DE2711721A1

DE2711721A1 - Elektrischer motor mit permanentmagneten und elektromagneten

Info

Publication number: DE2711721A1
Application number: DE19772711721
Authority: DE
Inventors: Carlos Subieta Garron
Original assignee: CSG Enterprises Inc
Current assignee: CSG Enterprises Inc
Priority date: 1976-03-17
Filing date: 1977-03-17
Publication date: 1977-11-10
Also published as: JPS52142212A; US4064442A; NL7702904A; FR2344999B1; FR2344999A1

Description

PAT E N TAN WlLTE DR. ING. E. HOFFMANN (1930-197«) ■ Ol PL.-I N G. W. E ITlE · D R. R E R. NAT. K. H O F FMAN N · D I PL.-1 N G. W. LE H N

DIPL.-ING. K. FOCHSLE ■ DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-SOOO MO N C H E N 81 · TE L E FO N (069) Vl 1087 . TE LE X 05-2V619 (PATH E)

29 145 w/ne

CSG Enterprises Inc., Rego Park, N.Y. / USA

Elektrischer Motor mit Permanentmagneten und Elektromagneten

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Motor mit wenigstens einer Läuferanordnung und wenigstens einer Ständeranordnung, bei welchem jede Läuferanordnung und jede Ständeranordnung aus einem ferromagnetischen Kern, um den eine Spule gewickelt ist, und einem derart angeordneten Permanentmagneten besteht, daß dessen Flußweg bei abgeschalteter Spule durch den Kern so kurzgeschlossen ist, daß sein wirksamer äußerer Magnetfluß im wesentlichen Null ist, während der Fluß des Permanentmagneten sich bei eingeschalteter Spule zu dem Fluß des aus dem Kern und der Spule gebildeten Elektromagneten addiert, so daß mit den Polen des Permanentmagneten ausgerichtete Magnetpole entstehen und mit einem Kommutatorschalter zum abwechselnden Verbinden und Lösen der Spule mit bzw. von einer Energiequelle.

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Es sind eine Anzahl von elektrischen Motoren bekannt, bei welchen im magnetischen Kreis Permanentmagnete in Verbindung mit Elektromagneten verwendet werden. Derartige Motoren sind beispielsweise in der US-PS 1 859 643, der US-PS 1 863 294, der US-PS 3 396 296, der US-PS 3 426 224 und der US-Patentanmeldung Ser.Nr. 402 284 vom 1. Oktober 1973 beschrieben.

Bei dem elektrischen Motor, wie er in der erwähnten US-Patentanmeldung Ser. Nr. 402 284 beschrieben ist, werden Elektromagnete verwendet, um den Fluß von Permanentmagneten im Läufer und im Ständer abwechselnd zu unterstützen und kurzzuschließen, wobei ein Kommutatorschalter auf der Motorwelle die Spulen der Elektromagneten mit einer von der Drehzahl der Motorwelle abhängigen Frequenz mit einer Energiequelle verbindet und von dieser löst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Motor der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, dessen Funktion und Wirkungsgrad gegenüber bekannten derartigen Motoren verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Kondensator in Reihe mit jeder Spule geschaltet ist. Die Resonanzfrequenz jedes aus einer Reihenschaltung einer Spule und eines Kondensators gebildeten Kreises wird zweckmäßig im wesentlichen gleich der Schaltfrequenz des Kommutatorschalters gewählt, welche ihrerseits vorzugsweise proportional der Drehzahl der Motorwelle ist.

Die Kondensatoren speichern Energie in dem Kreis während des Anteils des Schaltzyklus mit gelöster Energiequelle, wodurch die von außen erforderliche Enargie für das erneute Beschicken der Spulen mit Strom während des nächsten Teils des Schaltzyklus verringert wird.

