DE2507198A1 - Gleichstrommotor - Google Patents

Description

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Dr.-lng. Wolff H. Bartels

2507198 Dipl.-Chem. Dr. Brandes

Dr.-lng. Held Dipl.-Phys. Wolff

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6.9.1974/3322rhb

Blocher-Motor KG., 7418 Metzingen (Baden-Württemberg)

Gleichstrommotor

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Aufträge sind nur nach schriftlicher Bestätigung verbindlich

-Jr-

Λ.

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor mit ausgeprägten Erregerpolen und einem durch Permanentmagnete erzeugten Erregerfeld.

Für eine Reihe von Antriebsaufgaben ist der Einsatz von Gleichstrommotoren mit Feldschwächung erforderlich, um das erforderliche Drehzahl-Drehmoment-Verhalten des Antriebes zu erreichen. Wird zusätzlich noch die Forderung nach einem möglichst hohen Wirkungsgrad gestellt, wie dies beispielsweise bei einer Speisung des Antriebsmotors aus einer Batterie der Fall sein kann, dann zeigt sich, daß eine Verbesserung des Wirkungsgrades der bekannten Motoren nur in sehr geringem Umfang und nur mit relativ großem Aufwand möglich ist. Zwar lassen sich die Kupferverluste in der Erregerwicklung durch die Verwendung von Permanentmagneten vermeiden. Damit entfällt aber auch die Möglichkeit der Feldschwächung, so daß der Motor entweder aus diesem Grunde oder aber wegen des zusätzlichen Aufwandes für die elektronische Steuerung und die durch sie bedingte Verminderung des Wirkungsgrades für die Antriebsaufgäbe nicht mehr in Frage kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrommotor zu schaffen, der sowohl einen großen Feldschwächungsbereich als auch einen hohen Gesamtwirkungsgrad hat. Bei einem Gleichstrommotor der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Feldschwächungseinrichtung mit Brücken aus einem magnetisch leitenden Werkstoff zwischen den Erregerpolen vorgesehen ist und die Brücken in Stellungen mit unterschiedlichem magnetischem Widerstand des vom einen benachbarten Erregerpol über die Brücke zum anderen benachbarten Frregerpol verlaufenden magnetischen Weges verstellbar angeordnet sind.

Durch die Verwendung von Permanentmagneten für die Erzeugung des Erregerfeldes werden Felderregerspulen und die in ihnen entstehenden Verluste vermieden, was die Erreichung eines sehr hohen Wirkungsgrades ermöglicht. Der den bekannten Permanentmagneten und Gleichstrommotoren anhaftende Nachteil, keine Feldschwächung

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vornehmen zu können, ist aber durch die verstellbaren Brücken beseitigt, welche einen magnetischen Shunt veränderbaren Leitwertes zu dem durch den Anker gehenden magnetischen Weg des Erregerfeldes bilden. Hierbei ist von besonderem Vorteil, daß nur der durch den Anker gehende magnetische Fluß durch die Brücken geschwächt wird, nicht aber der durch die Pole gehende Gesamtfluß. Weiterhin ist von besonderem Vorteil, daß der Aufwand für die Feldschwächungseinrichtung sehr gering ist, da diese einen äußerst einfachen Aufbau hat.

Vorzugsweise sind die Brücken in radialer Richtung bezüglich des Ankers zwischen diesem und dem die Erregerpole tragenden Joch verschiebbar. Die Verschiebung der Brücken hat dann praktisch keine Änderung der Feldverteilung in axialer Richtung zur Folge, wie dies der Fall wäre, wenn man die Brücken in axialer Richtung verschieben würde, was natürlich auch zu einer Änderung des durch den Anker hindurchtretenden magnetischen Flusses führen würde.

Um die Brücken möglichst klein und damit gewichtsarm halten zu können, ist es zweckmäßig, in der Stellung größter Feldschwächung den magnetischen Übergangswiderstand von den Polen zu der Brücke so gering wie möglich zu machen. Dies wird in einfacher Weise dann erreicht, wenn der Zwischenraum zwischen den benachbarten Erregerpolen zumindest in dem dem Anker benachbarten Bereich keilförmig ist und in die in diesem Zwischenraum ange- ordnete Brücke eine entsprechende Keilform hat. Es kann dann eine gute Anlage der dem Erregerpol zugekehrten Stirnfläche der Brücke am Erregerpol erzielt werden.

