellbaren Kondensator 39 an den Ausgang- des Verstärkers gelegt. Der Eingang des Verstärkers 57 ist Weiter mit dem Bezugspotential über einen festen Kondensator 61 verbunden, der Ausgang des Verstärkers ist über einen festen Kondensator 63 mit dem Bezugspotential verbunden. Zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers 57 ist ein Vorspannwiderstand 65 geschaltet und spannt den Verstärker 55 in seinen Arbeitsbereich vor, um ein Oszillieren des Oszillators 47 auszulösen. Der veränderbare Kondensator 59 verändert die Resonanzfrequenz des Kristallosz.illators, wodurch die Frequenz am Ausgang des Verstärkers 57 verändert wird. Der Verstärker 57 gibt 262,144 Hz ab und ist an seinem Ausgang mit einem Trennverstärker 67 verbunden, der vorzugsweise eine hohe Eingangimpedanz hat, so daß der Betrieb der Dividierschaltung 49 die Frequenz des Ausgangs des Oszillators 47 nicht beeinflußt. Der Ausgang des Trennverstärkers 67 ist mit der Dividierschaltung 49 verbunden, die eine Vielzahl binärer Dividierstufen enthalte In der bevorzugten^ Ausführungsform enthält der Dividierer 49 zwölf in Serie verbundene Flip-Flops, die die Ausgangsfrequenz des Kristalloszillators auf 64 Hz hinunterteilen. Der Ausgang des Dividierers ist mit einer Antriebs schaltung 51 verbunden, die einen Ausgangsstrom in der Größenordnung einiger mA für die Spule 21 erzeugt. Die Divi die rs ehalt ung 49, die Antriebsschaltung 51", der Trennverstärker 67 und der Verstärker 57 sind auf einem; gewöhnlich als komplementärer Metalloxid-Halbleiter (G-MOS) bekannten integrierten Schaltungschip mittels integrierter

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Schaltungstechniken ausgebildet. Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung weist nicht nur einen hochstahilen 64 Hz-Ausgang zum Anschluß der Spule 21 auf, sondern erfordert zusätzlich eine sehr geringe Leistung aus einer Gleichspannungsquelle.

In ^ig. 5 ist ein Querschnitt eines selbstanlaufenden Synchronmotors mit einem Stator mit Vielfachpol dargestellt. Der Stator weist einen Kernbereich mit einem Paar Ansätzen 71 und 73 mit einem zylindrischen Verbindungsarm 75 auf, der die Ansätze voneinander trennt bzw. sie verbindet. Der Verbindungsarm 75 besteht aus weichem Eisen und weist ein durchgehendes Loch auf, durch das sich ein Bolzen zum Befestigen des Verbindungsarms an den Ansätzen 71 und 73 erstreckt. Die Ansätze 71 und 73 sind in der Nähe des Rotors 77 einwärts aufeinanderzu gebogen und weisen aufeinander ausgerichtete Löcher zum Durchlassen der Sotorspindel oder der Welle 89 auf.

In jedes Loch ist eine -Buchse 79 eingesetzt. Ein Paar zueinander komplementärer Statorpolstücke mit jeweils acht Polflächen ist an jeder Buchse angebracht, wobei die Polflächen der Polstücke aufeinander zugerichtet sind, wie aus Fig. 5 ersichtlich. In ^'ig.ö ist ein Polstück perspektivisch dargestellt. Durch seine Mitte erstreckt sich ein Loch 81, mit dem es an der Buchse 79 angebracht wird. Am äußeren Umfang des Polstückes ist eine Vielzahl Polflächen 84 ausgebildet, die sich vom Basisteil des Polstücks weg nach oben erstrecken. Diese Flächen sind jeweils durch einen eingekerbten Abschnitt 83 getrennt. Die Polflächen haben, wie dargestellt, die -k'orm abgestumpfter Dreiecke mit etwa der gleichen Form wie der magnetisierte Bereich des Rotors, der in Fig. 4 dargestellt ist.

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Der Stator wird von einem Paar Tragarmen 85 gehalten, die aus nicht magnetisiert em. Material bestehen. Die Polpaare bzw. Polstücke 78 werden mittels eines Paars von Abstands stücken 87 voneinander getrennt gehalten, die zwischen den Ansätzen 71 und 73 des Stators angeordnet sind und mittels eines Paare Bolzen befestigt sind, die sich durch die Tragarme 85, die Ansätze 71 und und die Abstandsstücke 87 erstrecken. Zwisehen den .Polstücken ist unter Freilassung., eines axialen Luftspaltes, der den Rotor von den Polstücken bzw. Polpaaren trennt, ein Rotor 77 angeordnet. Der Rotor ißt auf einer Spindel 89 angebracht, die im Rahmen 91 des Motors drehbar gelagert ist. Axiale Lager 93 ermöglichen eine reibungsarme Drehbewegung gegenüber den Tragarmen 85 und axiale Lager 94 ermöglichen eine reibungsarme Drehbewegung der Spindel gegenüber den Buchsen 79*

Im Betrieb zieht der mehrpolige Stator der 'Fig. 5 die Rotorpole in gleicher Weise an und stößt sie ab, wie der einfachpolige Stator den Rotor, mit Ausnahme, daß ständig mehrere Statorpole die entsprechenden Rotörpole anziehen und abstoßen, wodurch ein höheres Ausgangsdrehmoment erzeugt wird.

