DE2727450A1

DE2727450A1 - Synchronmotor

Info

Publication number: DE2727450A1
Application number: DE19772727450
Authority: DE
Inventors: Bernardus Henricus Ant Goddijn
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-07-05
Filing date: 1977-06-18
Publication date: 1978-01-12
Also published as: BE856441A; SE433419B; CA1081756A; ES460352A1; US4206374A; CH625366A5; FR2358046A1; JPS59132379U; JPS535714A; SE7707643L; GB1586513A; JPS6122476Y2; IT1076074B; FR2358046B1

Description

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Akte« Nr-! 5.5.1977

Synchronmotor.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchronmotor mit mindestens zwei koaxialen Statorteilen, die mit je mindestens einer ringförmigen Spule versehen sind, wobei diese ringförmige Spule von einem Magnetkreis aus weichferromagnetischem Material umschlossen ist, der einerseits durch einen Rotorteil mit Verzahnungen und andererseits durch den die betreffende Ringspule umgebenden Statorteil gebildet wird, der in zwei Systeme in einer Kreisform angeordneter Statorzähne mündet, die mit den genannten Rotorverzahnungen über Luftspalte zusammenwirken und in bezug auf die damit zusammenwirkenden Rotorver-

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zahnungen über einen halben Zahnteilungsabstand gegeneinander verschoben sind, wobei Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe beide Systeme _#von Statorzähnen für jeden Statorteil mit der gleichen Polarität magnetisiert werden.

Ein derartiger Motor eignet sich insbesondere als Schrittmotor und ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 1'+ 503, Fig. 13, bekannt. Bei diesem Motor werden die genannten Mittel durch einen ringförmigen Dauermagnet gebildet, der axial magnetisiert ist und koaxial mit zwei Statorteilen zwischen diesen beiden Statorteilen liegt. Dieser Dauermagnet magnetisiert beide Zähnesysteme jedes Statorteiles mit der gleichen Polarität, während die zu diesem Statorteil gehörige Ringspule beide Zähnesysteme mit entgegengesetzter Polarität magnetisiert. Dadurch weist der Rotor eine bevorzugte Lage gegenüber den Zähnen eines der beiden Zähnesysteme in Abhängigkeit von dem Erregungssin dieser Ringspule auf. Diese beiden Lagen sind gegeneinander über einen halben Zahnteilungsabstand verschoben. Der andere Statorteil ist über einen Viertelzahnteilungsabstand gegen den einen Statorteil verschoben, wodurch es vier bevorzugte Lagen gibt. Wenn beide

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Statorspulen in der richtigen Reihenfolge erregt werden, \vird der Rotor eine Drehbewe-'" gung, in Abhängigkeit von der Art der Erregung synchron oder schrittweise, vollführen. Bei diesem bekannten Motor werden beide Systeme von Statorzähnen jedes Statorteiles durch in axialer Richtung verlaufende Zähne gebildet, wobei die Zähne der beiden

Systeme ineinander eingreifen, d.h., dass sich stets ein Zahn des einen Systems zwischen zwei Zähnen des anderen Systems befindet. Es stellt sich heraus, dass bei diesem Motor die elektrischen Eigenschaften erheblich beeinträchtigt werden, wenn versucht wird, den Schrittwinkel, der mit der Anzahl von Polen pro Umfang zusammenhängt, z.B. auf 1.8°, was 50 Zähnen pro System entspricht, zu verkleinern.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Motor vom eingangs genannten Typ zu schaffen, der sich besonders gut dazu eignet, mit einer Vielzahl von Statorzähnen pro Statorzähnesystem ausgeführt zu werden.

Die Erfindung ist dazu dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Systeme von Zähnen jedes Statorteiles durch ringförmige Teile

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gebildet werden, die am Innenunfang mit Zähnen versehen sind und die beide einen Teil des die ringförmige Spule umgebenden Magnetkreises bilden und konzentrisch angeordnet sind, derart, dass der axiale Abstand zwisehen den Zähnen der beiden Systeme mindestens einige Male grosser als der Luftspalt zwischen den Systemen von Statorzähnen und clem Rotor ist.

Durchdie erfindungsgemässe Massnahme ist es baulich gut möglich, eine Vielzahl von Zähnen pro Statorzähnesystem zu realisieren, während dies nicht zu unzulässigen Streufeldern in dem Luftspalt führt.

Bei diesem Motor stellt es sich heraus, dass das gelieferte Drehmoment als Funktion der Rotorlage nicht symmetrisch ist. d.h., dass es für die beiden möglichen Richtungen des Stromes in den Statorspulen nicht dasselbe ist. Diese Asymmetrie wird u.a. dadurch erhalten, dass der magnetische Widerstand, der durch den Luftspalt gebildet wird, den der dauemiagnetische Ring bildet, nicht unendlich ist, wodurch für die Felder, die von den Statorspulen erzeugt werden, Magnetkrei se über den dauermagnetischeri Ring gebildet werden. Dadurch, dass die Richtung

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dieser Felder von der Richtung des Erregungsstroms durch diese Spulen abhängig ist, die die Einstellung dieses dauermagnetisehen Ringes von dieser Erregungsrichtung abhängig, wodurch das genannte asymmetrische Drehmoment mitverursacht wird.

Die genannte Asymmetrie kann auch dadurch auftreten, dass die magnetischen Widerstände von den genannten Mitteln zur Magnetisierung der Statorzähnesysteme her zu jedem der beiden Zähnesysteme pro Statorteil ungleich sind. Auch andere Asymmetrien führen, in Abhängigkeit von der Ausführung des Motors nach der Erfindung, zu asymmetrischen Drehmomenten.