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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Permanentmagneten in Kontakt mit zwei Eisenschenkeln, welche einen Anker halten,

Fig. 2 den Permanentmagneten nach Fig. 1 mit einem zwischen die beiden Eisenschenkel eingeführten Eisenstab,

Fig. 3 die additive Magnetflußwirkung zweier bezüglich des Magnetflusses parallel angeordnete! Permanentmagnete,

Fig. 4 eine Einrichtung, welche sicherstellt, daß der Fluß eines Elektromagneten der Größe nach gleich dem eines vergleichbaren Permanentmagneten ist,

Fig. 5 eine statische Einrichtung zur Darstellung des Prinzips des erfindungsgemäßen elektrischen Motors,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Motors gemäß der Erfindung,

Fig. 7 bis 9 den Motor nach Fig. 6 in verschiedenen Stellungen während des Betriebs,

Fig.10 einen Motor der in Fig. 6 gezeigten Art, bei welcher mehrere Läufer und Ständer entlang einer einzigen Welle vorgesehen sind,

Fig.11 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Motors, bei welchem in den Spulenkreisen Kondensatoren zum vorübergehenden Speichern von Energie während eines Teils des Arbeitszyklus vorgesehen sind,

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Fig.12 eine grafische Darstellung des verbesserten Motorwirkungsgrades, welcher mit dem Resonanzkreis gemäß der Erfindung erzielbar ist, und

Fig.13 eine grafische Darstellung des Ausgangsmoments an der Welle der Motoren in Fig. 6 und 11.

Fig. 1 zeigt einen Permanentmagneten M in Kontakt mit zwei Eisenschenkeln P₁ und P-. An den äußeren Enden A und B der Eisenschenkel P₁ und P- bilden sich die Magnetpole des Elektromagneten aus, und diese Pole sind in der Lage, gegen die Schwerkraft einen ferromagnetischen Anker K mit einem Gewicht X anzuziehen und zu halten. Wenn ein Eisenstück I zwischen die Eisenschenkel P₁ und P- eingeführt wird, um den magnetischen Kreis wie in Fig. 2 dargestellt, zu schließen, werden die magnetischen Kraftlinien dem durch Pfeile angedeuteten Weg folgen, wodurch ein Toroid oder ein geschlossener Magnetflußkreis gebildet wird. Dies führt dazu, daß an den Enden A und B der Eisenschenkel P₁ und P₂ keine magnetische Anziehung auftritt. Wenn der Anker K nun über die Enden A und B angeordnet wird, werden die Eisenschenkel das Gewicht X des Ankers nicht tragen können. Abhängig von der Genauigkeit der Vorrichtung werden die Eisenschenkel ein maximales Gewicht von vielleicht X/100 tragen können. Versuche haben gezeigt, daß für alle praktischen Zwecke der Magnetfluß des Elektromagneten durch die Einführung des Eisenstücks I wie oben im Zusammenhang mit Fig.2 beschrieben überbrückt bzw. kurzgeschlossen wird, so daß die Polstücke oder Eisenschenkel keine merkenswerte Anziehung auf einen Anker ausüben.

Die Anordnung in Fig. 3 ist ähnlich der in Fig. 2 dargestellten mit der Ausnahme, daß das Eisenstück I in Fig. 2 durch einen Permanentmagneten M- parallel zu dem Permanentmagneten M₁ ersetzt ist. Die magnetomotorische Kraft (MMK) des Permanentmagneten M₁ ist die gleiche wie die des Permanentmagneten M₂ , und die Polaritäten der Permanentmagneten M₁ und M₂ sind miteinan-

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der ausgerichtet, so daß die magnetischen Flüsse (Maxwell) addiert werden, was zu einem Südpol am Ende A des Eisenschenkels P₁ und einem Nordpol am Ende B des Eisenschenkels P₂ führt. Die magnetische Flußdichte an den Enden A und B ist jedoch doppelt so groß wie die in der Anordnung nach Fig. 1. Mit anderen Worten ist der Wert in Gauss an den Enden A und B der Eisenschenkel P₁ und P₂ doppelt so groß wie bei der Anordnung in Fig. 1. Es ist weiter festzustellen, daß die Eisenschenkel P₁ und P₂ derart dimensioniert worden sind, daß eine Sättigung des Schenkelmaterials bei den hier dargestellten Bedingungen nicht erreicht wird. Entsprechend den Gesetzen der magnetischen Anziehung wird die Anordnung nach Fig. 2 theoretisch einen Anker K₁ tragen, welcher ein Gewicht 4X hat, weil die Anziehung zwischen dem Anker und den Enden A und B der Eisenschenkel mit dem Quadrat der magnetischen Flußdichte zunimmt.