Im folgenden wird entsprechend der Erfindung die Fig. 8 beschrieben. Der Statorkern 13 weist dort einen Vorsprung 101 auf, der auf jeder Statorplatte 15 und 17 in der Nähe des Luftspalts angeordnet ist. Die Vorspränge erstrecken sich in einer Richtung parallel zur Ebene des Rotors 25, wie am besten aus Fig. 9 ersichtlich, die.eine Endansicht des Motors gemäß Fig. 8 ist. Die Vorspränge erstrecken sich nach rechts (in der Richtung, in der sich der Rotor dreht) von dem oberen Bereich 18 der Statorplatten 15 und 17 aus. Die Vorsprunge leiten das magnetische Feld, das von einem Statorpol durch den Rotor zum entgegengesetzten Statorpol hindurchtritt. Ein Teil des so gerichteten magnetischen Feldes tritt durch das nächstfolgende magnetische Segment des Rotors hindurch, wodurch die Möglichkeit verringert wird, daß der Rotor

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"beim Anlaufen gesperrt wird, wenn er direkt zwischen einem Statorpolpaar ausgerichtet ist, wie im folgenden erklärt wird. Die Vorsprünge 101 können jede geeignete Form oder Größe aufweisen, in einer "bevorzugten Aus führung sf ο rm haben sie zylindrische Form mit 1,58 mm Durchmesser und ragen 0,89 mm vor. Es hat sich herausgestellt, daß die runde Form das Ausbilden der Vorsprünge im Statorkern und ihre Anordnung nahe dem äußeren Umfang des Rotors 25 erleichtert.

Bezüglich der Einzelheiten des Anlaufens des Motors sei zunächst auf die Fig. 11 und 11a verwiesen, die sich auf die Fig. 1 bis 5 beziehen. Die Komponente des magnetischen Flusses, der einem Rotornordpol entspringt, folgt dem Eisen des Stators und fließt direkt dahinter in den Rotorsüdpol. Zusätzlich zu den Fig. 11 und 11a zeigt Fig. 12 eine Komponente des aus dem Nordpol des Rotors fließenden Flusses, der das Statoreisen neben, dem Luftspalt 27 benutzt, um zu den beiden benachbarten Südpolen des Rotors 25 zu fließen. Der Südpol des Rotors, der direkt hinter dem Nordpol des Rotors ist, kann für einen Teil des Elusses von zwei benachbarten Nordpolen als Ziel (wieder durch das Statoreisen neben dem Luftspalt 27) betrachtet werden. Fig. 13 ist ähnlich der Fig. 11, stellt aber schematisch einen größeren Teil des magnetischen Flusses dar, der im Stator 11 als Ergebnis des der Spule 21 zugeführten Stromes induziert wird.

Im folgenden sei der Zustand betrachtet, in dem der Spule 21 kein Strom zugeführt wird und Eisenvorsprünge 101 an der rechten Seite der Statorbereiche 18, in der Richtung, in die sich der Rotor dreht, angefügt sind. Wie in den Fig. 14 und 15 dargestellt, bewirkt diese Bedingung, daß sich die Rotorpole 25 nach rechts in die gestrichelte Stellung gemäß Fig. 14 bewegen und dort blieben, wenn die Flußkomponente der Fig. 12 nicht existierte. Es ist allgemein bekannt, daß ein Magnet immer das Bestreben hat, sich

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relativ zu Eisen derart auszurichten, daß der maximale magnetisehe Fluß Ton einem Nordpol an einen Südpol gekoppelt wird. Die Bedeutung der οιigen Bedingung wird nun in Verbindung mit dem · Anlaufen 'd$s Motors erläutert.