Die genannten Asymmetrien können dadurch ausgeglichen werden, dass die Statorteile längs axialer Ebenen in eine gerade Anzahl von Segmenten unterteilt sind, wobei für jeden Statorteil die Statorzähne in bezug auf die Rotorzähne jeweils zweier nebeneinander liegender Segmente gegeneinander über einen halben Zahnteilungsabstand verschoben sind, und wobei für jeden Statorteil die genannten Mittel die beiden Systeme jeweils zweier nebeneinander liegender Segmente mit entgegengesetzten Polaritäten magnetisieren.

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Dadurch, dass von zwei nebeneinander liegenden Segmenten die Magnetisation durch die .,genannten Mittel entgegengesetztgerichtet ist und die Zähne gegeneinander über einen halben Zähnteilungsabstand verschoben sind, sind die Asymmetrien im Drehmoment infolge jedes dieser Segmente gegenphasig und erscheinen nicht in den insgesamt vom Rotor gelieferten Drehmoment.

Die Asymmetrien im Drehmoment eines Motors nach der Erfindung können auch eine Massnahme ausgeglichen werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Motor mindestens eine Ausgleichsspule enthält, deren Magnetkreis zu dem Magnetkreis der genannten Mittel parallel liegt.

Diese Ausgleichsspule kann den Einfluss der genannten Mittel verstärken oder verringern. Indem nun in Abhängigkeit von der Erregung der statorspulen diese Ausgleichsspule erregt wird, kann ein symmetrisches Drehmoment erhalten werden. Die richtige Weise der Erregung der Ausgleichsspule kann leicht durch Versuche festgestellt werden.

Wenn die genannten Mittel durch einen axial magnetisierten Ring gebildet werden, der

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Ai

koaxial zwischen zwei Statorteilen liegt, ist es vorteilhaft, dass die genannte Ausgleichsspule ringförmig ist und koaxial mit dem dauermagnetischen Ring zwischen den beiden Statorteilen liegt.

Bei den genannten Massnahmen nach der Erfindung ist es vorteilhaft, Luftspalte in den die Rii$$pulen umgebenden magnetischen Statorkreisen zu vermeiden. Dies erfolgt auf geeignete Weise dadurch, dass die Ringspulen umgebenden magnetischen Statorkreise aus im wesentlichen in axialen Ebenen liegenden und einstückig hergestälten Lamellen augebaut sind. Diese Lamellen können einfach richtig angeordnet werden, wenn die Ringspulen von einem Spulenkörper umgeben sind, der mit Positionierungsmitteln zur gezielten Anordnung der genannten Lamellen versehen ist.

Um die Statorverzahnungen bei Anwendung der genannten Lamellen zu bilden, ist es vorteilhift, dass die genannten Lamellen U-förmigsind, wobei die Schenkel der Lamellen innerhalb des Luftspalts zwischen dem Stator und dem Rotor zur Bildung der Statorverzahnungssysteme hervorragen, und wobei die genannten Positionierungsmittel derart sind, dass das

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Ende des einen Schenkels jeder U-förmigen Lamelle innerhalb des Luftspaltes über einen ., halben Zahnteilungsabstand gegen das Ende des anderen Schenkels verschoben ist.

Bei diesem Motor unter Verwendung eines axial magnetisierten dauermagnetischen Hinges ist es für eine minimale Steuung des Flusses dieses Dauermagnets günstig, dass die Lamellen auf der dem dauermagnetischen Ring zugewandten Seite mit einem umgefalteten Teil versehen sind, der in einer zu der Achse im wesentlichen senkrechten Ebene liegt und zum Führen des Flusses des Dauermagnets dient.

Bei einem Synchronmotor nach der Erfindung, bei dem der dauermagnetische Ring zwischen den beiden Statorteilen liegt, kann eine Asymmetrie auftreten, infolge der Tatsache, dass die magnetischen Widerstände des dauermagnetischen Ringes zu jedem der beiden Verzahnungssysteme pro Statorteil ungleich sind. Eine günstige Konstruktion, bei der dies nicht der Fall ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden die Ringspulen umgebenden magnetischen Statorkreise der beiden Statorteile aus jeweils zwei parallelen in zu der Rotorachse nahezu

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senkrechten Ebenen liegenden ringförmigen Platten aufgebaut sind, an deren Innenumfang die genannten Verzahnungssysteme gebildet sind un d deren Aussenumfang jeweils an den Innenmantel eines zu dem betreffenden Statorteil gehörigen zylindrischen Ringes grenzt, wobei zwischen diesen Platten und dem zylindrischen Ring jeweils die Ringspule angeordnet ist, und wobei sich die beiden zylindrischen Ringe bis zu dem dauermagnetischen Ring fortsetzen und mit Mitteln zum Einfangen des Flusses des dauermagnetischen Ringes versehen sind, wodurch zwischen den beiden dem dauermagnetischen Ring zugewandten ringförmigen Platten und dem dauermagnetischen Ring Räume gebildet werden, deren magnetischer Widerstand verhältnismässig hoch in bezug auf den magnetischen Widerstand zwischen dem dauermagnetischen Ring und den zylindrischen Ringen ist.

Bei dieser Konstruktion wird der Fluss des Dauermagnets über die genannten Einfangslnittel zu dem zylindrischen Ring und dann über einen Übergang zu den beiden ringförmigen Platten geführt, wodurch die Wege zu den beiden

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As ⁵·⁵·¹⁹⁷⁷

Verzahnungssystemen identisch sind.