Fig. 4 zeigt die Anordnung nach Fig. 2 mit entferntem Permanentmagneten M₁ und mit einem Eisenstück I, um das eine Spule gewickelt ist. Die Schaltung weist einen veränderlichen Widerstand R, ein Ampermeter A^f "und ein Voltmeter V", eine Energiequelle S und einen Schalter SW auf. Wenn der Schalter SW geschlossen ist, fließt ein Strom durch die Spule und der Kern oder das Eisenstück I wird magnetisiert. Der Strom fließt so, daß die Polarität des Eisenstücks I mit der für den Permanentmagneten M in Fig. 2 gezeigten Polarität ausgerichtet ist. Der Widerstand R in Fig.5 wird so eingestellt, daß sich die gleiche Anziehungskraft an den Enden A und B der Eisenschenkel P₁ und P-ergibt, wie sie durch den Permanentmagneten M in Fig. 2 erzeugt worden ist. So wird die Anordnung in Fig. 4 einen Anker K mit dem Gewicht X tragen. Sobald diese Einstellung erreicht ist, werden das Ampermeter A" und das Voltmeter V" abgelesen und die Werte festgehalten. In einem durchgeführten Versuch wurden 0,8 A und 10 V gemessen.

In der Anordnung nach Fig. 5 ist der Permanentmagnet M wieder zwischen die Eisenschenkel P₁ und P₂ eingeführt. Der Schal-

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ter SW ist in der offenen Stellung, und da kein Strom durch die um das Eisenstück I gewickelte Spule fließt, ist das Ergebnis das gleiche wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben. D.h. es wird durch die Vorrichtung nach Fig. 5 bei offenem Schalter SW ein geschlossener magnetischer Kreis hergestellt. An den Enden A und B der Eisenschenkel P« und P~ tritt daher keine merkliche magnetische Anziehung auf.

Wenn der Schalter SW in Fig. 5 geschlossen wird, fließt durch die magnetisierende Spule des Eisenstücks I ein Strom und es wird eine MMK in dem Eisenstück I erzeugt, welche die gleiche Größe wie die MMK des Permanentmagneten M hat. Da die Polarität des magnetisierten Kerns oder Eisenstücks I die gleiche wie die Polarität des Permanetmagneten M in Fig. 5 ist, ergibt sich das gleiche Ergebnis wie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben. An den Enden A und B der Eisenschenkel P₁ und P-wird die magnetische Flußdichte (in Gauss) doppelt so groß wie die durch den Permanentmagneten M oder das magnetisierte Eisenstück I alleine sein. Die magnetische Kraft an den Enden A und B der Eisenschenkel P₁ und P„ wird daher theoretisch einen Anker K.. mit dem Gewicht 4X tragen. In durchgeführten Versuchen konnte gezeigt werden, daß ein Anker mit einem Gewicht von 3,3 X bis 3,5 X von der Vorrichtung getragen wurde. Der niedrigere Wert beruht auf der Ungenauigkeit der Messung und der einzelnen Teile. Selbst mit diesen Versuchsergebnissen ist zu erkennen, daß das mit der VoirLchtung nach Fig. 5 bei geschlossenem Schalter SW getragene Gewicht größer als die Summe der Gewichte ist, welche von dem Permanentmagneten M oder dem magnetisierten Eisenstück I alleine getragen werden könnten.

Die obige Beschreibung kann in den folgenden Grundsätzen bezüglich der Anordnung nach Fig. 5 zusammengefaßt werden:

1. Mit geschlossenem Schalter SW und einem Magnetisierungsstrom durch die Spule des Eisenstücks I, welche einen Fluß gleich dem des Permanentmagneten M erzeugt, wird eine Anziehungskraft erhalten, die 3 bis 4 mal so groß ist als die An-

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ziehungskraft, welche von dem magnetisierten Eisenstück I allein erhalten wird. Diese wichtige Zunahme der magnetischen Anziehungskraft ist ein Ergebnis des Beitrags des Elektromagneten M.

2. Bei offenem Schalter SW ist der Fluß des Permanentmagneten M über das nichtmagnetisierte Eisenstück I kurzgeschlossen und die magnetische Anziehung der Pole gegenüber einem äußeren Körper ist im wesentlichen Null.