Anfänglich sei der Stator 11 ohne die Vorsprünge 101 ausgebildet (Fig.. 1 bis 5 und 11 bis 13). Ohne Strom in der Spule 21 richtet sich der Rotor 25 relativ zum Stator gemäß den Fig. 11 und 12 aus. Wenn die Spule 21 mit Wechselstrom beaufschlagt wird, wird im Stator 11 (gemäß Mg. T3) ein magnetischer Fluß induziert. Die Polarität des Flusses entspricht einer speziellen Periode eines Halbzyklus, wenn Wechselstrom zugeführt wird und reagiert mit dem Fluß des Rotors, Mit den Polaritäten gemäß den Fig» 11 bis 13 und wegen der wechselseitigen Anziehung zwischen Rotor und Stator wird der Rotor während des anfänglichen Halbzyklus des Stromes in der Irregerspule im Luftspalt gehalten. Während des folgenden Halbzyklus wird der Rotor als Wirkung der wechselseitigen Abstoßung aus dem Luftspalt getrieben. Wenn aber im Zusammenhang mit dem Rotor hohe Reibungen eine Rolle spielen, ist es möglich, daß das erzeugte Beschleunigungsmoment nicht ausreicht, um den Rotor genügend vorwärts zu treiben. Dies führt dazu, daß der Rotor in der Luftspaltflache gesperrt wird und der Motor nicht anläuft oder, unter veränderlichen Spannungsbedingungen, daß der Rotor zum Stillstand kommt, wenn er läuft.

Eine verbesserte Rotor-Statoranordnung würde den Rotor während beider Hälften des Stromzyklus beschleunigen. Dies könnte leicht dadurch erreicht werden, daß die Statorpole 18 etwa zweimal so breit wie die Statorpole gemäß Fig. H und 15 gemacht werden, während die Rotorpole wie dargestellt bleiben. Dies würde einen.kräftigeren Motor ergeben, weil das im Betrieb erzeugte Drehmoment aufgrund der wegen des geringeren magnetischen Widerstandes höheren Flußerzeugung größer wäre. Andererseits

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aber müßte die zum Starten des Motors erforderliche Eingangsenergie gegen das sogenannte Steifigkeitsmoment, das zu überwinden wäre, ziemlich hoch sein.

Entsprechend ist wünschenswert, den Stator so auszubilden, daß er beide Polaritäten der Rotorpole "sieht", dies aber nicht auf Kosten einer Vergrößerung der magnetischen Steifigkeit in einem Ausmaß, das dem Anlaufen hinderlich wäreο Es ist ersichtlich, daß die Stellung des Rotors 25 relativ zur Stellung des Stators gemäß J¹Xg. 15 zur Erreichung dieses Zieles wesentlich besser beiträgt als die Stellungen dieser Bauteile gemäß Fig. 14.

Zusammenfassend vergrößert die neuartige Verwendung der Vorsprünge 101 die in Fig. 12 dargestellte Flußkomponente und verringert die in Fig. 11 dargestellte Flußkomponente; die magnetische Steifigkeit ist nicht wesentlich vergrößert und der erfindungsgemäße Stator"101 sieht mehr von beiden benachbarten Rotorpolen, so daß das Selbstanlaufen wesentlich erleichtert ist.

Zusätzlich ist diese Bedingung bei einer Automobiluhr dann . wichtig, wenn der Zündschlüssel in die "An-Stellung" gedreht wird. Wenn der Startermotor betätigt wird, fällt die Batteriespannung erheblich unter ihren Sollwert von 12 V, insbesondere bei kaltem Wetter. Sollte die verringerte Spannung die Uhr nicht mehr betriebsfähig halten, würde sie nicht wieder anlaufen oder wenigstens einige Sekunden bei jedem Drehen des Zündschlüssels verlieren. Es ist offensichtlich, daß die Uhr unter solchen Bedingungen über eine längere Zeitdauer wesentlich Zeit verlieren würde. Die wirksame erfindungsgemäße Rotor-Statorkombination schließt nicht _/ nur solche StartSchwierigkeiten aus, sondern dient auch dazu, den Motor und die Uhr unter erschwerten Bedingungen in Betrieb zu halten.

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Im folgenden wird auf die Pig. 10 Bezug genommen, die eine .Endansicht einer abgeänderten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Synohronmotors mit einem Vorsprung 103 zeigt, der von dem oberen Teil 18 der Kernplatte 17 des Stators in eine Richtung parallel zur Ebene des Rotors vorsteht. Ein identischer Vorsprung ist im oberen Teil 18 der Platte 15 des Statorkerns angeordnet, so daß die beiden Vorsprünge sich in gleiche Richtung erstrecken und nahe des Luftspaltes zwischen dem. Statorpolpaar angeordnet sind« Wie bereits erwähnt, vergrößern diese Vorsprünge das Magnetfeld,' das von den Statorpolen durch den Rotor hindurchtritt und verbessern das Anlaufverhalten des Motors erheblich, weil der Rotor nicht mehr "sperrt", wenn ein magnetisches Segment des Rotors mit einer gegebenen Polarität direkt zwischen das Statorpolpaar in Lage kommt, das durch die Enden der Statorplatten 15 und 17 gebildet ist.

