DE2436886B1

DE2436886B1 - Selbstanlaufender Synchronmotor und Schrittmotor mit Dauermagnetrotor

Info

Publication number: DE2436886B1
Application number: DE2436886A
Authority: DE
Inventors: Claus Schaeffer; August Spiesberger
Original assignee: GERHARD BERGER FABRIKATION ELEKTRISCHER MESSGERAETE 7630 LAHR
Current assignee: Gerhard Berger & Co KG Fabrik Elektrischer Ge GmbH
Priority date: 1974-07-31
Filing date: 1974-07-31
Publication date: 1975-10-09
Also published as: US4031419A; DE2436886C2

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstanlaufenden Synchronmotor der im Gattungsbegriff des A 1 angegebenen Bauart.

Synchronmotoren dieser Bauart werden in vielen Ausführungen gebaut. Für selbstanlaufende Synchronmotoren mit Dauermagnetrotoren ist es bekanntlich unbedingt erforderlich, die Umfangsgeschwindigkeit und das Trägheitsmoment des Rotors klein zu machen. Deshalb werden diese Motoren ausschließlich vielpolig bzw. mit kleinem Rotordurchmesser ausgeführt.

Geht man von der im Motorenbau sonst allgemein üblichen Einstatorbauweise (Fig. 6 und 6a) aus, bei der die Statorpol-Wicklungen W, W' (Fig. 6 und 6a) der verschiedenen Phasen abwechselnd auf die Statorpole aufgebracht werden, dann muß bei vorgegebenem Stator- und Rotordurchmesser die Polteilung xpr des Dauermagnetrotors doppelt so groß gemacht werden wie die Statorpolteilung xps. Außerdem nimmt der Rotor eine für den Selbststart ungünstige Ruhestel- ^6s lung ein.

Abgesehen von den niedrigen Herstellungskosten haben sich derart aufgebaute Einstator-Synchronmotoren in der Praxis nicht bewährt, da die für den Anlauf erforderliche Erregerleistung viel zu groß gemacht werden muß. Dies hat eine unzulässige thermische Überlastung der Statorwicklungen und eine Entmagnetisierung der Dauermagnetrotoren zur Folge.

Eine wesentliche Verbesserung der thermischen und elektromagnetischen Eigenschaften wurde erzielt mit der zur Zeit vielfach angewandten Bauweise, bei der zwei Einphasenmotor-Systeme I und II (Fig. 7) axial in Reihe angeordnet und mechanisch gekoppelt werden. Die Herstellungskosten derart aufgebauter Synchronmotoren sind jedoch erheblich größer als bei einem Einstatormotor.

Es wurde daher versucht, die guten Eigenschaften beider Motoraufbausysteme zu vereinen, ohne die schlechten Eigenschaften in Kauf nehmen zu müssen.

Zu diesem Zweck wurden in einem einzigen Stator die STatorpole für die beiden Phasenwicklungen W und W mit den Erregerflüssen Φ_χ und Φ₂ (Fig. 8a) am inneren Statorumfang nicht mehr diametralsymmetrisch angeordnet, sondern zu Statorpolgruppen SG und SG' je Phase (Fig. 8) zusammengefaßt. Die Polteilung beim Rotor und innerhalb der Statorpolgruppen wurde hierbei gleich τρ gemacht.

Die Statorpolgruppen der einzelnen Phasen wurden am inneren Umfang um den für ein Kreisdrehfeld erforderlichen räumlichen Versatzwinkel ö = τρ/m tangential versetzt angeordnet, wobei m die Phasenzahl bedeutet.

Diese so gefundene Lösung für einen Einstator-Synchronmotor, bei der z. B. in einer achtpoligen Zweiphasen-Maschine mit ρ = 4 die Anzahl der Erregerspulen von sechzehn auf sechs herabgesetzt werden konnte, nur noch ein einziger Dauermagnet für den Rotor erforderlich war und das umständliche Paaren der Rotormagnete wegfiel, brachte eine wirtschaftlich sehr ins Gewicht fallende Herabsetzung der Herstellungskosten.

Dieses Motorprinzip wurde vom gleichen Anmelder zum Patent angemeldet und wurde unter Nr. 23 37 905 offengelegt.

Ein raumbezogener Leistungsvergleich mit dem Motor, bestehend aus zwei gekoppelten Einstator-Synchronmotoren (Fig. 7), ergab für den obigen Einstator-Synchronmotor eine Leistungsverminderung. Dies war auf die ungenügende Ausnützung des Statorraumes und des Dauermagneten zurückzuführen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diese Leistungsverminderung zu vermeiden und das abgegebene Anzugs- und synchrone Drehmoment zu erhöhen. Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Gemäß Fig. 1 sind den bewickelten Statorpolen 2 bis 7 weitere unbewickelte Statorpole 1 und 8 hinzugefügt, die etwa halb so breit wie die Hauptpole 2 bis 7 sind. Die Polabstandswinkel α zwischen den Hauptpolen einer Statorpolgruppe und zwischen Haupt- und Hilfspolen sind gleich.

Man erhält somit im gezeigten Beispiel eines Zweiphasenmotors (Fig. 1 und la) je Phase drei statt zwei geschlossene magnetische Kreise über dem Rotor, die zur Drehmomentbildung beitragen.