Fig. 6 zeigt einen Motor, bei welchem die oben im Zusammenhang mit Fig. 5 herausgestellten Grundsätze angewandt werden. Der Läufer besteht aus einem Permanentmagneten M₂/ Ankerteilen P₁' und P ' und aus einem ferromagnetischen Kern 12 mit einer magnetisierenden Spule. Der Läufer ist auf einer Welle befestigt und dreht sich im Betrieb beispielsweise in ührzeigerrichtung. Wenn in der magnetisierenden Spule des Kerns 12 kein Strom fließt, ist der magnetische Fluß des Permanentmagneten M₂ kurzgeschlossen, so daß ein geschlossener magnetischer Kreis gebildet wird. In den Ankerteilen P₁ ¹ und P-¹ bilden sich daher keine Magnetpole aus.

Der Ständer des Motors in Fig. 6 besteht aus einem Permanentmagneten M₁, Ankerteilen P₁ und P₂ und einem Kern 11 aus Eisen mit einer magnetisierenden Spule. Elektromagnet, Kern und Ankerteile des Ständers sind fest mit dem Motorgestell verbunden. Wenn der Spule des Kerns 11 kein Strom zugeführt wird, wird der magnetische Fluß von dem Permanentmagneten M₁ kurz-geschlossen, so daß ein geschlossener magnetischer Kreis gebildet wird. Es werden daher keine magnetischen Pole in den Ankerteilen P₁ und P» ausgebildet und die oberen Teile der Ankerteile P und P», benachbart dem Läufer, werden keine Kraft auf den Läufer ausüben. Es ist zu erkennen, daß, wenn durch die Läufer- und Ständerspulen kein Strom fließt, der Läufer sich frei mit seiner Welle drehen kann.

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AO

Energieversorgung und Koiranutatorschalter für die Spulen der Kerne 11 und 12 sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Es versteht sich, daß der der Spule des Kerns 11 zugeführte Strom so groß ist, daß die MMK des Kerns 11 etwa gleich der des Permanentmagneten M₁ wird. Ähnlich hat der der Spule des Kerns 12 zugeführte Strom nur den Wert, welcher erforderlich ist, um die MMK des Kerns 12 etwa gleich der MMK des Permanentmagneten M- zu machen. Die Koiranutatorschalter können bekannte Schalter sein und der Fachmann vermag den Aufbau solcher Schalter ohne weiteres der folgenden Beschreibung zu entnehmen.

Wenn der Koiranutatorschalter geschlossen ist, wird ein Strom durch die Läufer- und Ständerspulen fließen und gleichzeitig werden Magnetpole sowohl in den Läufer- als auch in den Ständerankerteilen auftreten, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Wie es dort mit Pfeilen angedeutet ist, wird eine magnetische Abstoßung gleicher Pole erfolgen. Die Abstoßkräfte sind die gleichen auf beiden Seiten der Welle, jedoch entgegengesetzt gerichtet, so daß sie einander aufheben und kein Drehmoment auf die Welle ausgeübt wird. Wenn der Läufer leicht in Uhrzeigerrichtung gedreht wird, dann wird der Südpol des Läufers durch den Südpol des Ständers abgestoßen und gleichzeitig durch den Nordpol des Ständers angezogen. Auf ähnliche Weise wird der Nordpol des Läufers durch den Nordpol des Ständers abgestoßen und in gleicher Weise durch den Südpol des Ständers angezogen werden, wodurch ein Drehmoment inUhrzeigerrichtung an der Läuferwelle erzeugt wird. Es kann so abgeleitet werden, daß die Kraft zur Drehung des Läufers Null ist, wenn sich dieser in der Stellung nach Fig. 7 befindet, und daß diese Kraft zunimmt, bis der Läufer die in Fig. 8 dargestellte Stellung erreicht. Die auf den Läufer wirkende Drehkraft ist etwa proportional dem Sinus des Drehwinkels von Fig. 7 nach Fig. 8, und dies ist grafisch in Fig. 13 dargestellt.

