DE2646497B2 - Elektrischer Induktionsmotor, insbesondere zum Antrieb eines Antennensystems - Google Patents

Description

Db Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Induktionsmotor, insbesondere zum Antrieb eines Antennensystems, mit einem Stator und einem Rotor, von denen wenigstens der eine zumindest teilweise eine angenähert sphärische Oberfläche besitzt und der andere eine Anzahl auf einem Kreis angeordneter Elektromagnete aufweist, von denen die Spulen jeweils benachbarter Elektromagnete von Erregerströmen unterschiedlicher Phasenlage derart durchflossen sind, daß eine relative Drehung der beiden durch Stator und

Rotor gebildeten Teile des Motors gegeneinander um

eine Drehachse ermöglichendes Drehmoment entsteht

Ein derartiger elektrischer Induktionsmotor ist aus

der DE-OS 190 68 03 bekannt Ein drehfelderzeugender Stator und ein von diesem angetriebener Rotor bilden miteinander einen Luftspalt, der durch Rotationsflächen dieser Elemente begrenzt wird. Durch eine Lagerkugel ist der Rotor dabei am gemeinsamen Mittelpunkt dieser Rotationsflächen so gelagert, daß er um den Mittelpunkt der Lagerkugel begrenzte Taumelbewegungen ausführen kann. Durch diese Art der Drehachsenlagerung soll erreicht werden, daß der taumelnde Rotor keinerlei verschleißempfindliche Radiallager benötigt, welche die bei unsymmetrischen Drehfeldern und ähnlichen störenden Ursachen auftretenden Radialkräfte aufnehmen müßten. Eine derartige taumelfähige Aufhängung des Rotors stört bei manchen Anwendungszwecken (Gebläsen und Pumpen) nicht und kann sogar für Schleif- und Poliergeräte bewußt ausgenützt werden, wie es beispielsweise aus der DE-OS 161 53 23 bekannt ist, wo wiederrum ein Induktionsmotor mit sphärischem Luftspalt und taumelfähigem Rotor beschrieben wird. Da jedoch die auf die Drehachse des Rotors wirkenden Radialkräfte, welche zur Taumelbewegung führen, nicht unter Kontrolle gebracht werden, lassen sich derartige Induktionsmotoren dort einsetzen, wo wie beispielsweise im Antennenbereich die Richtung der Drehachse konstant oder steuerbar stabil gehalten werden muß.

Auch der in der DE-AS 115 07 52 gezeigte, für besonders hohe Drehzahlen entwickelte Kurzschlußläufermotor mit angenähert sphärischem Rotor zeigt keine Steuerungsmöglichkeit für die auf die Drehachse des Rotors wirkenden Radialkräfte. Diese würden bei diesem Motortyp unzumutbar hohe Verluste in den Lagern hervorrufen, welche deshalb elastisch Aufgehängt sind, um dem Motor in gewissem Umfang eine der Präzision eines Kreisels ähnelnde Taumelbewegung zu ermöglichen. Zwar wird versucht, die bei elliptischem Drehfeld auftretenden Unsymmetriekräfte durch kleine Kerne aus magnetischem Material im Kurzschlußläufer zu kompensieren, gleichzeitig jedoch angegeben, daß

der Ausgleich nur bis zu einem gewissen Umfang möglich ist Eine bewußte Steuerung der Unsymmetrie- oder Radialkräfte ist damit nicht möglich. Gleiches gilt vom »Moving Windowe-Motor, der in »Electrical Review« vom 28. Juli 1967, S. 126 bis 128 beschrieben ist, und bei dem zur Vermeidung von unsymmetrischen magnetischen Zugkräften Statorwicllungen gleicher Polrichtung diametral dem Läufer gegenübergesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die im Induktionsmotor auftretenden Radialkräfte auf einfache und wirtschaftliche Weise so zu steuern, daß bei Betrieb eine gewünschte, stabile Kipplage der Drehachse des Roters erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem elektrischen Induktionsmotor der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Drehachse des Rotors bezüglich des Stators kippbar geführt ist, und daß das Kippen der Drehachse unter Beibehaltung der Drehung durch Änderung der Spannung und/oder Phase der die Spulen der ersten Elektromagnete durchfließenden Erregerströme steuerbar durch Schaltungseinrichtungen ist

