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Elektrischer Motor für Gleich- oder
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Wechselstrom.
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Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Motor für Gleich- oder
Wechselstrom mit einem Stator mit Polen, die durch auf die Pole aufgebrachte stromdurchflossene
Wicklungen magnetisiert werden.
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Bei den bekannten Motoren wird durch die Statorwicklungen ein Drehfeld
erzeugt und innerhalb des Stators befindet sich ein Rotor, in welchem durch das
Drehfeld elektrische Ströme induziert werden und dadurch entsteht innerhalb des
Rotors ein Magnetfeld, das durch das rotierende Magnetfeld des Stators zur Rotation
gezwungen wird.
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Diese bekannten Motoren haben in der Regel hohe Drehzahlen.
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Der Rotor besitzt eine große Eisenmasse und bei vielen Motortypen
noch zusätzliche Wicklungen und ist deshalb schwer und in der Herstellung teuer
und die Motoren nehmen beim Einschalten einen, den normalen Strom stark übersteigenden
Anlaßstrom auf, so daß besondere Schaltvorrichtungen erforderlich sind, um Schäden
durch zu hohe Anlaßströme zu vermeiden.
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Durch den Motor nach der Erfindung wird die Aufgabe gelöst, einen
elektrischen Motor für niedrige Drehzahlen bis etwa 1000 Umdrehungen pro Minute
zu schaffen, der im Aufbau einfach ist, wobei insbesondere der Rollkörper keine
Wicklungen und nur eine verhältnismäRig geringe Eisenmasse aufweist und der keinen
erhöhten Anlaßstrom aufnimmt. Der Motor kann entweder für eine bestimmte Geschwindigkeit
ausgelegt sein oder er kann stufenlos von Null bis etwa 1000 Umdrehungen pro Minute
regelbar sein, ohne daß dazu eine mechanische Übersetzung oder eine Schaltvorrichtung
mit Widerständen und Schaltern
erforderlich ist. Gemäß der Erfindung
wird dies dadurch erreicht, daß die Statorwicklungen so geschaltet sind, daß jeweils
nur die Wicklungen in einer Hälfte des Stators magnetisch erregt sind und diese
magnetische Erregung im Stator umläuft.
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Innerhalb des Stators befindet sich ein Rollkörper, der schwimmend
gelagert ist und durch die umlaufende magnetische Erregung exzentrisch vom Stator
angezogen wird und sich dabei am Stator abrollt. Der Rollkörper kann sich mit seiner
Umfangsfläche direkt an der Innenseite des Stators abrollen; zweckmäßig werden aber,
um Beschädigungen zu vermeiden, am Rollkörper besondere Rollflächen vorgesehen,
die an den Innenseiten von Rollringen abrollen.
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Das Prinzip des Motors nach der Erfindung beruht auf folgendem: Der
Außenumfang des Rollkörpers bzw. der am Rollkörper angeordneten Rollflächen ist
etwas kleiner als der Umfang der Innenflächen am Stator, an denen sich der Rollkörper
abrollt.
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Wenn das Magnetfeld im Stator einen vollen Umlauf gemacht hat, so
hat auch der Rollkörper, d.h. dessen Schwerpunkt, einen Kreis durchlaufen und sich
dabei an den Rollflächen des Stators abgerollt. Da aber der Umfang der Rollflächen
des Rollkörpers etwas kleiner ist als der Umfang der Rollflächen am Stator, hat
sich bei diesem Umlauf der Rollkörper gegenüber dem Stator gedreht, um einen Winkelbetrag,
der der Umfangsdifferenz entspricht. Auf diese Weise erhält der Rollkörper eine
Umdrehungsgeschwindigkeit, die bestimmt ist durch die Umdrehungszahl, mit der das
Magnetfeld im Stator umläuft, und durch die Differenz zwischen dem Umfang des Rollkörpers
und dem Innenumfang des Stators. Ist bei konstanter Drehzahl des Magnetfeldes im
Stator auch die Umfangsdifferenz konstant, so läuft der Motor mit einer durch diese
beiden Größen festgelegten konstanten Drehzahlen. Es können aber die Abrollflächen
am Stator und am Rollkörper konisch sein und zwar mit gleichem Winkel. Dadurch ist
es möglich die Umfangsdifferenz durch eine axiale Verschiebung des Rollkörpers im
Stator
zu verändern und zwar von der Geschwindigkeit Null, bei der die Rollflächen des
Rollkörpers an den Rollflächen des Stators über den ganzen Umfang anliegen, so daß
der Rollkörper sich nicht radial verschieben kann, bis zu einer Höchstgeschwindigkeit,
bei der die Umfangsdifferenz einen Höchstwert erreicht. Je größer die Umfangsdifferenz
ist, umso größer wird auch die Umdrehungszahl. Dabei nimmt aber der Nutzeffekt und
die Stabilität ab. Es hat sich gezeigt, daß aus diesem Grund der Durchmesser des
Rollkörpers nicht kleiner sein soll als 90 % des Durchmessers der Abrollfächen am
Stator. In diesem Fall beträgt die Drehzahl des Rollkörpers 1/10 der Drehzahl, mit
der die magnetische Erregung im Stator umläuft. Die axiale Verschiebung des Rollkörpers
im Stator kann während des Laufens des Motors vorgenommen werden, so daß auch bei
laufendem Motor die Drehzahl stufenlos regelbar ist.
