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Synchronmotor mit permanentmanetischem Rotor
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchronmotor mit einem permanentmagnetischen
Rotor und einem von diesem durch einen Luftspalt getrennten, eine Wicklung tragende
Polzähne aufweisenden und aus Blechen geschichteten Stator, bei welchem der Rotor
mit einer von der Anzahl der Polzähne des Stators abweichenden Anzahl von Polen
ausgerüstet ist.
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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 Leistungsabgabe 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.
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Die 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 Anordnung
und Form der Polzähne im Stator, da der Rotor keine wesentlichen Möglichkeiten konstruktiver
Änderungen zuläßt.
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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 leistungsstärkeren Motoren mit Leistungen
von mehr als 5 Watt kann auf ein geschichtetes Blechpaket nicht mehr verzichtet
werden, da sonst zu hohe Eisenverluste infolge von Wirbelströmen auftreten würden.
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In der DE-PS 92 958 ist eine Mehrphasenmaschine beschrieben, bei der
die Anzahl der Polzähne im Stator von der Anzahl der magnetisch aktiven Pole im
Rotor abweicht. Die Anzahl der Polzähne kann dabei 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 einander
gegenüberliegenden Polgruppen sind einer Phase zugeordnet. Es handelt sich bei dieser
Wicklungsausführung um eine Bruchlochwicklung, die der Bedingung genügt, daß jede
Teilspule nur einen Polzahn umfaßt. Dadurch wird bei dieser bekannten Maschine der
vorhandene Wickelraum optimal ausgenutzt. Diese Maschine läuft mit ausreichendem
Moment an, ihr Gleichlauf und ihr Geräuschverhalten genügen jedoch höheren Ansprüchen
nicht und das Haltemoment im stromlosen Zustand ist für die meisten Anwendungsfälle
zu gering.
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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 überein. Durch derart ausgebildete Polzähne soll ein
Anlauf in einer bestimmten Richtung erzielt werden. Bezüglich Gleichlaufverhalten
und Haltemoment in stromlosem Zustand gilt das gleiche, wie für die oben geschilderte
Maschine.
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Ein Synchronmotor, wie er eingangs beschrieben ist, geht aus der DE-OS
22 08 854 hervor. Dieser bekannte Motor kann im Stator entweder gleichmäßig oder
ungleichmäßig über dem Umfang verteilt angeordnete Polzähne aufweisen, die mit unterschiedlich
ausgeführten Wicklungen versehen sein können. Von der Anordnung nach der DE-PS 92
958 unterscheidet sich dieser Motor nur durch die nach bestimmter Gesetzmäßigkeit
ungleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten Polzähne im Stator Das Betriebsverhalten
bezüglich Anlauf, Gleichlauf, Geräusch und Haltemoment im stromlosen Zustand ist
auch hier für viele Fälle ungenügend. Bei der Ausführungsform mit gleichmäßig am
Umfang verteilten Polzähnen ist das Haltemoment zur Erzielung eines schwingungsarmen
Synchronlaufs sogar gezielt klein gehalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit geringem fertigungstechnischen
Aufwand herstellbaren Synchronmotor anzugeben, der bezüglich Anlaufverhalten, Laufruhe
und Geräuschverhalten optimale Eigenschaften aufweist, der gegenüber bekannten Konstruktionen
ein größeres Leistungsvolumen hat, und der im stromlosen Zustand ein für alle Anwendungsfälle
ausreichend starkes Haltemoment aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei einem Synchronmotor der eingangs geschilderten
Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Teil der Polzähne eine kleinere
aktive, am Luftspalt liegende Fläche als die anderen, nicht verkleinerten Polzähne
aufweist.
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Durch die Kombination von Polzähnen mit verkleinerten aktiven Fl-ächen
mit Polzähnen, deren aktive Flächen am Luftspalt nicht verkleinert sind, ergibt
sich eine unregelmäßige 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 unterschiedlichen
Polzähne bis zur Höhe des Synchronmomentes gesteigert werden. 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 X bei gleicher Baugröße eine höhere Leistung.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in den Zeichnungen
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt ein Blech für den Stator eines Synchronmotors nach der
Erfindung. Fig. 2 gibt eine Abwicklung des Statorblechpakets wieder. Fig. 3 zeigt
eine Anordnung der Wicklung im Statorblechpaket. In Fig. 4 ist ein Schaltbild der
Wicklung dargestellt.
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Mit 1 ist ein Blech für den Stator eines Synchronmotors bezeichnet,
dessen Blechpaket 2 in Fig. 2 abgewickelt dargestellt ist. Das Blech 1 weist sowohl
verkleinerte Polzähne 3 als auch nicht verkleinerte Polzähne 4 auf. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel weist das Blech 1 insgesamt acht Polzähne auf. Verkleinerte
Polzähne 3 im Sinne der Erfindung sind solche, die am Luftspalt eine gegenüber den
nicht verkleinerten Polzähnen 4 kleinere magnetisch aktive Fläche haben. Das kann
vorzugsweise dadurch realisiert werden, daß die Polzähne 3 eine einseitige Verjüngung
5 aufweisen, die hier durch eine lineare Querschnittsabnahme, beispielsweise durch
eine Schräge, gebildet wird. Am ringförmigen Joch 6 haben die Polzähne 3 die gleichen
Abmessungen wie die Polzähne 4. Sie können grundsätzlich jedoch auch andere Abmessungen
haben.
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Die verkleinerten Polzähne 3 sind in dem Blech 1 vorzugsweise paarweise
angeordnet. Zwischen je zwei Paaren verkleinerter Polzähne 3 befindet sind ein Paar
nicht verkleinerter Polzähne 4.
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In einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die Verjüngungen 5 bei
zwei benachbarten Polzähnen 3 auf unterschiedlichen Seiten angebracht, so wie es
in Fig. 1 dargestellt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hälfte der
Polzähne des Blechs als verkleinerte Polzähne 3 ausgeführt, so wie es ebenfalls
aus Fig. 1 zu ersehen ist. Aus der Darstellung in Fig. 2 ist die am Luftspalt verkleinerte
Fläche der Polzähne 3 deutlich zu erkennen.
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In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den Synchronmotor nach der Erfindung
mit bewickelten Polzähnen und Rotor schematisch dargestellt. Der dauermagnetische
Rotor 7 ist mit Einzeipolen (Schenkelpolausführung) dargestellt, er kann jedoch
auch zylindrisch (Vollpolausführung) ausgeführt sein, wobei die Pole dann durch
entsprechende Magnetisierung gebilde werden.
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Die Wicklung besteht aus den beiden Wicklungssträngen 8 und 9 mit
den Schaltpunkten a-b und a-c. Zwischen den Punkten h und c ist gemäß Fig. 4 ein
Kondensator 10 eingeschaltet, der zur Erzeugung des Zweiphasensystems dient. Der
Umschalter ii ist für die Umkehr der Drehrichtung vorgesehen und kann die Position
1 oder II einnehmen. Der Punkt "R" kann für den Anschluß einer Phase verwendet werden,
während der Punkt "Mp" zum Anschluß des Mittelpunktleiters dient. Hier wäre auch
eine umgekehrte Polung möglich.
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Gemäß der Darstellung in Fig. 3 weist der Rotor 7 sechs Pole auf,während
das Statorblechpaket 2 acht Polzä-hne 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 s der Polzähne im Stator nach
der Gleichung r = s t t festlegen, wobei t die Reihe der natürlichen Zahlen 1,2,3,4
durchläuft. Die kleineren natürlichen Zahlen stehen dabei im Vordergrund.
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