Mit diesen Maßnahmen wird eine Steuerung der Radialkraft erreicht, die bei Änderung von Spannung und/oder Phase der Erregerströme entsteht und auf den Rotor wirkt Die Kippführung der Drehachse des Rotors läßt dabei eine gewünschte Auslenkung der Drehachse zu.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Induktionsmotor liegt darin, daß keine Drehachsenlagerungen vorgesehen sind, die Radialkräfte aufnehmen müssen und daher dem Verschleiß unterworfen sind. Weiterhin läßt sich die Kipplage der Drehachse durch einfache und damit funktionssichere schaltungstechnische Meßnahmen erreichen, mit deren Hilfe lediglich die gewünschte Spannung- und/oder Phasenänderung der Erregerströme eingestellt wird

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist jede Spule der einen Bestandteil des einen Motorteils bildenden ersten Elektromagnete auf einem U-förmig ausgibildeten Kern (1, 2, 3) angeordnet, dessen Polflächen zumindest näherungsweise auf der Oberfläche einer imaginären Kugel liegen, die zur angenähert sphärischen Oberfläche des jeweils anderen Motorteils konzentrisch ist Auf diese Weise wird auch bei verkippter Drehachse ein sphärischer Luftspalt zwischen Stator und Rotor beibehalten, so daß sich auch in dieser Position der Drehachse der magnetische Feldlinienverlauf durch den Luftspalt und damit das ursprüngliche Drehmoment des Induktionsmotors im wesendlichen erhalten bleiben.

In der einfachsten Ausführungsform sind die Spulen, die von einer geeigneten Phase einer regulären Dreiphasen-Stromversorgung gespeist werden, unter einem Winkelabstand von 120° angeordnet Der Vorteil einer Verwendung von lediglich 3 Spulen liegt darin, daß diese Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Induktionsmotors an eine normale dreiphasige Netzversorgung angeschlossen werden kann.

Vorteilhafterweise erfolgt die Kippführung der Drehachse des Rotors durch eine kugelartige Lagerung, die den Rotor gegenüber dem Stator stützt Bei dieser drehbaren Lagerung wird die Größe der Auslenkung der Drehachse durch die Scherkraft begrenzt, welche der resultierenden Radialkraft entgegenwirkt

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Kippfühmng der Drehachse des Rotors durch eine weitere Anzahl von aus Spulen und Kernen aufgebauten zweiten Elektromagneten, die in einem zweiten zum ersten Kreis konzentrischen Kreis angeordnet sind, wobei die Spulen der zweiten Elektromagneten von Erregerströmen derart durchflossen sind, daß die daraus resultierende, auf den Rotor wirkende Radialkraft entgegengerichtet ist, die von den Spulen der ersten Elektromagnete auf den Rotor ausübbar ist Bei dieser bevorzugten Aüsführungsform

ίο kann auf eine mechanische Haltevorrichtung verzichtet werden, da die Kippführung der Drehachse durch rein elektromagnetische Wirkungen erfolgt Ergibt sich zusätzlich zwischen den beiden Motorteilen ein Abstoßeffekt ausreichender Größe, dann wird der Rotor vom Stator (oder umgekehrt) lediglich mit Hilfe elektromagnetischer Effekte freischwebend getragen, so daß jegliche Lagerreibungen ausgeschaltet sind.