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Um den Rollkörper im Stator schwimmend, d.h. in einer zur Drehachse
senkrechten Ebene verschiebbar zu lagern und gleichzeitig die Umdrehung des Rotors
auf eine Abtriebswelle zu übertragen, kann der Rollkörper durch Stoßdämpferzapfen
in Antriebsscheiben, die auf der Abtriebswelle befestigt sind, radial verschiebbar
gelagert sein. Zu diesem Zweck sind zweckmäßig in den Antriebsscheiben Stoßdämpferscheiben
angeordnet, in denen die Stoßdämpferzapfen so gelagert sind, daß sie sich beim Abrollen
des Rollkörpers in diesen Stoßdämpferscheiben in allen Richtungen senkrecht zur
Drehachse um den Betrag verschieben können, um den sich der Rollkörper beim Abrollen
bei maximaler Umfangsdifferenz seitlich verschiebt.
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Um die durch die Bewegung des Rollkörpers entstehende Unwucht auszugleichen,
können in drei axialen hintereinander angeordneten Statoren drei Rollkörper schwimmend
gelagert sein, wobei die umlaufenden magnetischen Erregungen im mittleren Stator
gegen die magnetischen Erregungen in den beiden
äußeren Statoren
um 1800 versetzt sind. Dadurch wird erreicht, daß auch die Rollkörper bei ihrer
Abrollbewegung gegeneinander um 1800 versetzt sind und dadurch die Unwucht ausgeglichen
wird. Es können zum Ausgleichen der Unwucht aber auch am Rollkörper Gegengewichte
vorgesehen sein, die über Gestänge derart gesteuert werden, daß ihr Abstand von
der Symmetrieachse des Rollkörpers an der Seite verkleinert ist, an der der Rollkörper
bei der Abrollbewegung die Abrollflächen des Stators berührt und an der entgegengesetzten
Seite vergrößert ist, wodurch das ganze rotierende System ausgewuchtet ist.
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Um zu erreichen, daß die
cklungen des Stators jeweils nur an einer Seite stromdurchflossen und damit magnetisch
erregt sind, werden zweckmäßig mit den Wicklungen Dioden in Serie geschaltet, so
daß bei Wechselstrom bzw. Drehstrom jede Wicklung nur in einem Sinne durchflossen
wird und bei der Gegenphase stromlos bleibt. Bei einem vielpoligen Stator werden
zweckmäßig mehrere Wicklungen miteinander und mit einer Diode in Serie geschaltet.
Während sich bei Antrieb mit Wechselstrom der Umlauf der magnetischen Erregung in
Abhängigkeit von der Frequenz ohne weiteres ergibt, können bei Betrieb mit Gleichstrom
die Wicklungen an einen Kollektor angeschlossen sein, wobei eine durch einen Hilfsmotor
angetriebene rotierende Kohlebürste jeweils die Polwicklungen einer Hälfte des Stators
mit der Stromzuführung verbindet.
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Zur Vermeidung von hohen Ausschaltspannungen, die durch die Induktivität
der Polwicklungen entstehen, werden zweckmäßig parallel zu den Wicklungen Dioden
geschaltet.
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Da im Gegensatz zu den bekannten Motoren, bei denen im Rotor Wirbel
ströme entstehen müssen, bei dem Motor nach der Erfindung die Entstehung von Wirbel
strömen im Rollkörper unerwünscht ist, und nur ein Magnetfeld entstehen soll, besteht
der Rollkörper zweckmäßig aus zur Achse senkrecht stehenden Ringen aus Sili
Stahlblech.
Ausführungsbeispiele von Motoren gemäß der Erfindung
werden im folgenden anhand der Figuren erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 schematisch den Stator und Rollkörper eines Motors
für dreiphasigen Drehstrom mit einem Pol pro Halbwelle.
