DE2842195B2 - Synchronmotor mit permanentmagnetischem Rotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchronmotor mit einer mehrphasigen Wicklung, einem permanentmagnetischen Rotor und einem von diesem durch einen Luftspalt getrennten, aus Blechen geschichteten Stator, der bewickelte, am Joch in gleichmäßigen Abständen angeordnete Polzähne in einer von der Rotorpolzahl abweichenden Anzahl aufweist.

Derartige Synchronmotoren werden beispielsweise als Antrieb in der Meß-, Steuerungs- und Regelungstechnik eingesetzt. Insbesondere werden sie als Antrieb für Etikettierer und Stellgetriebe mit Rückstellkräften verwendet. Die Synchronmotoren mit permanentmagnetischem Rotor haben derzeit mit ca. 50 Watt Leitungsabgabe eine Grenzleistung. Diese Grenzleistung wird im wesentlichen vom Entwicklungsstand der Dauermagnettechnik bestimmt. Die systembedingten charakteristischen Eigenschaften dieser Synchronmotore im Betriebsverhalten, wie Start, Stopp, Synchronlauf. Gleichlauf, Laufruhe und Haltemoment bei abgeschalteter Stromversorgung, haben zum vielfältigen Einsatz derselben beigetragen.

D>e elektromagnetische Wirkungsweise der Synchronmotoren mit permanentmagnetischem Rotor ist leicht überschaubar. Bei der Optimierung eines leistungsfähigen Motors sind konstruktive Einzelheiten von großer Bedeutung. Das gilt insbesondere für

ίο Anordnung und Form der Polzähne im Stator, da der Rotor keine wesentlichen Möglichkeiten kanstruktiver Änderungen zuläßt Bei Synchron-Kleinstmotoren bis etwa 5 Watt (DE-PS 10 76 804) hat sich die Topfbauweise mit herausgeschnittenen Polkränzen im Stator und einer Zentralspulenbewicklung als optimale Ausführung erwiesen. Bei leitungsstärkeren Motoren mit Leistungen von mehr als 5 Wati kann auf ein geschichtetes Blechpaket nicht mehr verzichtet werden, da sonst zu hohe Eisenverluste infolge von Wirbelströmen auftreten würden.

Aus der DE-PS 92 958 geht ein Synchronmotor hervor, wie er eingangs beschrieben ist. Bei diesem bekannten Synchronmotor kann die Anzahl der Polzähne im Stator sowohl größer als auch kleiner als die Anzahl der magnetisch aktiven Pole im Rotor sein. Die im gleichmäßigen Abstand über den Umfang verteilten Polzähne sind mit Wicklungen versehen, und die zueinander gegenüberliegenden Polgruppen sind einer Phase zugeordnet. Es handelt sich bei dieser

jo Wickiungsausführung um eine Bruchlochwicklung, die der Bedingung genügt, daß jede Teilspule nur einen Polzahn umfaßt. Dadurch wird bei diesem bekannten Synchronmotor der vorhandene Wickelraum optimal ausgenutzt. Dieser Synchronmotor läuft mit ausreichen-

J5 dem Moment an, sein Gleichlauf und sein Geräuschverhalten genügen jedoch höheren Ansprüchen nicht und das Haltemoment im stromlosen Zustand ist für die meisten Anwendungsfälle zu gering.

Durch die DE-AS 14 88 278 ist ein Synchronmotor mit abgestuften Polzähnen im Stator beschrieben. Die Anzahl dieser Polzähne stimmt mit der Anzahl der Magnetpole im dauermagnetischen Rotor überetn. Durch derart ausgebildete Polzähne soll ein Anlauf in einer bestimmten Richtung erzielt werden. Bezüglich Gleichlaufverhalten und Haltemoment im stromlosen Zustand gilt das gleiche, wie für den oben geschilderten Synchronmotor.

Weiterhin zeigt die DE-OS 22 08 854 einen Synchronmotor mit in gleichmäßigen Abständen angeordneten Statorpolzähnen, der dem Synchronmotor nach der DE-PS 92 958 entspricht. In dieser Druckschrift ist weiterhin ein Schnittbild eines Synchronmotors dargestellt, bei dem weniger, zu Gruppen zusammengefaßte Polzähne mit ungleichmäßigen Abständen am Joch angeordnet sind. Dieser Synchronmotor hat dadurch zwar gegenüber einem Synchronmotor mit gleichmäßigen Abständen zwischen den Polzähnen weniger Raststellen, sein Haltemoment in stromlosem Zustand ist jedoch nur unwesentlich höher, da die Gruppen der Polzähne gerade um eine halbe Polteilung versetzt sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit geringem fertigungstechnischen Aufwand herstellbaren Synchronmotor anzugeben, der gegenüber dem eingangs geschilderten Synchronmotor im stromlosen Zustand ein stärkeres Haltemoment aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Teil der Bleche teilweise nicht verjüngte Polzähne und teilweise zum Luftspalt hin einseitig

verjüngte Polzähne aufweist, deren aktive, am Luftspalt liegende Fläche kleiner als die entsprechende Fläche der nicht verjüngten Polzähne ist, daß das Statorblechpaket sowohl aus Blechen mit teilweise einseitig verjüngten Polzähnen als auch aus Blechen mit nicht verjüngten Polzähnen aufgebaut ist, daß einseitig verjüngte Polzähne und nicht verjüngte Polzähne in ihrem Blech in Umfangsrichtung paarweise nebeneinander angeordnet sind, und daß die Verjüngung bei zwei benachbarten, einseitig verjüngten Polzähnen auf unterschiedlichen Seiten angebracht ist