Sofern es erwünscht ist, eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Verschiebeweg der Brücke und der Feldschwächung zu haben, kann man den Erregerpolen und/oder den Brücken ein Seitenprofil geben, das eine lineare Änderung des magnetischen Widerstandes des über die Brücke verlaufenden magnetischen Weges mit der radialen Ver-

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Schiebung der Brücke ergibt. Selbstverständlich kann aber durch eine entsprechende Profilierung auch ein anderer funktioneller Zusammenhang zwischen der Feldschwächung und dem Verschiebeweg der Brücke erzielt werden.

Um die Symmetrie des magnetischen Flusses im Motor nicht zu stören, ist es zweckmäßig, eine allen Brücken gemeinsame und diese synchron bewegende Verstellvorrichtung vorzusehen. Eine solche Verstellvorrichtung kann beispielsweise über Steuerkurven, die an allen Brücken gemeinsamen Stellringen vorgesehen sind, die Verstellung der Brücken bewirken.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Querschnitt

Ausführungsbeispiels im Zustand ohne Feldschwächung;

Fig. 2 einen Querschnitt entsprechend Fig. 1 im Zustand maximaler Feldschwächung.

Ein Gleichstrommotor, von dem nur seine magnetisch aktiven Teile, nämlich sein als Ganzes mit 1 bezeichnetes Erregersystem und sein Anker 2 dargestellt sind, weist eine durch Permanentmagnete 3 erzeugte Felderregung auf. Die Permanentmagnete 3 sind bei der im Ausführungsbeispiel gewählten, vierpoligen Ausbildung des Motors je um 90° gegeneinander versetzt an der Innenmantelfläche eines hohlzylindrischen Joches 4 befestigt. Ihre dem Anker 2 zugekehrte Polfläche trägt einen Weicheisenschuh 5, der mit der Mantelfläche des Ankers in üblicher Weise einen in Umfangsrichtung konstanten Luftspalt 6 bildet. Die seitlichen Begrenzungsflächen 5¹ der Weicheisenschuhe 5 schließen mit der durch die Mitte der Pollücke gehenden Symmetrieebene einen spitzen Winkel ein, der im Ausführungsbeispiel bei allen Begrenzungsflächen gleich groß ist. Der Zwischen-

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raum zwischen benachbarten"Weicheisenschuhen ist daher keilförmig .

Keilform hat im Ausführungsbeispiel auch der Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten 3, da diese seitlich

ebene und senkrecht auf der ebenfalls ebenen Polfläche stehende Seitenflächen 3' haben.

In jeder Lücke zwischen zwei benachbarten, entgegengesetzt magnetisierten, durch je einen Permanentmagneten und einen Weicheisenschuh gebildeten Polen ist je eine Brücke 7 einer im übrigen nicht dargestellten Feldschwächungseinrichtung angeordnet. Die alle gleich ausgebildeten Brücken 7 bestehen aus einem magnetisch leitenden Werkstoff, beispielsweise . Weicheisen, und erstrecken sich über die gesamte Länge des Ankers 2. Die Brücken 7 haben die Aufgabe, den Streufluß der Pole zu beeinflussen, um auf diese Weise den durch den Anker 2 tretenden Fluß zu verändern. Daher sind die Brücken 7 radial verschiebbar geführt und mit einer nicht dargestellten Verstellvorrichtung gekuppelt, welche eine synchrone und gleichmäßige Bewegung aller Brücken 7 bewirkt.

Die Brücken 7 haben ein V-ähnliches oder U-ähnliches Ouerschnittsprofil, wobei die Schenkel nach innen gerichtet sind. Anstelle einer einstückigen Ausbildung der Brücken 7, vrie sie im Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, könnte selbstverständlich auch eine mehrteilige gewählt werden. Der Keilwinkel, den die beiden eben ausgebildeten Endflächen der beiden Schenkel der Brücken 7 einschliessen, ist dem Keilwinkel zwischen den seitlichen Begrenzungsflächen 5¹ benachbarter Pole angepaßt. Infolge einer Anordnung der Brükken 7 in der Symmetrieebene der Pollücke und einerAnpassung an die Größe der Pollücke in Umfangsrichtung können die Brücken 7 so weit gegen den Anker 2 hin verschoben werden, daß der Luftspalt zwischen ihnen und dem Anker noch ausreichend groß ist, um das die kommutierenden Spulen beeinflussende Feld in der Pollücke nicht zu groß werden zu lassen. In dieser in Fig. 2 dargestellten Stellung der Brücken liegen deren Seitenflächen an den · seitlichen Begrenzungsflächen 5' der Weicheisenschuhe im Abstand von der Polkante an. Der magnetische Widerstand des magnetischen