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Fig. 2 die Schaltung der
Windungen bei einem Motor nach Fig. 1.
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Fig. 3 das Stromdiagramm eines Dreiphasen-Drehstromes.
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Fig. 4 einen Motor, dessen Stator mehr als einen Pol pro Halbwelle
aufweist.
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Fig. 5 die Schaltung der Wicklungen des Motors nach Fig. 4.
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Fig. 6 die Schaltung der Wicklungen eines Motors für Gleichstrom.
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Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen Stator.
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Fig. 8 einen Längsschnitt durch einen Rollkörper.
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Fig. 9 einen Längsschnitt durch einen Teil der Abtriebswelle.
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Fig. 10 einen Längsschnitt durch ein Abschlußstück.
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Fig. 11 einen Längsschnitt durch eine Antriebsscheibe.
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Fig. 12 einen Längsschnitt durch das zweite Abschlußstück.
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Fig. 13 im Längsschnitt die schematische Darstellung eines Motors
mit drei Statoren und drei Rollkörpern.
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Fig. 14 schematiscieinen Motor mit Gegengewichten zum Unwuchtausgleich.
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Fig. 15 eine vereinfachte perspektivische Darstellung des Rollkörpers
und seiner Verbindung mit der Abtriebswelle.
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Fig. 1 zeigt einen Motor, dessen Stator 1 sechs Pole aufweist, die
mit Wicklungen w versehen sind. Der Statorkörper, in welchem die Magnetkraft erzeugt
wird, besteht aus Sili;m Stahlblechen und an seiner Innenseite sind in an sich bekannter
Weise vorstehende Pole gebildet, die durch Nuten voneinander getrennt sind, welche
die Statorwicklungen aufnehmen. Der Motor nach Fig. 1 wird mit Dreiphasen-Drehstrom
betrieben, wobei die Wicklung jedes Poles von einer Halbwelle durchflossen wird.
Die Stromzuleitungen zu den Wicklungen w sind mit den Bezugsziffern 2 bis 13 bezeichnet
und in Fig. 2 ist die
Schaltunq der Stromwicklungen dargestellt.
Wie ersichtlich, sind die Zuleitungen mit ungeraden Bezugsziffern sämtlich miteinander
verbunden. während die sechs Zuleitungen mit geraden Nummern über sechs Dioden 67
mit den drei Phasenleitungen 14, 15 und 16 verbunden sind. In Fig. 3 ist das Stromdiagramm
eines Dreiphasen-Stromes dargestellt. Wenn an der Zuleitung 14 die positive Halbwelle
17 anliegt, so fließt der Strom über die Zuleitung 2 zur zugehörigen Wickluna und
über die Zuleitung 3 zum Sternpunkt und zurück über die Wicklung mit den Zuleitungen
12, 13 zur Zuleitung 15 und über die Wicklung 4, 5 zur Zuleitung 16. Dabei wird
der Pol mit der Wicklung 2, 3 als Nordpol und die Pole mit den Wicklungen 12, 13
und 4, 5, also die beiden benachbarten Pole, als Südpole magnetisiert. Der magnetische
Fluß fließt, wie durch Pfeile angedeutet, von dem Nordpol mit der Wicklung 2, 3
durch den in Fig. 1 unteren Teil des Rollkörpers 74 zu den Südpolen mit den Wicklungen
5,4 und 12, 13 und durch den Statorkörper wieder zurück. Dagegen sind die Wicklungen
der in Fig. 1 in der oberen Hälfte des Stators liegenden Pole stromlos, da die zugehörigen
Dioden sperren.
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Auf die Halbwelle 17 folgt die Halbwelle 18 in einem Abstand von 600,
die durch die Zuleitung 16 zugeführt wird. Infolge der umgekehrten Polung fließt
der Strom nunmehr durch die Wicklung 12, 13 und zurück durch die Wicklungen 10,
11 und 2, 3. Die den Rollkörper anziehende magnetische Kraft hat sich somit um ebenfalls
600 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht. Das Magnetfeld geht von dem Südpol mit der
Wicklung 12, 13 aus und schließt sich über die Nordpole mit den Wicklungen 2,3 und
10,11. Auf diese Weise läuft die magnetische Erregung innerhalb einer Dtehstromperiode
im Stator einmal um, wobei jeweils nur die eine Hälfte des Stators magnetisch erregt,
die gegenüberliegende Hälfte nicht erregt ist. Da der Magnetfluß stets von einem
Magnetpol ausgehend sich in zwei Teile teilt, die zu den benachbarten entgegengesetzten
Polen übetEas Statorjoch und den Rollkörper fließen, ergibt sich, daß sowohl die
Dicke des Statorjoches als auch die Dicke des Rollkörpers gleich der halben Dicke
eines Poles sein
sollen, um überall gleiche magnetische Flußdichte
zu erzielen.