Bei der letzteren Konstruktion sind notwendige Räume zwischen den Statorteilen und dem Dauermagnet vorhanden. Diese , Räume werden ausgenutzt, wenn in den genannten Räumen ringförmige und koaxial liegende Ausgleichsspulen angeordnet sind. Diese Spulen erfüllen dann eine gleiche Funktion wie die vorgenannte Ausgleichsspule.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen :

Fig.1 einen axialen Schnitt durch einen Motor nach der Erfindung, Fig. 2 diesen axialen Schnitt perspektivisch und in auseinander gezogener Darstellung,

Fig.3 schematisch die gegenseitigen Lagen der Stator- und Rotorzähne, Fig. h ein Erregungsschema für den Motor nach den Figuren 1, 2, 5, 6 und 7»

Fig. 5 eine andere Ausführungsform des Motors nach Fig. 1 in axialem Schnitt,

Fig. 6eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Motors nach der Erfindung mit segmentiertem Stator,

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Ab

Fig. 7 einen axialen Schnitt durch den Motor nach Fig. 6 längs der Linie VII-VII,

Fig. 8 schematisch die gegenseitigen Lagen der Stator- und Rotorzähne des Motors nach den Figuren 6 und 71

Fig. 9 perspektivisch eine Lamelle nach einem weiteren Merkmal der Erfindung,

Fig. 10 den Aufbau eines Statorteiles mit Lamellen nach Fig. 9, Fig. 11 einen Motor nach Fig. 1 mit einer Ausgleichsspule,

Fig. 12 eine vorteilhafte Abwandlung des Motors nach Fig, 11, und Fig. 13 eine vorteilhafte Variante des Motors nach Fig. 1;

Fig. 1 zeigt einen axialen Schnitt durch einen Motor, bei dem die Massnahmen nach der Erfindung, angewandt werden können, wobei Fig. 2 einen axialen Schnitt durch diesen Motor perpektivisch darstellt.

DerMotor ist um die Achse A-A¹ drehsymmetrisch angeordnet. Er enthält einen Rotor 1, der aus einem zylindrischen Körper mit vier in einer zu der Achse A-A¹ senkrechten Ebene liegenden kreisförmigen Scheiben 2,

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besteht die am Umfang mit einem regelmässigen Muster von Rotorzähnen 3 versehen sind. ■Der Rotor ist aus einem weichferromagnetisehen Material hergestellt.

Der Stator enthält zwei Teile h und 5» die aus je einer ringförmigen Spule 6 bzw. 7 bestehen, die von einem Joch 8 bzw. 9 aus weichferromagne ti schem Material umschlossen sind, wobei diese Joche in ringförmige Sätze von ' Verzahnungen 10, 11 bzw. 12, 13 münden. Diese Verzahnungen liegen in derselben Ebene wie die Rotorscheiben 2 und bestehen alle aus einer gleichen Anzahl von Zahnen. Für einen Schrittmotor mit einem Schrittwinkel von 1,8° werden fünfzig Zähne pro Umfang benötigt. Pro Statorsegment sind die Verzahnungen in den beiden Systemen über einen halben Zahnteilungsabstand gegeneinander verschoben, während die beiden Teile gegeneinander über einen Viertelteilungsabstand verschoben sind.

Die' beiden Statorteile sind axial

voneinander durch einen Ring 14 aus dauermagnetischem Material getrennt, der axial magnetisiert ist.

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Der Dauermagnet 14 führt ein Magnetfeld herbei,· dessen Verlauf in der linken Hälfte der Fig. 1 mit einer mit Pfeilen versehenen gestrichelten Linie 16 angegeben ist. Für dieses Feld liegen die beiden Statorteile k und 5 und der Rotor 1 in Reihe, während pro Statorteil die beiden Luftspalte bei den Verzahnungen 10 und 11 bzw. 12 und 13 zueinander parallel liegen. Dadurch ist die magnetische Spannung infolge des Dauermagnets über jeweils diese zwei Luftspalte nahezu gleich und gleichgerichtet .

Die Ringspulen 6 und 7 führen bei einer bestimmten Erregung ein Feld herbei, dessen Verlauf in der rechten Härte der Fig. 1 mit mit Pfeilen versehenen gestrichelten Linien 17 bzw. 18 angegeben ist. Der Magnetkreis für dieses Feld enthält pro Statorteil das Joch 8 bzw. 9, die bei-den Verzahnungssysteme 10, 11 bzw. 12, 13 und den Rotor. Infolgedessen weist die magnetische Spannung über den Luftspalten bei den Verzahnungssystemen 10, 11 bzw. 12, 13 jeweils eine entgegengesetzte Polarität auf, so dass stets bei Erregung der Spulen pro Statorteil die magnetische Spannung über einem der Luftspalte herab-

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gesetzt und die magnetische Spannung über dem anderen Luftspalt vergrössert wird, wodurch gleichsam in Abhängigkeit von dem Erregungssinn der Spulen eines der beiden Verzahnungssysteme eines Statorteiles aktiviert wird. Wird eine bestimmte Spule nicht erregt, so sixid beide Verzahnungssysteme dieses Statorteils in gleichem Nasse wirksam, und weil beide gegeneinander über einen halben Zahnteilungsabstand verschoben sind, wird keine Kraft auf den Rotor ausgeübt.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise

des Motors nach den Figuren 1 und 2 zeigt Fig. 3 schematisch die gegenseitigen Lagen der Statorverzahnungssysteme 10, 11, 12 und 13 und der Rotorverzahnung 3 in fünf verschiedenen Lagen P₁ bis P- in bezug auf die Statorverzahnungen und zeigt Fig. 4 ein Erregungsschema für die Spulen 6 (Fig. 4a) und 7 (Fig. 4b).