Fig. 9 zeigt einen ähnlichen Zustand wie der in Fig. 7 gezeigte Zustand, mit dem Unterschied, daß an beiden Enden des Läufers eine Anziehungskraft in Richtung der Ständerankerteile

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auftritt. Da die Kräfte in Fig. 9 in entgegengesetzter Richtung wirken und einander aufheben, wird an der Welle kein Drehmoment entwickelt. Die resultierende Kraft an der Welle ist daher Null. Wenn der Läufer die in Fig. 9 dargestellte Stellung erreicht, schaltet der Kommutatorschalter den Strom gleichzeitig in den Läufer- und Ständerspulen ab, wodurch Läufer und Ständer mit geschlossenen magnetischen Kreisen ohne äußere magnetische Wirkung gelassen werden. Die Trägheit des Läufers wird dann ein freies Drehen des Läufers bewirken, bis dieser wieder die Stellung, wie in Fig. 7 dargestellt, erreicht. Sobald der Läufer etwas über die Stellung in Fig. 7 hinausgelaufen ist, führt der Kommutatorschalter erneut den Läufer- und Ständerspulen Strom zu und der Zyklus wiederholt sich.

Aus der Beschreibung der Fig. 7 bis 9 läßt sich erkennen, daß der Läufer und der Ständer lediglich während 180° jeder Umdrehung Strom erhalten. Wenn zwei Läufer auf der gleichen Welle angeordnet sind, von denen jeder, wie in Fig. 10 dargestellt, seinen eigenen Ständer hat, können sie so angeordnet werden, daß ein Laufer/Ständer-Paar aktiviert wird, während das andere Läufer/Ständer-Paar in dem Zustand des geschlossenen magnetischen Kreises ist. Der Läufer A¹ ist wie angedeutet, 18O° außer Phase mit dem Läufer B', so daß, wenn sich die Welle in der dargestellten Stellung befindet, die Spulen von Kernen HA und I2A von dem Kominuta türschalter gerade abgeschaltet worden sind und die Spulen von nicht dargestellten Kernen HB und I2B von dem Kommutator schalter eingeschaltet worden sind. Wenn sich die Welle in Fig. 10 um weitere 90° gedreht hat, werden der Läufer B¹ und der Ständer B¹ die magnetischen Pole, wie in Fig. 8 dargestellt haben, während der Läufer A¹ und der Ständer A* in dem Zustand geschlossenen Magnetkreises sein werden. Auf ähnliche Weise kann eine große Anzahl von Läufer/Ständer-Paaren mit Abstand zueinander auf einer einzigen Motorwelle derart angeordnet werden, daß das der Welle zugeführte Moment während der gesamten 360° einer Umdrehung im wesentlichen konstant ist . Wenn z.B. 18 Läufer/Ständer-

id, werden die Läi

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Paare vorgesehen sind, werden die Läufer um jeweils 20° ver-

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dreht entlang der Welle angeordnet sein. Jedem Läufer/Ständer-Paar kann während 180° der Läuferdrehung Energie zugeführt werden, oder vorzugsweise kann nur während eines Teils einer solchen 180°-Periode Energie zugeführt werden. Z.B. kann einem Motor mit 18 Läufer/Ständer-Paaren Energie zu jedem Paar während 20 der gesamten 360 einer Wellenumdrehung zugeführt werden.

Es hat sich gezeigt, daß der Wirkungsgrad des beschriebenen Motors mit Permanentmagneten im magnetischen Kreis wesentlich größer ist als der für einen ähnlichen Motor, welcher nur Elektromagnete verwendet, ohne einen Teil des wirksamen magnetischen Flusses durch Permanentmagnete zu erzeugen. Der Wirkungsgrad kann durch Hinzufügen von Kondensatoren in die Kreise der Spulen der Elektromagneten, wie in Fig. 11 gezeigt, weiter verbessert werden. Jede Läufer- oder Ständerspule ist mit einem eigenen Kondensator verbunden, um einen Resonanzkreis zu bilden.

Es ist bekannt, daß bei einer in einem Wechselstromkreis vorgesehenen Induktivität bei Vernachlässigung des Ohm¹sehen Widerstands der Induktivität der Strom um 90 gegenüber der Spannung nacheilt und daß bei einem in einem Wechselstromkreis vorgesehenen Kondensator bei Vernachlässigung der Stromverluste in dem Kondensator der Strom um 90 gegenüber der Spannung voreilt. Mit anderen Worten ist die induktive und kapazitive Wirkung die gleiche, jedoch um 180° außer Phase.