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In Fig. 4 ist ein Motor dargestellt, dessen Stator achtzehn Pole aufweist.
Die Schaltung der Wicklungen dieses Motors ist in Fig. 5 dargestellt. Wie ersichtlich,
sind jeweils die Wicklungen dreier, einander benachbater Pole miteinander und mit
einer Diode 67 in Serie geschaltet, z.B. die Wicklungen mit den Zuleitungen 43,
42; 44, 45 und 47, 46.
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Die Zuleitungen der Dreistromphasen sind mit 60, 61, 62 bezeichnet.
Wie ohne weiteres aus Fig. 4 und 5 ersichtlich, werden bei diesem Motor jeweils
drei einander benachbarte Pole durch eine Halbwelle des Drehstromes magnetisch erregt,
und der Magnetfluß verteilt sich auf die jeweils benachbarten Pole. Dabei beträgt
die Dicke des Joches 23 des Stators und des Rollkörpers 74 rund 2/5 der Dicke des
Joches und des Rollkörpers eines sechspoligen Motors nach Fig. l.
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Bei dieser vielpoligen Ausführung eines Dreiphasenmotors kann der
Stator statt, wie dargestellt,l8 Pole auch 12 Pole oder 24 Pole oder noch mehr Pole
haben. Je mehr Pole der Stator aufweist, umso schmaler kann das Statorjoch sein
und umso kleiner der Abstand zwischen den Polen. Dabei muß jedoch beachtet werden,
daß der geringe Abstand zwischen den Polen nicht zu einem magnetischen Kurzschluß
führt.
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Unabhängig davon welche Art Stator benutzt wird, kann die Umlaufrichtung
der magneitschen Erregung dadurch umgekehrt werden, daß die Phasenfolge umgekehrt
wird, was dadurch erreicht wird, daß zwei Stromzuzleitungen miteinander vertauscht
werden.
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In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines mit Gleichstrom betriebenen
Motors nach der Erfindung dargestellt. Damit auch in diesem Fall die magnetische
Erregung auf eine Hälfte des Stators beschränkt wird und umläuft, ist eine besondere
Spulenanordnung erforderlich. Die einen Enden - in Fig. 6 die äußeren Enden - der
Wicklungen sind untereinander und mit der einen Stromzuleitung verbunden. Die anderen
Enden
sind an die Lamellen eines Kommutators 63 angeschlossen.
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Eine Bürste 65 verbindet jeweils die Hälfte bzw. etwas weniger als
die Hälfte der Lamellen des Kommutators 63 mit einem Schleifring 64, der an die
andere Zuleitung der Gleichstromquelle angeschlosen ist. Der Kommutator wirkt hierePF
somit nicht als Stromwender, sondern als Stromverteiler.
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Der Gleichstrom fließt von dem Schleifring 64 über die Bürste 65 zu
den Wicklungen, deren Lamellen von der Bürste eben überstrichen werden. Bei der
Lamellenstellung in Fig. 6 sind dies die Wicklungen 33 bis 46. Durch den Umlauf
der Bürste 65 wird fortschreitend jeweils eine Wicklung abgeschaltet und auf der
gegenüberliegenden Seite eine Wicklung zugeschaltet, so daß die magnetische Erregung
im Stator umläuft. Jedesmal wenn eine Wicklung ausgeschaltet wird, entsteht durch
Induktion eine hohe elektromotorische Kraft, durch die Dioden 67 sind bei jeder
Wicklung die beiden Enden miteinander verbunden, so daß sich die induzierte Spannung
ausgleichen kann,und auf diese Weise ein Abbrennen des Kommutators verhindert wird.
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Die Bürste 65 wird angetrieben über eine Welle 66,die durch einen
kleinen Servomotor angetrieben wird.
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Die meisten der Dreiphasen- und Mehrpol-Statoren sind auch für Gleichstrommaschinen
verwendbar. Ist ein Stator ausschließlich für Gleichstrombetrieb bestimmt, so ist
es nicht erforderlich, daß die Polzahl ein Vielfaches von sechs ist.