Die Erfindung wird im folgenden beispiesweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf den Stator eines erfindungsgemäßen Induktionsmotors,

Fig.2, 3 Seitenschnittansichten zweier fnduktionsmotoren, bei denen der Stator aus F i g. 1 eingebaut ist; dabei wurden Teilbereiche weggeschnitten,

F i g. 4 einen bevorzugten Stator,

F i g. 5 eine Schnittansicht eines anderen erfindungsgemäßen Induktionsmotors und

F i g. 6 eine Draufsicht auf den Kern des Stators, der im Induktionsmotor nach Fig.5 Verwendung findet; dabei wird der Kren im ungewickelten Zustand wiedergegeben.

Für gleiche Bauelemente wurden durchgehend dieselben Bezugszeichen verwendet
Nach F i g. 1 und 2 besteht der Stator aus einer Anordnung aus drei U-förmigen Kernen 1,2 und 3, von denen jeder eine gewickelte Spule 4,5 bzw. 6 trägt Die Kerne 1, 2 und 3 erstrecken sich in radialer Richtung von einer vertikalen Achse 7 und besitzen untereinander einen Winkelabstand von 120°. Die Kerne 1, 2 und 3 bzw. ihre zugehörigen Spulen 4, 5 und 6 sind von einander genau gleicher Bauart; sie besitzen, wie man am besten der F i g. 2 entnimmt zu oberst liegende Flächen, die näherungsweise auf der Oberfläche einer imaginären Kugel 8 liegen, die in F i g. 2 mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist

Der Rotor besteht aus einer kugelförmigen Schüssel 9 aus Aluminium. Dabei ist die kugelförmige unter Oberfläche der Schüssel 9 konzentrisch zur imaginären Kugel 8. Die Schüssel 9 aus Aluminium ist mittels einer

so dieser Aufhängestäbe 10 ist in F i g. 1 dargestellt Die Aufhängestäbe 10 sind an einem festen Punkt (nicht dargestellt) über der Schüssel 9 befestigt, der auf der Achse 7 liegt Die Aufhängestäbe 10 sind an dem zuvor erwähnten festen Punkt oberhalb der Schüssel 9 derart angebracht, was beispielsweise mit Hilfe einer drehbaren Manschette geschieht, daß die von der Schüssel 9 und den Aufhängestäben 10 gebildete Vorrichtung sich in »Maibaum«-Art um die Achse 7 drehen kann. Man wählt die Längen der Aufhängestäbe 10 so, daß sich zwischen der imaginären Oberfläche der Kugel 8 und der Schüssel 9 aus Aluminium ein enger Luftspalt 11 ergibt

Die Stromversorgung der Spulen 4, 5 und θ erfolgt durch eine Dreiphasen-Stromquelle. Die erste Phase ist mit der Spule 5 verbunden (wie es durch das Bezugszeichen 12 wiedergegeben ist), die zweite Phase ist an die Spule 6 gelegt (wie es durch das Bezugszeichen 13 wiedergegeben ist) und die dritte Phase ist an die

Spule 4 angelegt (wie es durch das Bezugszeichen 14 wiedergegeben ist). Die den Phasen 12, 13 bzw. 14 zugeordneten Pfeile 15, 16 und 17 bedeuten, daß die Spannung einer jeden der drei Phasen relativ einstellbar ist.

Im Betrieb, wenn die dreiphasige Versorgung angeschlossen ist, und wenn jede der drei Phasen die gleiche Spannung aufweist, wird ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt. Aufgrund von Wirbelstromeffekten im Material der Schüssel 9 wird eine Abstoßungskraft erzeugt, die zum geometrischen Zentrum der Kugel 8 hin wirkt. Diese abstoßende Kraft verkuppelt die aus Aluminium bestehende Schüssel mit dem sich drehenden magnetischen Feld, und die Schüssel dreht sich um die vertikale Achse 7. Wird nun die Spannung der an eine der Spulen 4, 5 oder 6 angelegten Phasen verändert, so fährt die Schüssel 9 fort, sich zu drehen, doch die Drehachse weicht von der vertikalen Achse 7 ab. Mit anderen Worten, es wird die Schüssel mit ihrer Drehachse gekippt.