Die Polarität der Erregungsströme in Fig. 4 ist derart definiert, dass für einen positiven Strom (+i) die magnetische Spannung über den Luftspalten bei den Statorverzahnungen 10 bzw. 12 grosser als die magnetische Spannung über den Luftspalten bei den Statorverzahnungen 11 bzw. 13 ist.

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Wird angenommen, dass zum Zeitpunkt t die Rotorzähne 3 etwas vor den Statorzähnen³ 10 liegen, so wird sich der Rotor bei Erregung der Ringspule 6 und bei unerregter Ringspule 7 verschieben, bis sich die Rotorzahne 3 genau den Statorzahnen 10 gegenüber befinden. Dies ist die Lage mit dem geringsten magnetischen Widerstand für den Luftspalt mit der grössten magnetischen Spannung. Diese Lage ist die Lage P₁ in Fig. 3« Wenn nun zum Zeitpunkt t die Spule 7 mit einem positiven Strom +1 erregt und die Spule 6 aberregt wird, wird die magnetische Spannung über dem Luftspalt bei der Statorverzahnung 12 am grössten, während sich die Rotoiverzahnung 3 einen Viertelzahnteilungsabstand vor dieser Statorverzahnung 12 befindet. Der Rotor wird dann angezogen werden bis sich die Rotorzahne den Statorzähnen 12 gegenüber befinden; dies ist die Lage Pp. Ebenso wird sich nach dem Zeitpunkt t_, nach dem die Spule 6 mit einem negativen Strom erregt wird und die Spule 7 stromlos wird, der Rotor zu der Lage P„ bewegen und sich dann mit seiner Verzahnung 3 der Statorverzahnung 11 gegenüber befinden, während sich der Rotor nach dem Zeitpunkt t^, nachdem die Spule 7 mit einem negativen

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Strom erregt wird und die Spule 6 stromlos wird, zu der Lage P. bewegen und sich der Statorverzalinung 13 gegenüber befinden wird. Der Rotor nimmt nun wieder in bezug auf die Statorverzahnung eine gleiche Lage wie gerade vor dem Zeitpunkt t ein und ein vollständiger Schrittzyklus ist vollendet. Eine Verschiebung über einen Zahnteilungsabstand erfolgt somit in vier Schritten.W enn die Gesamtanzahl von Zähnen gleich 50 m ist, ist der Schrittwinkel gleich 1,8°.

In den Figuren 1 und 2 ist dargestellt, dass pro Statorteil die beiden Verzahnurigssysteme gegeneinander über einen halben Zahnteilungsabstand verschoben und die beiden Statorteils gegeneinander über einen Viertelzahnteilungsabstand verschoben sind. Es ist auch möglich, alle Statorverzahnungssystenie eine gleiche gegenseitige Lage einnehmen zu lassen und die Rotorverzahnungssysteme gegeneinander über O₁ i, £ üzw.

Zahnteiluiigsabstand zu verschieben oder eine Kombination dieser beiden Möglichkeiten zu wählen. Für eine befriedigende Wirkung dos Motors soll pro Statorteil die Lage des einen

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Statorverzahnungssysteras inbezug auf das entsprechende Rotorverzahnungssystem über einen halben Zahnteilungsabstand gegenüber der Lage des anderen Statorverzahnungssystems in bezug auf das entsprechende Rotorverzahnungssystem verschoben sein.

Der Motor kann aus mehr als zwei Statorteileh aufgebaut werden. Stets worden diese Teile dann durch einen in einer richtigen Richtung axialmagnetisierten Ringmagnet voneinander getrennt.

Es-iist möglich, den Ringmagnet 1^ durch eine Ringspule zu ersetzen.

Auch ist es möglich, den Dauermagnet in den Rotor aufzunehmen, derart, dass das Feldlinienmuster erhalten bleibt, wobei sich z.B. ein axial magnetisierter Magnet oder eine Riiigspule in der mit einer strichpunktierten Linie 15 angegebenen Lage in Fig. 1 befindet. An der Stelle, an der der Magnet 14 in Fig.

dargestellt ist, soll dann eine magnetische gut leitende Verbindung angebracht werden.

Fig. 5 zeigt üur Illustrierung im Längsschnitt einen Motor, der in bezug auf seine Wirkung dem Motor nach Fig. 1 gleich ist.

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Die tinterschiedlichen Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet und ebenfalls trifft die Beschreibung zu. Der Motor nach Fig. 5 ist dadurch erhalten, dass der Rotor des Motors nach Fig. 1 axial zu einer einzigen Scheibe komprimiert und die Zahneinschneidung vertieft wird. Die beiden Statorteile sind nun über und unter der Scheibe angeordnet und wirken mit demselben Rotorverzahnungssystem 3 zusammen. Auf gleiche Weise wie in Fig. 1 sind die unterschiedlichen Magnetkreise mit mit Pfeilen versehenen gestrichelten Linien angegeben.