Der Gewinn an Drehmoment beträgt, ohne dabei die aufgenommene Leistung zu erhöhen, < 30 %.

Der zweite ^Vorteil der erfindungsgemäßen Polanordnung besteht darin, daß der Rotor immer eine sehr exakte und steife Startstellung einnimmt, da die

beiden Hilfspole 1 und 8 den Magnetrotor auf die für den Start von selbstanlaufenden Synchronmotoren mit Dauermagnetrotoren bekanntlich ideale Mittelstellung zentrieren. Gleichzeitig ergibt dies ein großes statisches Haltemoment, das besonders wichtig ist für Regelungsmotoren mit großem Gegenmoment im stromlosen Zustand und beim Einsatz als Schrittmotor.

Das neue Motorprinzip mit Hilfspolen läßt sich natürlich auch auf Motoren mit einer größeren Anzahl von Rotorpolen anwenden. Man wird jedoch dann zweckmäßig die Gruppenzahl u der Statorpole verdoppeln und so anordnen, daß immer zwei Polgruppen einer Phase sich diametral gegenüberliegen (Fig. 5 und 5 a).

Desgleichen läßt sich das erfindungsgemäße Motorprinzip auch für Motoren mit mehr als zwei Phasen (Fig. 2a) anwenden. In Fig. 2 wird z. B. ein Statorschnitt für einen Dreiphasenmotor gezeigt mit 2p = 12 Polen und einem Pol-Gruppenversatzwinkel τρβ.

Die Voraussetzung für mehrphasige Motoren nach obigem Prinzip ist die ganzzahlige Teilbarkeit der Rotorpolzahl 2p durch die Phasenzahl m. Es hat sich für sämtliche erfindungsgernäßen Statorpolanordnungen als richtig erwiesen, das Verhältnis V gleich Anzahl der Statorhauptpole, dividiert durch die Anzahl der Rotorpole Ip, so zu wählen, daß V — 0,666 oder 0,75 wird.

Eine weitere Verbesserung des abgegebenen Drehmoments, wenn auch nicht mehr so erheblich, läßt sich erfindungsgemäß erzielen durch das Hinzufügen weiterer Hilfspole, z. B. 9 in Fig. 3 bzw. 13 und 14 in Fig. 4. Aus räumlichen Gründen kann der Pol 9 und 14 jedoch nur eine nahezu spitze Form haben. Der PoI-abstandswinkel zwischen Haupt- und Hilfpsol 9 ist

ίο io diesem Fall a/2.

Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Hilfspolanordnung wird bei dieser neuen Motorbauart der zur Verfügung stehende Innenraum des Stators optimal ausgenutzt. Gegenüber der Erfindung nach P 23 37 906.7 bleibt der Herstellungsaufwand gleich, jedoch werden durch die neu hinzugefügten Hilfspole die elektrischen und mechanischen Kenndaten, die ivioioreigenschaften sowie der Gesamtwirkungsgrad nachweisbar wesentlich verbessert.

Der neue Motor kann, wie jeder Synchronmotor mit gepoltem Rotor, selbstverständlich auch als Schrittmotor eingesetzt werden. Hierfür wird es zweckmäßig sein, um Ansteuerungsmittel einzusparen, die Feldwicklungen bifilar gewickelt auszuführen und die Wicklungsenden in bekannter Weise mit den Schalttransistoren zu verbinden.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Selbstanlaufender Synchronmotor bzw. Schrittmotor für m < 2 Phasen, mit vielpoligem Dauermagnetrotor, gleichem Polteilungswinkel τρ von Stator und Rotor, einzeln erregten, nach innen gerichteten Statorhauptpolen, die je Phase zu · u Gruppen abwechselnder Polarität zusammengefaßt auf den abwechselnd gepolten Rotor wirken, wobei die Statorpolgruppen räumlich um den Winkel τρ/m = δ = 180 /m ■ ρ gegeneinander versetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß außer den Statorhauptpolen mindestens ein unbewickelter Statorhilfspol etwa halber Polbreite je Gruppe und Phase vorgesehen ist, so daß die Gesamtzahl der Statorpole mindestens so groß wie die Zahl der Rotorpole wird (Fig. 1, 2, 3 und 5).

2. Selbstanlaufender Synchronmotor bzw. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polabstandswinkel α zwischen den Statorhauptpolen untereinander und den schmalen Statorhilfspolen gleich ist.

3. Selbstanlaufender Synchronmotor bzw. Schrittmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser bei Ausführung als Zweiphasenmotor mit einem achtpoligen Dauermagnetrotor (Fig. 1) und den Phasenwicklungen W₁ und W₂Je Phase drei Hauptpole und einen Hilfspol von etwa halber Hauptpolbreite, also insgesamt acht Statorpole besitzt.

4. Selbstanlaufender Synchronmotor bzw. Schrittmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser bei Ausführung als Zweiphasenmotor mit einem achtpoligen Permanentmagnetrotor (Fig. 2) mit den Phasenwicklungen W₁ und W₂ je Phase drei Hauptpole und einen Hilfspol von der halben Hauptpolbreite sowie einen zusätzlichen spitzen Hilfspol, den beiden anderen Hilfspolen symmetrisch gegenüberliegend, alsi insgesamt neun Statorpole besitzt.