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"Elektromotor mit kleinem Luftspalt"
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor, lnsbesondere auf
einen einlageringen Kleinstmotor mit ungewähnlich kleinem Luftspalt.
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Einlageringe, einfasige Wechselstrommotoren mit ausgeprägten Polen
sind bekannt und werden gewöhnlich bei der Luftfahrt verwendet. Ein typisches Ausführungsbeispiel
für die Konstrusktion eines derartigen einlagerigen Motors ist aus der US-PS 3 293
729 des Anmelders bekannt. Diese Klelnstmotcren mit nur einem Layer haben gewöhnlich
Luftsnaltbreiten von 0,229 mm oder 0,2541 mm (0,009 inch oder 0,010, inch) oder
mehr; derartige Motoren mit Luftsnaltbreiten kleiner als 0,203 mm (0,009 inch) sind
dem Anmelder nicht bekannt.
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Es ist seit langem bekannt, daß beim nicht Vorhandensein von Verlusten
eine Verkleinerung der Luftsnaltbreite und damit einhergehender Verringerung des
magnetischen Widerstandes zu eines Verbesserung der Motorarbeitsweise und -leistung
führt.
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In erster Linie begrenzt der Widerstand die Ausgangsleistung von kleinen
Motoren mit ausgeprägtem Pol. Da weiterhin der überwiegende Anteil des Stromes in
derartigen Motoren der Magnetisierungsstrom ist, führt eine Verkleinerung des Luftspaltes
zu einer damit einhergehenden Verringerung des Eingangsstromes. Proportional zu
dieser Verringerung des Eingangsstromes werden auch die Kupferverluste (I²R) kleiner.
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Dies wiederum hat zur Folge, daß weniger Kupfer (oder gegebenenfalls
Aluminium) und Eisen benötigt wird, so daß eine Kostenersnarnis und Motorverkleinerung
möglich ist, wenn man die Verluste bei ihrem ursprünglichen Wert belassen will.
Statt dessen kann aber auch bei gleicher Kunfer- und Eisen-Menge bzw. -Anordnun
der sich bei verriegeltem Rotor ergebende Strom und das Drehmoment erhdht und damit
ein "steiferer" oder "strammerer" Motor erhalten werden.
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Zwar werden die sich bei Luftspaltverringerung ergebenden möglichen
Vorteile sehr geschätzt; der Anmelder - und seines Wissens auch die übrigen in Frage
kommenden fachleute - haben jedoch vorausgesagt, daß eine weitere Verkleinerung
der Luftspaltbreite über die bisher verwendeten Luftspaltbreiten hinaus zu einer
starken Erhöhung der Polflächen - und Zahn- bzw. Nutenpulsationsverluste führen
würde, derart, daß diese Verluste diejenigen Vorteile überwiegen würden, die sich
bei kleinen Luftsnalten und damit einhergehender geringerer Erregungsenergie ergeben
werden. Wenn nämlich der Luftsnalt kleiner gemacht wird, steigen die Statorpolflächen
und Rotorzahnflächenverluste deswegen an, weil in den Pol- und Zahnflächen ein magnetischer
Fluß großer örtlicher und zeitlicher frequenz (snace frequency) vorhanden ist, der
seinerseits zu Wirbelströmen und Hystereseverlusten geringer Eindringtiefe führt.
Es wurde nmlich festgestellt, daß der vom Rotor ausgehende magnetische Fluß eine
Welligkeit und Oberwellen hat, welche fünfzig-bis hundertmal so viele Pole als Statornole
aufbaut, und daR außerdem der Statorfluß seinerseits Wellen und Oberwellen in den
Statorzähnen hervorruft.
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Der Anmelder hat nun äußerst unerwartet und völlig Uberraschend gefunden,
daß extrem kleine Luftspalte, das heißt Luftsnalte bis zu einer Breite von 0,0254
mm (0,001 inch) nicht zu dem vorausgesagten Ergebnis, nämlich den verstärkten Zahn-und
Polflächenverlusten führen. Ganz im Gegenzeil führen diese unerhört kleinen Luftspalte
zu einer bedeutenden Verbesserung der Arbeitsweise und -leistung und damit einhergehender
deutlicher Kostensenkung bei derartigen Motoren.