Der Motor nach Fig. 1 führt, wie gefunden wurde, in der Praxis asymmetrische Drehmomente herbei, die auf verschiedene Ursachen zurückzuführen sind, u.a. auf den Unterschied im magnetischen Widerstand von dem Dauermagnet zu z.B. dem Verzahnungssystem 10 und dem Verzahnungssystem 11 und auf den Unterschied im magnetischen Widerstand der zu diesen Verzahnungssystemen gehörigen Luftspalte, durch das Feld der Spule 6 gesehen, infolge des Unterschiedes in Richtung des Feldes in diesen Luft spalten. Eine Lösung für dieses Prob]em besteht Inder axialen Unterteilung der Statorteile in eine

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gerade Anzahl von Segmenten, die in bezug auf die Verzahnung gegeneinander über einen halben Zahnteilungsabstand\vischoben sind, wobei das zugehörige Segment des magnetischen Rings 14 ebenfalls umgepolt ist.

Fig.6 ist eine Draufsicht auf den Motor nach Fig. 1, vobei diese Massnalune, die auch z.B. bei dem Motor nach Fig. 5 angewandt ν erden kann, Anwendung gefunden hat. Es sind die obere Fläche des Joches 8 des Statorteiles '+ mit Statorverzahnungen 10 und der Rotor 1 mit Rotorverzahnungen 3 dargestellt. Der Stator ist in vier mit a, b, c., und d bezeichnete Segmente unterteilt. Die Segmente b und d, gleich wie die Segmente a und c, sind identisch, während die Verzahnungoi 10a und 10c über einen halben Zahnteilungsabstand gegen die \^rerzalinui:gen 10b und 10d verschoben sind. Dadurch liegen die Verzahnungen 10b und 10d über einen halben Zahnteilungsabstand gegen die Rotorverzahnung verschoben, wenn die Zähne der Verzahnungen 10a und 10c gerade den Rotorverzahnungen gegenüber liegen« Die n.i ch¹; sichtbaren Verzahnungen 11 sind pro Segment wieder über einen halben Zahntoiluagsabstand gegen die Verzahnungen IC

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: Ί κ

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verschoben, während der andere Statortei L 5 über einen Viertelzahn Lei!ungsabstand gegen den Statorteil 'I verschoben ist. Die vier Segmente sind voneinander durch Luftspalte getrennt, damit das Feld des Dauermagnets nicht kurzgeschlossen wird.

Fig. 7 zeigt einen Schnitt längs der Linie VII-VlI durch den Motor nach Fig. 6 und ensprechcnde Teile sind unter Hinzufügung der Indexe a und b mit den gleichen Eezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet. Der Magnetring Ι*» ist an der Stelle des Segments a gegensinnig zu der Magnetisation an der Stelle des Segments b magnetisiert, vas mit den Pfeilen und 20 angedeutet ist.

Wenn bei einem bestimmten ErregungsstroiR +1 durch die Spule 6 die magnetische Spannung über den Luftspalten bei den Verzahnungs syst einen 10a und 10c gross in bezug auf die magnetische Spannung über den Luftspalten bei den Verzahnung.«; sy st einen 11a und 11c ist, trifft ähnliches in bezug auf die V erzahnurigssysterae 11b und 11d gegenüber den Verzalmungssv stcnion 10b und 10d zu. Für die Verzalmujigssys i fine IP und 13 trifft auf entsprechende V.'tise ähnliches zu.

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Fig. 8 zeigt schematisch die gegenseitigen Lagen der Statorverzahnungssysteme 10, 11, 12 und 13> von denen nur die Segmente a und b dargestellt sind. Die Segmente c bzw. d nehmen in bezug auf die Rotorzähne 3 ja die gleichen Lagen wie die Segmente a bzw. b ein. Die Rotorverzahnung 3 ist in fünf Lagen P- bis P_ dargestellt, wobei diese Lagen stets gegeneinander über einen Viertelzahnteilungsabstand verschoben sind.

Die Spulen werden entsprechend dem Erregung;schema der Fig. h erregt, wobei die Polaritäten der Ströme in bezug auf das Statorsegment a auf die Weise definiert sind, in der diese Strome in bezug auf den Motor nach Fig. 1 definiert sind.

Wenn angenommen wird, dass sich zu dem Zeitpunkt t die Rotorzähne 3 etwas vor den Statorzähnen 10a, 10c und somit ebenfalls etwas vox· den Statorzühnen 11b und 1 1d befinden, wird sich der Rotor bei Erregung der Ringspule 6 und bei unerregter Ringspule 7 verschieben, bis sich die Rotorzah.'ic 3 genau diesen Statorzähnen gegenüber befinden, Dies; ist die Lage P in Fig. 8. Venn nun zum Zeitpunkt t. die Spule 7

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rait einem positiven Strom +1 erregt wird und die Spule 6 stromlos wird, wild die magnetische ■ Spannung über dem Luftspalt bei den Statorverzahnungen 12a, 12c, 13b und 13d am grössten, während sich die Rotorverzahnung 3 über einen Viertelteilungsabstand vor diesen Staturverzahnungen befindet, Der Rotor wird dann angezogen, bis sich die Rotorzahne den letzteren Statorzähnen gegenüber befinden; dies ist die Lage F₉. Ebenso wird sich nach dem Zeitpunkt t„, nach dem die Spule 6 mit einem negativen Strom erregt wird und die Spule 7 stromlos wird, der Rotor zu der Lage P_ bewegen und liegt dann mit seiner Verzahnung 3 den Statorverzahnungen 11a, 11c, 10b und 1Oo gegenüber, während nach dem Zeitpunkt t„, nach dem die Spule 7 mit einem negativen Strom erregt wird und die Spule 6 stromlos wird, sich der Rotor zu der Lage Pj bewegt und darm den Statorverzahmingon 13a, 13c, 12b und 12d gegenüber liegt. Der Rotor nimmt nun wieder in bezug auf die Statorverzahnung die gleiche Lage wie gorada vor demZeitpunkt t ein und es ist ein vollständiger Zyklus vollendet.