Die Leistung, welche von einem Wechselstromkreis gezogen wird, in welchem der Strom außer Phase mit der Spannung ist, kann wie folgt berechnet werden:

P=I-E- cos </

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Dabei ist ⁴Z der Winkel, um den der Strom gegenüber der Spannung nacheilt . Der Wert cos¹/ kann von 0 bis 1 variieren. Wenn der Wert Null erreichte, wäre die von der Schaltung verbrauchte Leistung Null, was in der Praxis nicht möglich ist. Wenn cos*/ = 1, dann ist die verbrauchte Leistung:

P = I-E

Die Bedingung cos /= 1 in einem Reaktanzkreis wird Resonanz genannt, welche dazu führt, daß die Gegen-EMK e zu Null wird.

Wenn der Spulenwiderstand klein ist, wird der momentane Strom extrem hohe Werte annehmen. Ähnlich wird die Spannung über den Kondensatoren einen wesentlich höheren Wert als den der angelegten Spannungsquelle erreichen, abhängig von dem Gütefaktor Q der Spulen. Der Faktor Q ist gegeben durch:

_o _ X

Q - _R ,

wobei X die induktive Reaktanz der Spulen und R der Ohm'sche Widerstand der Spulen ist.

Der Wert von Q in einer gegebenen Spule kann durch Verringern des Widerstands der Spule oder durch Vergrößern des Drahtdurchmessers vergrößert werden. Die Spannung E über jedem Kondensator ist gegeben durch:

E_c - Q · E ,
wobei E die angelegte Spannung ist.

Wenn eine 24 V-Versorgung an einen Kreis der in Fig. 12 gezeigten Art bei einem Faktor Q = 5 angelegt wird, dann ist die Spannung über den Kondensatoren 120 V. Für den gleichen Kreis wird, wenn die angelegte Spannung 24 V und der Spulenwiderstand 1-fi ist, der oszillierende Strom 24 Ά sein.

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Fig. 11 zeigt, daß, wenn der Schalter SW in der Stellung I ist, der Ständer B¹ und der Läufer B¹ Strom von der Batterie erhalten und ihre Kondensatoren geladen werden, während Läufer A¹ und Ständer A¹ über den Schalter SW kurzgeschlossen sind. Wenn der Schalter SW in die Stellung II bewegt wird, erhalten der Läufer A¹ und der Ständer A¹ Strom von der Batterie und ihre Kondensatoren werden geladen; der Ständer B¹ und der Läufer B¹ sind jetzt über den Schalter SW kurzgeschlossen, und ihre Kondensatoren entladen sich, wodurch in den Spulen des Läufers und des Ständers ein Strom in umgekehrter Richtung verglichen mit dem von der Batterie kommenden Strom fließt.

Bei einem Motor der in Fig. 6 gezeigten Art, welcher mit relativ engen Toleranzen hergestellt ist und einen kleinen Luftspalt zwischen Läufer und Ständer hat, jedoch keinen Resonanzkreis aufweist, ergeben sich hohe Werte der Gegen-EMK, und der Wert derGegen-EMK nimmt mit der Drehzahl der Welle wie bei üblichen Motoren zu. Wenn der Spule nicht eine genügend hohe Spannung zugeführt wird, verhindert diese große Gegen-EMK, daß der Strom durch die Spule einen genügend hohen Wert erreicht, um dem Elektromagneten einen Fluß etwa gleich dem des Permanentmagneten zu geben. Die Flüsse des Elektromagneten und Permanentmagneten müssen zur Erzielung der gewünschten Erhöhung des Wirkungsgrades etwa die gleiche Größe haben. Der Resonanzkreis in Fig. 11 hat die Wirkung, daß der große Wert der in dem Kreis gespeicherten Energie dazu verwendet wird, dem Elektromagneten den gleichen Fluß wie der des Permanentmagneten zu geben, ohne daß zusätzliche Leistung oder eine größere Spannung zum überwinden der Gegen-EMK von der Energiequelle erforderlich ist.