Das in Fig.3 wiedergegebene Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel und verwendet einen Stator, wie er in F i g. 1 dargestellt ist. Es werden jedoch in diesem Fall die Aufhängestäbe 10 aus F i g. 2 durch eine einzelne kugelartige Lagerung 18 ersetzt, welche die Schüssel 9 auf der Achse 7 trägt. Wird wiederum eine Dreiphasen-Stromquelle an die Spulen 4, 5 und 6 angelegt, so dreht sich die Schüssel 9 um eine Achse, die durch die Spannungen der an die Spulen 4,5 und 6 angelegten Phasen bestimmt wird.

Bei Betrieb der beiden bereits beschriebenen Induktionsmotoren zeigt die Schüssel 9 die Tendenz, freischwebend abzuheben. Jedoch wird in beiden Fällen ein Freischweben durch die Lagerung der Schüssel 9 verhindert Da ohne die von der Lagerung ausgeübte Zwangsführung der Schüssel 9 die Lage der Drehachse der Schüssel unabhängig von der Einstellung der Spannung der drei Phasen grundsätzlich instabil ist und die Schüssel 9 das Bestreben zeigen würde, sich aus dem Feld herauszubewegen, ist es mit einer Statoranordnung, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist, nicht möglich, auf die Aufhängung bzw. Lagerung der Schüssel 9 zu verzichten und sich auf den erzielten Freischwebeeffekt zu verlassen, um den vom Luftspalt 11 gebildeten erforderlichen Arbeitsfreiraum zu erzielen.

In dem in F i g. 4 wiedergegebenen Beispiel wird die Stabilität der Drehachsenlage einer Schüssel, die der Schüssel 9 der F i g. 2 und 3 entspricht, erzielt, ohne daß die Notwendigkeit bestände, daß eine Zwangsführung durch eine mechanische Haltevorrichtung ausgeübt werden muß. Diese Wirkung wird dadurch erzielt daß im Gegensatz zu F i g. 1 nicht nur ein Ring von Spulen vorgesehen ist, sondern daß ein innerer und ein äußerer Ring von Spulen Verwendung findet Die einzelnen Spulen des äußeren Rings, die gemäß F i g. 1 mit den Bezugszeichen 4,5 und 6 versehen sind, sind jeweils auf einem U-förmigen Kern montiert, der wiederum mit den Bezugszeichen 1,2 und 3 gemäß F i g. 1 bezeichnet ist Jede Spule 19,20 und 21 des inneren Spulenrings ist auf einem U-förmigen Kern 22,23 bzw. 24 angeordnet Wie sich erkennen läßt, sind bei diesem Beispiel die innere Spule 20 radial mit der äußeren Spule 5, die innere Spule 21 radial mit der äußeren Spule 6 und die innere Spule 19 radial mit der äußeren Spule 4 ausgerichtet Die zu oberst liegenden Flächen aller aus Spule und Kern bestehenden Elektromagneten liegen näherungsweise auf der Oberfläche einer imaginären

Kugel, die der Fläche 8 in F i g. 2 entspricht

Wiederum wird jede der Spulen 4,5 und 6 jeweils mit einer Phase einer Dreiphasen-Stromquelle beaufschlagt wie das durch die Bezugszeichen 13, 14 bzw. 15 wiedergegeben ist Jede der inneren Spulen 19, 20 und 21 wird ebenfalls, wie durch die Bezugszeichen 25, 26 und 27 wiedergegeben, mit einer der Phasen derselben Dreiphasen-Sromversorgung beaufschlagt, doch nicht mit derselben Phase, wie sie an die jeweils äußere Spule 4, 5 oder 6 angelegt ist, mit der sie radial ausgerichtet sind. Hierdurch soll sichergestellt werden, daß zwischen radial miteinander ausgerichteten inneren und äußeren Spulen eine Phasenvor- bzw. -nacheilung besteht Bei dem vorliegenden Beispiel seien die drei Phasen der Dreiphasen-Stromqueile in herkömmlicher Weise als rote, blaue und gelbe Phase bezeichnet; dann wird die rote Phase an die äußere Spule 5 und die innere Spule 21, die blaue an die äußere Spule 6 und die innere Spule 19 und die gelbe Phase an die äußere Spule 4 und die innere Spule 20 angelegt