Obgleich die Figuren 6 und 7 eine Unterteilung in -vier a.-.iale Segmente zeigen, ist jede axiale-· Unterteilung in eine gsrade Anzahl

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PHN

a?

von Segmenten möglich, sei es, dass eine Unterteilung in zwei Segmente ungünstig ist, weil dann .. unausgewuchtete radiale Kräfte auf den Rotor ausgeübt werden. Gleich wie bei dem Motor nach Fig. 1 ist es möglich, die Verzahnungen 10, 11, 12 und 13 in der gleichen Lage anzuordnen und die unterschiedlichen Verzahnungen gegeneinander

11 -j
über 0, —, η- und -jr eines Zahnzeilungsabstandes zu verschieben.

Auch ist es möglich, mehrere Statorteile zu verwenden.

Bei dem segmentierten Motor nach den Figuren 6 und 7 ist es möglich, den dauermagnetischen Ring 1^ wegzulassen und durch Dauermagnete zu ersetzen, die in beiden Statorteilen zwischen den Segmenten an den in Fig. 6 angegebenen Stellen 35, 36, 37 und 38 angeordnet werden. Diese Magnete sollen dann in bezug auf den Rotor in tangentie-ller Richtung magnetisiert sein, wobei die Magnetisationsrichtung der Magnete an den Stellen 35 und 37 der Magnetisationsrichtung der Magnete an den Stellen 36 und 38 entgegengesetzt sein soll, sie mit den gestrichelten Pfeilen in Fig. 6 angedeutet ist.

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Die Statorteile für einen Motor nach der Erfindung können auf einfache Weise dadurch liergestellt werden, dass die Ringspulen 6, 7 zwischen zwei ringförmigen parallelen Platten 30 und 21 (Fig. 2) und einem zylindrischen Ring 22 eingeschlossen werden. Dabei werden zwei übergänge 23 und 2k in dem Joch 8 gebildet. Es stellt sich aber heraus, dass dies bei Motoren mit einem kleinen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor ein asymmetrisches Drehmoment herbeiführt, weil dann der magnetische Widerstand, von dem dauermagnetischen Ring 1'ther gesehen, in dem Kreis über die Platte 21 zu dem Rotor klein in bezug auf den magnetischen Widerstand in dem Kreis über die Platten 22 und 30 ist.

Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, dass das Joch 8 (und 9) aus U-förmigen Lamellen aufgebaut wird, die in im wesentlichen axialen Ebenen über die Ringspule angeordnet werden. Fig. 9zeigt ein Beispiel einer derartigen U-förmigen Lamelle und Fig. 10 zeigt eine Bauweise eines Statorteils mit derartigen Lamellen.

Die Lamellen können aus flachem Plattenmaterial hergestellt und derart gebogen werden, dass einer der Schenkel 25 über einen halbon Zahn-

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teilungsabs tand f/2 gegen den anderen Schenkel 26 verschoben wird. Ebenfalls kann ein Teil 27 rechtwinklig abgebogen werden. Dieser Teil 27 kann sich der nächstliegenden Lamelle anschliessen und dient zugleich als Kontaktfläche mit dem dauermagnetischen Ring 14.

Fig.10 zeigt den Statorteil 5. Er umfasst die Ringspule7 in einem Spulenkörper 28 aus z.B. Kunststoff. Dieser Körper kann bei der Herstellung mit passenden Schlitzen versehen werden, in die die Lamellen geschoben werden können. Durch das Verbiegen der Lamellen ist stets das eine Verzahnungssystem über einen halben Zahnteilungsabstand gegen das andere Verzahnungssystem verschoben.

Es ist auch möglich, nicbtgebogene Lamellen zu verwenden und diese schräg in bezug auf die axialen Ebenen über den Spulenkörper zu schieben oder diese in axialen Ebenen über den Spulenkörper zu schieben und entsprechende Rotorverzahnungssysteme über einen halben Zahnteilungsabstand zu verschieben. Weiter ist der abgebogene Teil 27 entbehrlich, wenn zwischen dem magnetischen Ring 14 und dem Statorteil 5 bzw. k eine

Scheibe aus weichmagnetischem Material angeordnet

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wird. Auch können statt Schlitze in dem Spulenkörper Noppen u.dgl. für die Positionierung angewandt werden.

Der Aufbau der Statorteile nach Fig. 10 ist besonders vorteilhaft für einen Motor nach Fig. 6, weil die Verschiebung der Zähne der Segmente b und d gegen die Segmente a und c über einen halben Zahnteilungsabstand einfach dadurch erzielt werden kann, dass die Schlitze ober Noppen des Spulenkörpers 28 auf richtige Weise angeordnet werden. Für alle Segmente können dann dieselben Lamellen verwendet werden.