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Weges über die Brücken hat daher in dieser Brückenstellung sein Minimum. Dies bedeutet, daß in dieser Brückenstellung der Streufluß der Pole, der durch eine Feldlinie 8 in Fig. 2 symbolisiert ist, seine maximale Größe erreicht. Da die Brücken 7 den gesamten Fluß, der durch die Permanentmagnete 3 oder den Abschnitt des Joches zwischen zwei benachbarten Polen fließt, nicht verändern, V7ird der in den Anker 2 eintretende Fluß, der durch eine FeId-

der Vergrößerung linie 9 gekennzeichnet ist, im Ausmaße/des Streuflusses geschwächt.

Das Maß der maximalen Feldschwächung kann durch das für die Brücken 7 verwendete Material und die Querschnittsflächen der Brücken, die für den Durchtritt des Streuflusses zur Verfügung steht, auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Natürlich wäre es auch möglich, in der Stellung größter Feldschwächung zwischen den Brücken und den benachbarten Weicheisenschuhen einen mehr oder weniger großen Luftspalt vorzusehen.

Liegen die Brücken 7 an der Innenmantelfläche des Joches 4 an, wie dies Fig. 1 zeigt, dann hat der Streufluß etwa den durch die Linie 10 angedeuteten Verlauf. Die Brücken 7 liegen also außerhalb des magnetischen Weges des Streuflusses und beeinflussen daher in dieser Stellung das Erregerfeld des Motors nicht. Der in den Anker 2 eintretende, durch die Feldlinie 11 angedeutete Fluß hat deshalb in dieser Stellung der Brücken 7 seine maximale Größe.

Je weiter die einen magnetischen Shunt bildenden Brücken 7 aus der in Fig. 1 dargestellten Stellung in radialer Richtung in den symbolisch dargestellten Führungen 12 gegen den Anker 2 hin verschoben werden, vermindert jede Brücke den magnetischen Widerstand im Pfad des Streuflusses. Entsprechend der dadurch bewirkten Zunahme des Streuflusses vermindert sich der durch den Anker 2 hindurchtretende Hauptfluß. Da bei dieser Verschiebung der Brücken keine Verminderung des Gesamtflusses erfolgt, verändert sich der Arbeitspunkt der Permanentmagnete nicht. Daher kann die Feldschwächung beliebig oft wiederholt werden, ohne daß dadurch

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eine bleibende Entmagnetisierung der Permanentmagnete 3 eintreten würde.

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Claims (5)

Patentansprüche

1. \Gleichstrommotor mit ausgeprägten Erregerpolen und einem durch

Permanentmagnete erzeugten Erregerfeld, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feldschwächungseinrichtung mit Brücken (7) aus einem magnetisch leitenden Werkstoff zwischen den Erregerpolen (3,5) vorgesehen ist und die Brücken in Stellungen mit unterschiedlichem magnetischen Widerstand des vom einen benachbarten Erregerpol über die Brücke zum anderen benachbarten Erregerpol verlaufenden magnetischen Weges verstellbar angeordnet sind.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücken (7) in radialer Richtung bezüglich des Ankers (2) zwischen diesem und dem die Erregerpole (3,5) tragenden Joch (4) verschiebbar sind.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwi-

• schenraum zwischen benachbarten Erregerpolen (3,5) zumindest in dem dem Anker (2) benachbarten Bereich (5) keilförmig ist und die in diesem Zwischenraum angeordnete Brücke (7) eine entsprechende Keilform hat.

4. Motor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerpole (3,5) und/oder die Brücken (7) ein Seitenprofil haben, das eine wenigstens annähernd lineare Änderung des magnetischen Widerstandes des über die Brücke verlaufenden magnetischen Weges mit der radialen Verschiebung der Brücke ergibt.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine allen Brücken (7) gemeinsame und diese synchron bewegende Verstellvorrichtung.

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