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Dem Anmelder ist auch bekannt, daß ein miniaturisierter Wechselstrommotor
mit zwei Lagern zeitweilig, für Selbststeueranlagen
bei Flugzeugen
verwendet wurde. Bei dieser Instrumentenflusmaschine wurden Miniaturkugellager verwendet,
wobei man mit Hilfe der sogenannten staub- oder kontaminationsfreien Technik (white
room techniques) extrem niedrige Toleranzen eingehalten werden konnten. Die Potoren
dieser Maschinen h?ttn einen Aussendurchmesser in der Größenordnung von ca. (,35
mm (0,25 inch) und Luftsnalte, die nicht kleiner als 0,127 mm (0,005 inch) waren;
daß Verhältnis von Luftspaltbreite zu Rotordurchmesser betrug hierbei Jedoch mindestens
0,020.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit einem Statorblechkranz
mit nach innen vorstehenden Polen, deren Innenflächen eine Bohrun begrenzen, und
einem in dieser Bohrung drehbar angeordneten Rotor, der zusammen mit den Polinnenflächen
die Luftspalte festlegt. Gegenüber den bekannten Elektromotoren zeichnet sich dieser
Elektromotor erfindungsgemäß dadurch aus, dat seine Luftsnaltbreiten n radialer
Richtung gemessen zwischen 0,02541 mm und etwa 0,152 mm (0,001 inch ungefähr 0,006
inch) liegen, wobei das Verhältnis von Luftsnaltbreite zu Rotordurchmesser zwischen
0,0009 und 0,005 liest.
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Mit Hilfe der Erfindung wird ein Elektromotor geschaffen, der gegenüber
herkömmlichen Elektromotoren verbessert ist und einen ungewöhnlich kleinen Luftspalt
aufweist.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor hat bessere Kennwerte, insbesondere
eine höhere Leistun.
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Insbesondere wird mit Hilfe der Erfindung ein einlageringer Kleinstmotor
mit extrem kleinem Luftspalt zur Verfügung yestellt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beigefügten
schematischen Darstellungen näher erläutert, in den Zeichnungen zeiten: wird. 1
eine Seitenansicht im Schnitt eines Ausführungsbeisniels der Erfindung; und Diz.
2 einen Teil des in Fig. 1 darcrestellten Ausführungsbeispiels in vergrößertem Maßstab.
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In Fig. 1 ist ein üblicher einlageringer Einfasen- Wechselstrom-Kleinstmotor
10 mit ausgeprägtem Pol dargestellt.
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Der Motor 10 umfaßt ein Motorgehäuse 12, eine Seitenwandung 14 und
eine Stirnwand 16. Der St?torblechkranæ 18, bestehend aus mehreren übereinandergestapelten
relativ dünnen Laminationen eines manetischen Materials. Er ist in einer in der
Innenfläche der Seitenwandung 14 des Gehäuses 12 angeordneten Fuge 20 eingesetzt.
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on der Stlrnwand 16 des Gehäuses 12 aus erstreckt sich koaxial eine
Lagerhülse 22 in den von der Seitenwandung 14 gebildeten Hohlraum. In der Lagerhülse
22 ist eine Welle 24 drehbar gelagert. Ein aus einem Stapel von mehreren dünnen
Laminationen aus magnetischen Material gebildeter Rotor 26 ist, beispielsweise mit
Schrumpfsitz, auf einer Buchse 28 eines mit der Welle 24 verbundenen Halterungsaufsatzes
30 angeordnet. Zwischen der Lagerhülse 22 und dem Halterungsaufsatz 30 ist eine
Stoßpufferscheibe 34 vorgesehen. Ein Spiel zwischen der Welle 24 und dem Rotor 26
wird durch eine Sicherunrsscheibe 36, die auf der Welle sitzt und gegen die Aussenflache
der Stirnwand 16 des Gehäuses 12 drückt, verhindert.
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An der Stirnwand 16 des Gehäuses 12 ist eine Abschlußkappe 38 befestigt.
Die Abschlußkappe 38 und die Stirnwand 16 legen
den dazwichenliegenden
Hohlraum fest. Im Wohlraum 42 ist ein ein Schmiermittel aufnehmender Stoff 1414,
welcher die Laxerhülse 22 mit Schmiermittel versorgt, vorgesehen. An der Innenfläche
der Stirnwand 16 des Ceheuses 12 ist ein becherfMrmiges, das innere Ende der Buchse
2R umgebendes Teil 46 befestigt.
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Schmiermittel das von der Lauffläche der Welle 214 in den zwischen
der Lagerhülse 22 und der Buchse 28 liegenden Raum vintritt, wird in das becherförmige
Teil 46 abgezogen und gelangt durch die in der Stirnwand 16 des Gehäuses 12 vorgesehenen
Zugänge 48 wieder zum das Schmiermittel aufnehmenden Stoff 44.
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Nahe der Aussenfläche 54 des Rotors 2h sind Läuferkäfigstangen 50
in Nuten 42 voroesehen. Die Läuferkäfigstangen 52 werden durch Bundringe 53, 55
miteinander verbunden. Die Läuferkäfigstangen 50 sowie die Bundringe 53, 55 bestehen
üblicherweise aus Springzgußaluminium.