Bei dem Motor nach Fig. 1 stellt sich heraus, dass dasDrehmoment als Funktion der Rotorlage nichtsymmetrisch ist, d.h., dass es für die beiden möglichen Richtungen des Stromes in der Spule 6 bzw. 7 nicht dasselbe ist. Diese Asymmetrie tritt dadurch auf, dass--der magnetische Widerstand, der durch den Luftspalt gebildet wird, den der Magnet Ik bildet, nicht unendlich ist. wodurch für die Felder, die von den Spulen 6 und 7 erzeugt werden, Magnetkreise über den Dauermagnet Ik erhalten werden. Dadurch, dass die Richtung dieser Felder von der Richtung de.~

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33, ³·⁵·¹⁹⁷⁷

Brregiuigss troras durch die Spulen 6 und 7 abhängig ist, ist die Einstellung· des Dauermagnets lh von dieser Richtung abhängig, wodurch das genannte asymmetrische Drehmoment herbeigeführt wird.

Fig. 11 zeigt einen Axialschnitt durch einen Motor nach Fig. 1, bei dem Massnahmen getroffen sind, durch die die genannte Asymmetrie verringert wird. Diese Massnahmen umfassen die Anordnung einer koaxialen Ringspule 30· zwischen den beiden Statorteilen k und 5« Dadurch, dass diese Ringspule 30· nun stets derart erregt wird, dass das Feld dieser Ringspule im Dauermagnet 14 dem Feld der Ringspulen 6 und 7 entgegengesetzt gerichtet ist, kann die Einstellung des Dauermagnets 14 nahezu konstant gehalten werden.

Im Falle der Erregung jeweils einer Phase "* soll dazu die Anzahl von Amperewindungeri (dies ist das Produkt des Stromes durch die Spule und der Anzahl von Vidungen dieser Spule) der Spule 30' annähernd gleich der Hälfte der Anzahl von Amperewindimgen der erregten Spule 6 oder 7 sein.

Wie bereits in bezug auf den Motor nach !'ig. .? bemerkt wurde, können die Statorteile h und 5 für einen Motor nach der Erfindung auf einfache

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PHN 5.5.1977

Weise dadurch hergestellt werden, dass die Ringspule 6 bzw. 7 zwischen zwei ringförmigen, parallelen und mit Zähnen versehenen Platten 20 und 21 (Figuren 2 und 12) und einem zylindrischen Ring 22, der die Platten 20 und 21 umgeben kann (Fig. 12), eingeschlossen wird. Dabei und auch bei anderen Herstellungsverfahren werden Übergänge 23 und 24 im Joch 20, 22, 21 gebildet. Auch dies führt, wie bereits erwähnt wurde, zu einer Asymmetrie im Drehmoment.

Fig. 12 zeigt einen Axialschnitt durch einen Motor nach Fig. 2, bei dein das letztere Problem gelöst ist. Zwischen den Statorsystemen k bzw. 5 und dem Dauermagnet 14 sind verhältnismässig breite Luftspalte angeordnet (in Fig. 12 ini t Spulen 32 bzw. 33 gefüllt). Der genannte zylindrische Ring 22 setzt sich dabei bis zu dem Dauermagnet ~\h fort, wobei der Fluss dieses Dauermagnets 14 von einer ringförmigen Scheibe eingefangen wird, die von dem Zylinder 22 umgeben wird. Auf diese Weise weist den magnetischen Weg von dem Dauermagnet ik zu dem Verzahnungssystem 10 einen gleich grossen magnetischen Widerstand wie der Weg zu dem Verzahnungssystem 11 auf.

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Ähnliches trifft für den Statorteil 5 zu.

Der durch die zusätzlichen Luftspalte frei gewordene Raum kann dadurch ausgenutzt werden, dass statt der Ausgleichsspule 30 bei dem Motor nach Fig.11 zwei Ringspulen 32 und 33 verwendet werden und diese Ringspulen in diesen beiden Räumen angeordnet werden. Die Ringspulen 32 und 33 können dann gleichzeitig (oder wechselweise) erregt werden.

Die Erregung der Ausgleichsspulen bei den Motoren nach den Figuren 11 und 12 soll in bezug auf die Erregung einer oder der beiden Statorspulen 7 und 6 derart sein, dass die magnetische Spannung über dem Dauermagnet unabhängig von dem Erregungszustand der Spulen 6 und 7 ist.

Fig. 13 zeigt einen AxialschiAtt durch eine Variante des Motors nach Fig. 1. Entsprechende Teile sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.Im Vergleich zu dem Motor nach Fig. 1 sind bei dem Motor nach Fig. 13 die Teile, auf denen die Statorzähne 10, 11, 12 und 13 angebracht sind, verbreitert. Die beiden Statorteile 8 und 9 bestehen aus zwei ringförmigen Teilen ho, h1 bzw. h2, h3, zwischen denen die Ringspule 6 bzw. 7 liegt. Diese Teile können auf

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einfache Weise aus z.B. Sintereisen hergestellt und durch 2.B. das Fräsen des Innenumfangs mit , Zähnen versehen und, gegeneinander über Winkel von 0°, 180°, 90° bzw. 270⁰ verschoben, mit dem dauer- magnetischen Ring λΗ zusammengefügt werden.

Der Rotor 1 enthält eine Welle mit darauf zwei ringf örriigen Teilen 2, die je eine axiale Länge entsprechend der der Statorteile 8 und 9 aufweisen und zur Verringerung des Trägheit smoments in der Nähe der Welle eingeschnürt sind. Diese Ringe 2 sind wenigstens den Statorverzahnungen 10, 11, 12 und 13 gegenüber mit Zähnen 3 versehen, die z.B. durch das Fräsen des Aussenumfangs der Teile 2 gebildet werden können. Die Wirkung dieses Motors entspricht weiter der des Motors nach Fig. 1.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele. Es sind viele Abwandlungen des an Hand der Fig. 1 auseinandorge setzten Basispri.nzips möglich.