Es versteht sich, daß die Schaltfrequenz des Schalters SW in Fig. 11 etwa gleich der Resonanzfrequenz des Kreises sein muß. Dies erfordert, daß die Wellendrehzahl nahezu konstant gehalten wird, so daß der auf der Welle angebrachte Kommutatorschalter bei Resonanzfrequenz schaltet, oder daß die Reso-

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nanzfreguenz des Kreises modifiziert werden kann, um mit der Wellendrehzahl zusammenzufallen. Der Fachmann erkennt, daß eine veränderliche Kapazität verwendet werden kann, um die Resonanzfrequenz des Kreises an die vorherrschende Last anzupassen, so daß jederzeit ein optimaler Wirkungsgrad gehalten werden kann.

Der vergrößerte Wirkungsgrad läßt sich erkennen aus den folgenden Versuchsergebnissen, welche in einem Satz von Versuchen an einem Prototyp des hier beschriebenen Motors erzielt worden sind. Die Werte wurden bei maximaler Nennleistung gemessen.

Versuch V in I in F in Drehzahl in

VAN U/min

I Motor ohne Permanent- _ft - . - ₁ _

magneten und ohne Re- ⁸'^{8 9}*^{8 1}'^{39 40}° sonanzkreis

II Motor mit Permanentmagneten und ohne Resonanzkreis

III Motor mit Permanentmagneten und mit Resonanzkreis

Derselbe Prototyp des Motors wurde für alle drei Versuche verwendet, wobei die Kondensatoren des Resonanzkreises für Versuche ohne den Resonanzkreis kurzgeschlossen waren und die Permanentmagneten von dem Läufer entfernbar waren. Dies verhinderte, daß geringe Bauunterschiede, wie z.B. Luftspalttoleranzen, von Versuch zu Versuch eine Wirkung auf die Messung haben konnten.

Aus den oben dargestellten Versuchsdaten, welche bei maximaler Nennleistung des Motors gemessen wurden, und den folgenden Formeln:

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10	5	9	5	3,	336	400
16.	4.	2,	224	800

Elektrische Eingangsleistung P_ein = V χ I (W = V χ A)

Mechanische Ausgangsleistung P =Fxrx2x U/sec, wobei

aus

r der Abstand vom Mittelpunkt der Motorwelle zum Angriffspunkt der Kraft F ist.

Gesamtwirkungsgrad = P . /P χ 100%

61X1 ciUS

können folgende Folgerungen gezogen werden:

Eingangs- Ausgangs- Wirkungsgrad leistung leistung in % Versuch ^Peln * ^{W P}aus ^{ln W}

I Motor ohne Permanentmagneten und ohne Re- 85.3 2.3 2.7 sonanzkreis

II Motor mit Permanent- an η cc c ι

magneten und ohne Re- ^yu*^u ^*^{5 b>1}

sonanzkreis

III Motor mit Permanentmagneten und mit Re- 74.3 7.3 9.9 sonanzkreis

Wie aus der Gleichung für die mechanische Ausgangsleistung zu erkennen ist, werden sowohl Drehmoment (F χ r) als auch die Drehzahl (U/sec) berücksichtigt. Dies ist erforderlich, da das Drehmoment oder die Drehzahl allein keine Bedeutung hat, da Drehmoment auch ohne Drehbewegung auftreten kann. Bei handelsüblichen Motoren sind oft Angaben über das Drehmoment gemacht, um zu bestimmen, bei welcher Last der Motor anläuft, aber dies ist eine relative Größe, weil die Last an der Welle durch eine Reihe von Ubersetzungsrädern verändert werden kann. Die Ausgangsleistung des Motors kann auf diese Weise nicht geändert werden. Nachdem diese Gesichtspunkte zur Leistung klargestellt worden sind, ist es wichtig, festzustellen, daß nur die Eingangsleistung und die Ausgangsleistung des Motors hier zur Berechnung des Wirkungsgrades verglichen werden.