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Der Statorblechkranz 10 weist ein ringförmiges Joch 57 mit mehreren
sich vom Joch 57 radial nach innen erstreckenden ausgeprägten Polen 58 auf. üblicherweise
hat der Motor 10 zwei, vier oder sechs in gleichem Winkelabstand anordnete Pole
58.
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Er ist demgemäß als Zwei-, Vier-, oder Sechspolmotor aus staltet.
Auf den Polen 5P sind Feldwicklungen 60 vorgesehen.
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An der Seitenwand 14 des Gehäuses 12 ist ein Deckel 56 vorgesehen,
durch dessen mittige Öffnung der Bundring 55 und die Welle 24 herausragen.
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Gemäß Fig. 2 weist jeder Pol einen bogenförmigen Polflächenab schnitt
62 auf. Dieser Polflächenabschnitt 62 legt zusammen mit der zylindrischen Aussenfläche
54 des Rotors 26 einen in radialer Richtung gleichförmigen Luftsnalt 64 fest. oin
durch den Polflächenabschnitt 62 durchgehender, und somit mit dem Luftspalt in Verbindung
stehender Schlitz 66 ist zur Aufnahme einer
Kompensationsspule
68 (shading coil) vorgesehen.
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Weiterhin weist jeder Pol 59 einen abgeschrägten Polflächenabschnitt
70 auf. Letzteres Merkmal ist ausführlich in der US-PS 2 773 999 des Anmelders beschrieben.
Dieser abgeschrägte Polflächenabschnitt 70 stellt jedoch nicht das Wesen der Erfindung
dar.
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Bei der bisher beschriebenen Konstruktion für einen Induktionsmotor
mit ausgeprägtem Pol handelt es sich um einen Üblichen derartigen Elektromotor.
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Die bisher bekannten einlageringen Kleinstmotoren verwenden Luftspaltbreiten,
die nicht kleiner als 0,203 mm (O,OOP inch), gewöhnlich 0,229 mm oder 2,541 m (0,009
oder 0,010 inch) oder größer sind. Warum bisher kleinere Luftspaltbreiten nicht
verwendet wurden, wurde bereits dargelegt. DemFemenUber sieht die Erfindung einen
Luftsnalt 64 mit einer zwischen 0,025 mm und 0,152 mm (0,001 inch und 0,006 inch),
vorzugsweise zwischen 0,051 mm und 0,10 mm (0,002 inch und 0,004 inch) liegt.
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Im Falle eines bekannten Induktionsmotors mit ausgeprögtem Pol und
einer Ausgangsleistung von 2 Watt wurde bisher beispielsweise ein Stator mit einem
Durchmesser von 81,31 mm (3,2 inch) und einer Breite von 12,7 mm (0,5 inch), ein
Rotor mit einem Durchmesser von 44,96 mm (1,77 inch) und ein Luftsnalt von ungefähr
0,229 mm (0,009 inch) voroesehen.
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Verwendet man dagegen gemäß der Erfindung einen Luftsnalt zwischen
0,051 mm und 0,10 mm (0,002 inch und 0,004 inch), so erhalt man einen erheblich
besseren Motor mit der gleichen Ausgangsleistung, wobei der Stator einen Durchmesser
von 60,22 mm (2,37 inch) und eine Breite von 10,67 mm (0,42 inch) sowie einen Rotor
mit einem Durchmesser von 2F,942 mm
(1,139 inch) hat. Daraus ergibt
sich, daß der erfindungsgemäße Rotor mit einer zwischen 0,025 mm und 0,152 mm (0,001
inch und o,0n6 inch) lle-enden Luftspaltbreite oIn zwischen ca. 0,0009 bis 0,005
liegendes Verhältnis von Luftspaltbreite zu Rotordurchmesser aufweist. Demgegenüber
liegen bei den bekannten Motoren, die dieses Verhältnis erfüllen, die Luftsnaltbreiten
weit über 0,152 mm (0,006 inch); sie liegen nämlich bei 0,25 mm (0,010 inch) und
darüber. Das Verhältnis der Materialkosten zwischen den bekannten, großeren Motoren
und den neuen, von der Erfindun, das heißt vom äußerst extrem kleinen Luftspaltgebrauch
machenden Motor liegt in der Größenordnung von 3:1.
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Die Anwendung der erfinderischen Lehre ermöglicht es aber auch, bei
gleichem rotor wie früher, jedoch nun mit äußerst kleinem Luftsnalt eine beachtliche
Leistungserhöhung zu erzielen und damit einhergehend die Eingangsleistung verringern
bzw. Energie sparen zu können.
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Die Erfindung wurde anhand eines Elektromotors mit ausgeprägtem Pol
beschrieben. Sie ist jedoch nicht auf derartige Motoren beschränkt, sondern in gleicher
Weise auf andere Motortypen, beispielsweise auf einen Induktionsmotor mit kanazitivem
Vorwiderstand oder einem mehrfasigen Motor anwendbar.