Die beschriebenen Synchronmotoren sind insbesondere zum Antrieb von Automobiluhren gut geeignet, weil sie sehr einfach und stabil bzw. unempfindlich aufgebaut sind und die Motore der Massenherstellung zugänglich machen. Desweiteren ist der Mechanismus, der die intermittierende hin- und hergehende Bewegung in Drehbewegung umsetzt und in Automobiluhren normalerweise erforderlich ist, der jedoch gegenüber Umgebungstemperaturänderungen und Stoßen empfindlich ist, überflüssig, weil die Synchronmotoren für das Uhrengetriebe direkte Rotationsenergie zur Verfügung stellen, wodurch eine genauere Automobiluhr geschaffen wird. Schließlich ermöglicht der erhöhte Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Motoren" ihre Verwendung in Automobilen, ohne daß die Entnahme von Energie aus der Batterie durch den Motor eine Rolle spielt.

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Patentansprüche 409882/0974

Claims (11)

Patentansprüche

1. . Synchronmotor_s gekennzeichnet durch

inen scheibenförmigen Rotor (25; 77) mit einem Hing permanentmagnetischer Pole (31, 33, 35, 36), die sich durch die Dicke des Rotors erstrecken und längs des Umfangs angeordnet sind, wobei sich neben einem Pol jeweils Pole in entgegengesetzter Polarität befinden, einen Stator (15, 16, 17, 18; 71, 73, 75, 78) mit einem Kern und einer Erregerspule (21), wobei der Kern wenigstens ein einen axialen Spalt (27) bildendes Polpaar aufweist, durch das der permanentmagnetische Ringbereich des Rotors hinaurchtritt. und die Erregerspule mit dem Statorkern zum Erzeugen eines Erregerfeldes im Kern gekoppelt ist, das zwischen den Statorpolen im wesentlichen senkrecht zur Rotorebene durch den Rotor tritt und die von den Rotorpolen erzeugten magnetischen Felder durch den Stator etwa senkrecht zur Oberfläche des Statorpolpaares hindurcht ret en.

2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e.t, daß der Rotor (25; 77) aus einem Material mit geringer Dichte und hoher Remanenz besteht und die ringförmig angeordneten magnetisiert en Pole des Rotors einteilig mit dem Rotor ausgebildet sind, wodurch der Rotor ein geringes Trägheitsmoment und eine große magnetische Arbeitsfläche aufweist.

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3. Synchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, gekennz ei c h.n e t durch zusätzliche, den magnetischen Fluß leitende Mittel (101; 103), die mit dem Stator zusammenwirken und neben den Rotorpolen angeordnet sind und den Fluß zwischen dem Hotor und Stator im Betriet des Motors verstarken.

4. Synchronmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen, den magnetischen Fluß leitendenMittel (101; 103). neben den Rotorpolen einen einteiligen Teil des Stators "bilden, wodurch der Motor relativ zu seinem Trägheitsmoment ein hohes Aiisgangsdrehmoment entwickelt.

5. Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch

g e k e η η ζ e i oh η e t, daß das Rotormaterial aus Bariumferritpulver, vermischt mit einem Binder geringer Dichte besteht.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 Ms 5_f dadurch g e — k e η η ζ ei c h η e t,, daß der Stator nur ein Polpaar aufweist.

7· Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 "b'is 5, dadurch

g e k e η η ζ e i ohne t, daß der Stat or kern ein Paar zueinander komplementärer Polstücke (78) aufweist, die eine Mehrzahl von Polpaaren bilden, wobei jedes Polpaar ähnlich den Rotorpolen ausgebildet ist.

8. Synchronmotor nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η -

ζ ei ο h η e t, daß die Polstücke (78) koaxial zum Rotor (77) angeordnet sind und starr mit dem Statorkern (71, 73, 75) verbunden sind und die zusätzlichen, den magnetischen Fluß leitende Mittel einen an jedem Polstück (78) in Drehrichtung des Rotors auag ebiId et en Vorsprung (101; 103) aufwei sen.

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9. Selbstanlauf ender Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennz eich η et, daß der Synchronmotor von einer Batterie gespeist wird und eine Automobiluhr antreibt.

10. Synchronmotor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Schaltung zum Erzeugen eines Wechselstrombetätigungssignals für die Erregerspule mit einem kristallgesteuerten Oszillator (47)_f einem Frequenzteiler (49) zum Teilen der Frequenz am Ausgang des Oszillators und einer auf den Frequenzteiler (49) ansprechenden Antriebsvorrichtung (Antriebsschaltung) zum Beaufschlagen der Erregerspule (21) mit Energie.

11. Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Pole einen Vorsprung aufweist, der sich vom Pol aus in einer Ebene parallel zur Ebene des Rotors erstreckt und das zwischen den Statorpolen im wesentlichen senkrecht durch die Ebene des Rotors tretende Erregerfeld von den Vorsprüngen leicht gestört wird, wodurch ein Sperren des Rotors relativ zum Stator verhindert wird.

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