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Claims

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PATENTAN'SPRUECIIE :

/ Synchronmotor mit mindestens zwei koaxialen Statorteilen, die mit je mindestens ■ einer ringförmigen Spule versehen sind, wobei diese ringförmige Spule von einem Magnetkreis aus weichf erromagnetischein Material umschlossen ist, der einerseits durch einen Rotor teil mit Verzahnungen und andererseits durch den die betreffende Ringspule umgebenden Statorteil gebildet wird, der in zwei Systeme in einer Kreisform angeordneter Statorzähne münde^ die mit den genannten Rotorverzahnungen über Luftspalte zusammenwirken und in bezug auf die damit zusammenwirkenden Rotorverzahnungen fiber einen halben Zahnteilungsabstand gegeneinander verschoben sind, wobei Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe beide Systeme von Statorzähnen für jeden Statorteilmit der gleichen Polarität magnetisiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Systeme von Zähnen jedes Statorteiles durch ringförmige Teile gebildet werden, die am Innenumfang mit Zähnen versehen sind und die beide einen Teil des die ringförmige Spule umgebenden Magnetkreises bilden und konzentrisch angeordnet sind, derart-, dass der axiale Abstand

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PHN 5.5.1977

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zwischen den Zähnen der beiden Systeme mindestens einige Male grosser als der Luftspalt zwischen den Systemen von Statorzähnen und dem Rotor ist.
2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorteile längs axialer Ebenen in eine gerade Anzahl von Segmenten unterteilt sind, wobei für jeden Statorteil die Statorzähne in bezug auf die Rotorzähne jeweils zweier nebeneinander liegender Segmente gegeneinander über einen halben Zahnteilungsabstand verschoben sind, und wobei für jeden Statorteil die genannten Mittel die beiden Systeme jeweils zweier nebeneinander liegender Segmente mit entgegengesetzten Polaritäten magnetisieren.
3· Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mindestens eine Ausgleichsspule enthält, deren Magnetkreis zu dem Magnetkreis der genannten Mittel parallel liegt.
4. Synchronmotor nach Anspruch 3> bei dem die genannten Mittel aus einem axial magnetisiert en Ring bestehen, der koaxial zwischen zwei Statorteilen liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Ausgleiohsspule ringförmig ist und

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I³HN 8^5^ -^r>.3. 1977

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koaxial mit dem dauermagiie ti sehen Ring .zwischen den beiden Statorteilen liegt.
5· Synchronmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Ringspulen umgebenden magnetischen Statorkreise aus im wesentlichen in axialen Ebenen liegenden und einstückig hergestellten Lamellen aufgebaut sind.
6. Synchronmotor nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass die Ringspulen von einem Spulenkörper umgeben sind, der mit Positionierungsmitteln zur gezielten Anordnung der genannten Lamellen versehen ist.
7. Synchronmoiornach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Lamellen U-förmig sind, wobei die Schenkel der Lamellen innerhalb des Luftspaltes zwischen dem Stator und dem Rotor zur Bildung der Statorverzahnungspysteme hervorragen, und wobei die genannten Positionierungsmittel derart sind, dass das Ende des einen Schenkels jeder U-föruiigen Lamelle innerhalb des Luftspaltes über einen halben Zahnteilungsabstand gegen das Ende des anderen Schenkels verschi ist.

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8. Synchronmotor nach Anspruch 7» bei dem die Mittel zum Magnetisieren der beiden Systeme von Statorzähnen jedes Statorteils mit gleicher Polarität durch einen axial magnetisierten dauermagnetischen Ring gebildet werden, der zwischen zwei Statorteilen liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen auf der dem dauermagnetischen Ring zugewandten Seite mit einem umgefalteten Teil versehen sind, der in einer im wesentlichen zu der Achse senkrechten Ebene liegt und über den der Fluss des Dauermagnets empfangen wird.
9. Synchronmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mittel, mit deren Hilfe die beiden Systeme von Statorzähnen jedes Statorteils mit gleicher Polarität magnetisiert werden, durch einen axial magnetisierten dauermagnetischen Ring gebildet werden, der zwischen zwei Statorteilen liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden die Ringspulen umgebenden magnetischen Statorkreise der beiden Statorteile aus jeweils zwei parallelen in zu der Rotorachse nahezu senkrechten Ebenen liegenden ringförmigen Platten aufgebaut sind, an deren l'nnenunifnn^; die £?onarmten Verzahnung^systeme

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gebildet sind und deren Aussenumfang jeweils an den Innenmantel eines zu dem betreffenden Statorteil gehörigen zylindrischen Ringes grenzt, wobei zwischen diesen Platten und dem zylindrischen Ring jeweils die Ringspule angeordnet ist, und wobei sich die beiden zylindrischen Ringe bis zu dem dauermagnetischen Ring fortsetzen und mit Mitteln zum Einfangen des Flusses des dauermagnetischen Ringes versehen sind, wodurch zwischen den beiden dem dauermagnetischen Ring zugewandten ringförmigen Platten und dem dauermagnetischen Ring.Räume gebildet werden, deren magnetischer Widerstand verhältnismässig hoch in bezug auf den magne-tischen Widerstand zwischen dem dauermagnetischen Ring und den zylindrischen Ringen ist.
10. Synchronmotor nach Anspruch 9, sofern abhängig vom Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, dass in den genannten Räumen ringförmige und koaxial liegende Ausgleichsspulen angeordnet sind.

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