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Bei den durchgeführten Versuchen wurde ein pronyscher Zaum zum Messen der Ausgangsleistung verwendet. Eine solche Vorrichtung ist dem Fachmann bekannt und bedarf keiner weiteren Beschreibung. Die Ergebnisse einer Reihe von Versuchen,welche mit dem Prototyp-Motor ohne Permanentmagneten oder Resonanzkreise, an dem Motor mit Permanentmagneten und ohne Resonanzkreise und an dem Motor mit Permanentmagneten und mit Resonanzkreis durchgeführt wurden, sind in den Fällen I, II und III in Fig. 12 dargestellt. Es ist festzustellen, daß der maximale Wirkungsgrad in der Anordnung zu Fall III mehr als 3 χ so hoch als im Fall I und etwa 6O % größer als im Fall II ist. Obwohl die tatsächlich erreichten Wirkungsgradwerte relativ niedrig im Vergleich mit kommerziell hergestellten Motoren sind, ist festzustellen, daß diese Werte mit Versuchen erreicht wurden, welche an einem rohen Prototyp durchgeführt wurden, und so nur die relative Zunahme des Wirkungsgrades zeigen, welche mit dem erfindungsgemäßen Motor möglich ist.

Kurz umrissen umfaßt die Erfindung einen elektrischen Motor, bei welchem sowohl im Läufer als auch im Ständer ein Permanentmagnet und ein Elektromagnet gleicher Stärke parallel zueinander derart angeordnet sind, daß sich der Magnetfluß der Magneten addiert, wenn die Spule des Elektromagneten eingeschaltet ist und daß der Fluß des Permanentmagneten über einen Kurzschlußweg durch den Kern des Elektromagneten geht, wenn die Spule abgeschaltet ist. Der Läufer ist auf einer Welle und damit relativ zum Ständer drehbar angeordnet, und es ist ein Kommutatorschalter zum abwechselnden Verbinden der Spulen des Elektromagneten mit einer Energiequelle und Lösen von der Energiequelle vorgesehen. In dem Spulenkreis sind Kondensatoren vorgesehen. Der Kondensator und der Spulenkreis sind so ausgelegt, daß der Kreis eine Resonanzfrequenz von angenähert gleich oder nahe der Schaltfrequenz des Kommutatorschalters bei der beabsichtigten Betriebsdrehzahl der Welle hat, wodurch die Kondensatoren abwechselnd Energie aus den Spulen speichern

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und Energie an die Spulen abgeben. Die Kombination von Permanentmagneten mit Elektromagneten und das Hinzufügen von Kondensatoren in die Spulenkreise zur Ausbildung von Resonanzkreisen führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Motors.

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Claims

Patentansprüche

( 1. Elektrischer Motor mit wenigstens einer Läuferanordnung und ^"Wenigstens einer Ständeranordnung, bei welchem jede Läuferanordnung und jede Ständeranordnung aus einem ferromagnetischen Kern, um den eine Spule gewickelt ist, und einem derart angeordneten Permanentmagneten besteht, daß dessen Flußweg bei abgeschalteter Spule durch den Kern so kurzgeschlossen ist, daß sein wirksamer äußerer Magnetfluß im wesentlichen Null ist, während der Fluß des Permanentmagneten sich bei eingeschalteter Spule zu dem Fluß des aus dem Kern und der Spule gebildeten Elektromagneten addiert, so daß mit den Polen des Permanentmagneten ausgerichtete Magnetpole entstehen, und mit einem Kommutatorschalter zum abwechselnden Verbinden und Lösen der Spule mit bzw. von einer Energiequelle, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator in Reihe mit jeder Spule geschaltet ist.
2. Elektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz jedes aus einer Reihenschaltung einer Spule und eines Kondensators gebildeten Kreises im wesentlichen gleich der Schaltfrequenz des Kommutatorschalters ist.
3. Elektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenz des Kommutatorschalters proportional der Drehzahl der Motorwelle ist.
4. Elektrischer Motor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Einstellen der Belastung der Motorwelle, durch welche die Kommutatorschaltfrequenz etwa gleich der Resonanzfrequenz jedes durch die Reihenschaltung von Spule und Kondensator gebildeten Kreises gehalten wird.

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ORIGINAL INSPECTED
5. Elektrischer Motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Einstellen des Kapazitätswertes des Kondensators, durch welche die Resonanzfrequenz jedes
durch die Reihenschaltung von Spule und Kondensator gebildeten Kreises etwa gleich der Kommutatorschaltfrequenz gehalten wird.

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