Bei einer solchen Anordnung zeigt sich, daß die Schüssel 9 um eine Achse rotiert, die stabil ist, obwohl die Schüssel vollständig durch den Freischwebe-Effekt des Magnetfeldes getragen wird Die Stabilität der Rotationsachse beruht auf der Tatsache, daß mit dem einzelnen Ring von Spulen, wie er in F i g. 1 dargestellt ist, ein Wanderfeld erzeugt wird, das radial nach außen wirkt. Die Wirbelströme, die in der Schüssel 9 induziert werden, bleiben hinter dem Strom in den Spulen zurück und die in der Schüssel am weitesten von der Achse entfernt fließenden Ströme weisen aufgrund der näher an der Achse fließenden Ströme eine größere Nacheilung auf. Sieht man den inneren Ring von Spulen 19,20 und 21 vor und speist diese mit einem Strom, der im Vergleich mit dem äußeren Spulenring nacheilt, so wirkt das dahingehend, daß eine nach innen gerichtete

Kraft erzeugt wird, die der zuvor erwähnten nach außen

wirkenden Kraft entgegenwirkt

Tatsächlich wird nicht nur die Rotationsachse

stabilisiert, sondern es wirkt wenn die Lage der Schüssel gestört wird, eine Rückstellkraft dahingehend, daß sie die Drehachse wieder herstellt Die zusätzlichen abstoßenden Kräfte vergrößern auch den Freischwebe-Effekt, während gleichzeitig wie bei der Anordnung mit

+5 dem Stator nach F i g. 1 die Rotation offensichtlich nicht beeinträchtigt wird.

Durch eine Änderung der Phase einer der äußeren Spulen 4,5 oder 6 wird die vom Stator ausgeübte radiale Kraft geändert, und die Schüssel 9 kippt zusammen mit ihrer Rotationsachse und rotiert dann wieder stabil.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen umfaßt der Stator die das Magnetfeld erzeugenden Vorrichtungen, während der Rotor das Element ist in dem die Wirbelströme induziert werden. Erfindungsgemaß ist es auch möglich, die Rollen zu vertauschen und die Spulenanordnug als Rotor vorzusehen.

Weiterhin wurde der Rotor als Schüssel aus Aluminium beschrieben, d. h. mit anderen Worten, als aus einem Material bestehend, das herkömmlicherweise nicht als magnetisch betrachtet wird. Es können auch andere solche Materialien wie z. B. Verwendung finden. Weiterhin kann der Rotor selbst bei einem Ausführungsbeispiel, anders als bisher beschrieben, magnetisch sein, z.B. kann er von einer kugelförmigen Spule gebildet werden; eine solche Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf die F i g. 5 und 6 beschrieben.

Gemäß F i g. 5 besteht der Stator aus einem Kern 28, der in Fig.6 in einem nicht umwickelten Zustand in

Draufsicht dargestellt ist und einen äußeren Ring von Windungen 29 aufweist, die den Spulen 4, 5 und 6 in Fig.4 entsprechen, und einen inneren Ring von Windungen 30, die den Spulen 19, 20 und 21 in Fig.4 entsprechen. Wieder werden die Windungen 29 im äußeren Windungsring mit fortschreitend unterschiedlichen Phasen versorgt und ebenso die Windungen des inneren Windungsrings, wobei wieder eine Verzögerung zwischen radial ausgerichteten inneren und äußeren Windungen besteht. Der Rotor besteht aus

einem teilweise kugelförmigen Kern 31 aus magnetischem Material, der in diesem Beispiel mittels Tragelementen 32 von einer Welle 33 mit veränderlicher Achse getragen wird, die ihrerseits von einem kugelförmigen Lager 34 getragen ist. Von dem Rotorkern 31 wird eine sphärische Spule 36 getragen.