Durch die Kombination von Blechen mit teilweise einseitig verjüngten Polzähnen mit Blechen, die ausschließlich nicht verjüngte Polzähne aufweisen, ergibt sich eine zveidimensionale Ausgestaltung des Luftspalts zwischen Stator und Rotor. Ein derart ausgeführter Synchronmotor hat ein extrem großes Haltemoment im stromlosen Zustand. Dieses Haltemoment kann bei richtiger Kombination der unrrschiedlichen Bleche bis zur Höhe des Synchronmomentes gesteigert werden. Für alle möglichen Ausführungsformen werden nur zwei Blechschr.itte benötigt, so daß der Synchronmotor sehr einfach und wirtschaftlich hergestellt werden kann.

Trotz des starken Haltemoments hat dieser Synchronmotor ein gutes Anlaufverhalten und einen sehr guten Gleichlauf. Laufruhe und Geräusch liegen bei niedrigen Werten. Lagerschäden und Pendelmomente treten nicht auf. Außerdem hat dieser Synchronmotor gegenüber bekannten Ausführungen bei gleicher Baugröße eine höhere Leistung.

Die Polzähne sind am Joch in gleichmäßigen Abständen angeordnet, so daß die Wicklungssymmetrie nicht beeinträchtigt wird. Im für die elektromagnetischen Vorgänge ausschlaggebenden Luftspaltbereich J5 hingegen ergibt sich durch die einseitigen Verjüngungen, die an zwei benachbarten Polzähnen auf unterschiedlichen Seiten angeordnet sind, ein ungleichmäßiger Abstand der Polzähne. In elektromagnetischer Hinsicht sind die Polzähne des Stators also ungleichmäßig angeordnet, und zwar so, daß sich bei relativ wenigen Raststellen ein stark erhöhtes Haltemoment im stromlosen Zustand ergibt.

Trotz des in axialer Richtung ungleichförmigen Aufbaus des Ständerblechpakets hat der Synchronmotor gegenüber einem Motor gleicher Baugröße, bei dem nur ein Blechschnitt verwendet wird, außerdem ein verbessertes Gerävschverhalten, da der Geräuschpegel überraschend niedriger ist.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in den Zeichnungen dargestellt.

Es zeigt

F i g. 1 ein Blech für den Stator eines Synchronmotors nach der Erfindung mit durchweg symmetrischen Polzähnen,

F i g. 2 ein Blech mit teilweise einseitig verjüngten Polzähnen,

F i g. 3 eine Abwicklung des Statorblechpakets,

F i g. 4 eine Anordnung der Wicklung im Stdtorblechpaket, F i g. 5 ein Schaltbild der Wicklung.

Mit 1 ist ein Blech für den Stator eines Synchronmotors bezeichnet, dessen Belchpaket 2 in F i g. 3 abgewickelt dargestellt ist. Das Blech 1 weist Polzähne 3 auf, die alle die gleichen Abmessungen haben und mit gleichbleibendem Abstand am Joch 8 angeordnet sind. Die Polzähne 3 haben auch im Luftspaltbereich einen gleichbleibenden Abstand. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind acht Polzähne 3 vorgesehen.

Im Gegensatz zum Blech 1 weist das in Fig.2 dargestellte Blech 4 sowohl einseitig verjüngte Polzähne 5 als auch nicht verjüngte Polzähne 6 auf. Die Polzähne 5 und 6 sind zwar am Joch 9 mit gleichbleibendem Abstand angeordnet, jedoch sind die Abstände zwischen den einzelnen Polzähnen im Luftspaltbereich infolge der Verjüngungen an den Polzähnen 5 ungleichmäßig. Auch das Blech 4 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt mit acht Polzähnen ausgerüstet. Einseitig verjüngte Polzähne 5 im Sinne der Erfindung sind solche, die am Luftspalt gegenüber den nicht verjüngten Polzähnen 6 eine kleinere aktive Fläche haben. Das kann vorzugsweise dadurch realisiert werden, daß die Polzähne 5 einseitig durch eine Schräge 7 verjüngt sind.

Die einseitig verjüngten Polzähne 5 sind in dem Blech 4 paarweise angeordnet. Zwischen je zwei Paaren dieser Polzähne 5 befindet sich ein Paar nicht verjüngter Polzähne 6. Die Schrägen 7 sind bei zwei benachbarten Polzähnen 5 auf unterschiedlichen Seiten angebracht, so wie es aus den F i g. 2 und 4 zu ersehen ist

Das Statorblechpaket 2, das in Fig.3 abgewickelt dargestellt ist, wird aus Blechen 1 und Blechen 4 zusammengesetzt. Die beiden unterschiedlichen Bleche können abwechselnd oder zu Paketen zusammengefaßt geschichtet sein. Als besonders günstig hat es sich herausgestellt wenn das Statorblechpaket 2 aus zwei axial gleichlangen Pakelen der beiden unterschiedlichen Bleche geschichtet wird. Im Statorblechpaket sind dann also 50% Bleche 1 und 50% Bleche 4 vorhanden.

Eine derartige Ausführung des Statorblechpakets 2 geht aus F i g. 3 hervor. Die untere Hälfte desselben zeigt ausschließlich nicht verjüngte Polzähne 3, während in der oberen Hälfte einseitig verjüngte Polzähne 5 und nicht verjüngte Polzähne 6 vorhanden sind. Aus dieser Darstellung ist die am Luftspalt verkleinerte Fläche der Polzähne 5 besonders deutlich zu erkennen.

In F i g. 4 ist ein Querschnitt durch den Synchronmotor nach der Erfindung im Bereich der Bleche 4, mit bewickelten Polzähnen und Rotor schematisch dargestellt. Der dauermagnetische Rotor 10 ist mit Einzelpolen (Schenkelpolausführung) dargestellt, er kann jedoch auch zylindrisch (Vollpolausführung) ausgeführt sein, wobei die Pole dann durch entsprechende Magnetisierung gebildet werden. Die Wicklung besteht aus den beiden Wicklungssträngen 11 und 12 mit den Schaltpunkten a-b und a-c. Zwischen den Punkten b und c ist gemäß F i g. 5 ein Kondensator 13 eingeschaltet, der zur Erzeugung des Zweiphasensystems dient. Der Umschalter 14 ist für die Umkehr der Drehrichtung vorgesehen. Er kann die Position I oder II einnehmen. Der Punkt »R« kann für den Anschluß einer Phase verwendet werden, während der Punkt »Mp« zum Anschluß des Mittelpunktsleiters dient. Hier wäre auch eine umgekehrte Polung möglich.

Gemäß der Darstellung in F i g. 4 weist der Rotor 10 sechs Pole auf, während das Statorblechpaket 2 acht Polzähne hat. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform hat der Stator also zwei Polzähne mehr als der Rotor Pole. Der Unterschied zwischen der Anzahl der Polzähne im Stator und der Anzahl der Pole im Rotor kann jedoch auch größer als »zwei« sein. Es besteht auch die Möglichkeit, einen Rotor zu verwenden, der mehr Pole aufweist, als Polzähne im Stator vorhanden sind. Allgemein ausgedrückt läßt sich die Anzahl r der Pole im Rotor zur Anzahl sder Polzähne im Stator nach

der Gleichung r = s± t festlegen, wobei t die Reihe der natürlichen Zahlen 1, 2, 3, 4 ... durchläuft. Die kleineren natürlichen Zahlen stehen dabei im Vordergrund.

Bezüglich der Wicklung sei bemerkt, daß unter »mehrphasig« auch zweiphasig verstanden sein soll.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Synchronmotor mit einer mehrphasigen Wicklung, einem permanentmagnetischen Rotor und einem von diesem durch einen Luftspalt getrennten, aus Blechen geschichteten Stator, der bewickelte, am Joch in gleichmäßigen Abständen angeordnete Polzähne in einer von der Rotorpolzahl abweichenden Anzahl aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Bleche (4) teilweise nicht verjüngte Polzähne (6) und teilweise zum Luftspalt hin einseitig verjüngte Polzähne (5) aufweist, deren aktive, am Luftspalt liegende Fläche kleiner als die entsprechende Fläche der nicht verjüngten Polzähne (6) ist, daß das Statorblechpaket (2) sowohl aus Blechen (4) mit teilweise einseitig verjüngten Po'zähnen (5) als auch aus Blechen (1) mit nicht verjüngten Polzähnen (3) aufgebaut ist, daß einseitig verjüngte Polzähne (5) und nicht verjüngte Polzähne (6) in ihrem Blech (4) in Umfangsrichtung paarweise nebeneinander angeordnet sind, und daß die Verjüngung bei zwei benachbarten, einseitig verjüngten Polzähnen (5) auf unterschiedlichen Seiten angebracht ist

2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorblechpaket (2) zur Hälfte aus Blechen (4) mit teilweise einseitig verjüngten Polzähnen (5) und zur anderen Hälfte aus Blechen (1) mit nicht verjüngten Polzähnen (3) aufgebaut ist.

3. Synchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (4) mit teilweise einseitig verjüngten Polzähnen (5) und die Bleche (1) mit nicht verjüngten Polzähnen (3) paketweise zusammengefaßt sind und axial hintereinander angeordnet das Statorblechpaket (2) bilden.

4. Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der einseitig verjüngten Polzähne (5) bei einem Blech (4) mit derartigen Polzähnen gleich der Anzahl der nicht verjüngten Polzähne (6) desselben ist.

5. Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Polzähne im Stator um zwei größer als die Anzahl der Pole im Rotor (10) ist.