Der F i g. 6 entnimmt man, daß der Kern im wesentlichen aus konzentrisch gewickelten Streifen besteht. Mit dem Bezugszeichen 35 sind Schlitze für die Wicklungen bezeichnet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Induktionsmotor, insbesondere zum Antrieb eines Antennensystems, mit einem Stator und einem Rotor, von denen wenigstens der eine zumindest teilweise eine angenähert sphärische Oberfläche besitzt und der andere eine Anzahl auf einem Kreis angeordneter erster Elektromagnete aufweist, von denen die Spulen jeweils benachbarter Elektromagnete von Erregerströmen unterschiedlicher Phasenlage derart durchflossen sind, daß ein, eine relative Drehung der beiden durch Stator und Rotor gebildeten Teile des Motors gegeneinander um eine Drehachse ermöglichendes Drehmoment entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse des Rotors (Schüssel 9; 31) bezüglich des Stators kippbar geführt ist und daß das Kippen der Drehachse unter Beihaitung der Drehung durch Änderung der Spannung und/oder Phase der die Spule (4,5,6; Windungen 29) der ersten Elektromagnete durchfließenden Erregerströme durch Schaltungsvorrichtungen steuerbar ist

2. Induktionsmotor nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule (4, 5, 6) der ersten Elektromagnete auf einem U-förmig ausgebildeten Kern (1,2,3) angeordnet ist, dessen Polflächen auf einer sich im wesentlichen radial von dem Mittelpunkt des Kreises erstreckenden Linie liegen.

3. Induktionsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule (4, 5, 6) der einen Bestandteil des einen Motorteils bildenden ersten Elekromagnete auf einem U-förmig ausgebildeten Kern (1, 2, 3) angeordnet ist, dessen Polflächen zumindest näherungsweise auf der Oberfläche (8) einer imaginären Kugel (8) Hegen, die zur angenähert sphärischen Oberfläche des jeweils anderen Motorteils (Schüssel 9, Rotor 31) konzentrisch ist.

4. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (4,5, 6), die von einer geeigneten Phase (12,13,14) einer Dreiphasen-Stromquelle gespeist sind, unter einem Winkelabstand von 120° angeordnet sind.

5. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippführung der Drehachse des Rotors (Schüssel 9, 31) durch eine kugelartige Lagerung (18; 34) erfolgt, die den Rotor (Schüssel 9; 31) gegenüber dem Stator stützt

6. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippführung der Drehachse des Rotors (Schüssel 9; 31) durch eine weitere Anzahl von aus Spulen (19, 20, 21) und Kernen (22, 23, 24) aufgebauten zweiten Elektromagneten erfolgt, die in einem zweiten zum ersten Kreis konzentrischen Kreis angeordnet sind, und daß die Spulen (19, 20, 21) der zweiten Elektromagneten von Erregerströmen derart durchflossen sind, daß die daraus resultierende, auf den Rotor (Schüssel 9; 31) wirkende Radialkraft derjenigen Radialkraft entgegengerichtet ist, die von den Spulen (4, 5, 6) der ersten Elektromagnete auf den Rotor (Schüssel 9; 31) ausübbar ist.

7. Induktionsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spule (4,5,6) der ersten Elektromagnete eine radial ausgerichtete Spule (19, 20,21) der zweiten Elektromagnete zugeordnet ist.

8. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Motorteil (Schüssel 9; Rotor 31), welcher den ersten Elektromagneten gegenüberliegt, magnetisches Material enthält

9. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Motorteil (Schüssel 9; Rotor 31), welcher dem ersten Elektromagneten gegenüberliegt, nicht-magnetisches Material wie Kupfer oder Aluminium enthält

10. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Motorteil (Schüssel 9, Rotor 31), welcher den ersten Elektromagneten gegenüberliegt, eine in Käfigform gewickelte sphärische Spule (36) aufweist