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Hier ist eine beliebige Polzahl anwendbar, zweckmäßig ist die Polzahl
ein Vielfaches von zwei. Da die Wicklungen auf den Polen des Stators parallel geschaltet
sind, nimmt jede Wicklung nur einen verhältnismäßig kleinen Teil des Gesamtstromes
auf, und die Funkenbildung beim Unterbrechen des Stromes an jeder einzelXnen Kollektorlamelle
ist geringer als bei den bekannten Haupt- und Nebenschlußmotoren, bei denen die
Wicklungen in Serie geschaltet sind.
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In Fig. 7 ist im Schnitt ein Stator,und in den Fig. 8 bis 12 ist im
Schnitt der Rollkörper und die Abtriebsvorrichtung eines Motors dargestellt.
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Dabei sind in Fig. 7 die Nuten zwischen den Statorpolen nicht gezeichnet.
Der innerhalb des Stators angeordnete Rollkörper 74 besteht aus Blechen aus Siliziumstahl
und besitzt keinerlei Rillen oder Nuten, er stellt lediglich einen magnetischen
Leiter dar. Um die Unwucht des RolSbrpers bei der Rollbewegung möglichst gering
zu halten, soll das Gewicht der Siliziumstahl-Lamellen des Rollkörpers und der übrigen
Teile möglichst gering sein. Die Joche des Rollkörpers und des Stators bilden den
magnetischen Rückschluß. Dabei kann die Wandstärke des Rollkörpers etwa halb so
groß sein als die Wandstärke der Pole, d.h. sie kann der Dicke des Statorjoches
entsprechen. Es ist deshalb zweckmäßig, einen vielpolgen Stator zu benutzen, um
die Dicke der Joche zu vermindern.
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Wie der in Fig. 8 dargestellte Schnitt durch einen Rollkörper zeigt,
sind die Siliziumstahl-Lamellen 74 auf einen Tragkörper aufgeschoben und liegen
an dessen Anschlag 73 an. Nach dem Aufbringen der Siliziumstahlringe werden sie
durch eine aufgeschraubte Befestigungskappe 75 festgehalten.
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An beiden Enden des Rollkörpers befindet sich ein Rollrad 76, Die
äußeren Durchmesser dieser Rollräder sind gleich. In den Stirnseiten sind die Stoßdämpferzapfen
77 angeoerdnet, die mit einem Kautschuküberzug versehen sein können. Diese Stoßdämpferzapfen
dienen zur Übertragung der Drehbewegung des Rollkörpers auf die Antriebswelle 98.
Auf dieser Welle 98 sind Antriebszähne 79 angebracht, die in die Nuten 86 der Antriebsscheiben
97 eingreifen. Diese Antriebsscheiben 97 sind mit Stoßdaämpferscheiben 84 versehen,
die in Vertiefungen der Scheiben 97 liegen und in denen die Stoßdämpferzapfen 77
mittels der Kugeln 78 geführt sind. Außer den Lamellen 74 besteht der Rollkörper
zweckmäßig aus einem möglichst leichten und dauerhaften und vorteilhaft nicht magnetisch
leitfähigen
Material, so daß die Entstehung von Wirbelströmen
vermieden wird.
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Zwischen den Abmessungen des Rollkörpers 74, der Rollräder 76, des
Stators 71 und der Rollringe 72 bestehen bestimmte Beziehungen. Zwischen Rollkörper
und Stator soll soviel Zwischenraum sein, daß sich diese nicht direkt berühren,
wodurch Beschädigungen vermeiden werden. Der Rollkörper bewegt sich also in einem
aufgehängten Zustand. Das Abrollen erfolgt also nicht unmittelbar zwischen dem lamellierten
Rollkörper 74 und dem Stator 71, sondern zwischen den Außenflächen 76a der Rollräder
76 und den Innenflächen 72a der Rollringe 72. Bezeichnet man den größtmöglichen
Rollkreis als Abrollbahn, so ergibt sich: Stator-Durchmesser - 2mal Spaltweite =
Abrollbahn-Durchmesser (1) Die Differenz zwischen dem Abrollbahndurchmesser und
dem Rollkörperdurchmesser sowie zwischen den Durchmessern des Rollringes und des
Rollrades sind gleich, so daß: Abrollbahn-Durchmesser - Rollkörper-Durchmesser =
Rollring-Durchmesser - Rollrad-Durchmesser (2) Wie in Fig. 8 dargestellt, ist der
Rotor 74 in axialer Richtung länger als der Stator 71, und die Rollräder 76 länger
als die Rollringe 72. Alle Flächen haben aber die gleiche Neigung zur Längs- bzw.
Symmetrieachse. Die Oberflächen 76a der Rollräder und 72a der Rollringe bestehen
zweckmäßig aus einem nachgiebigen und abriefbfesten Material. Zwischen den Rollringen
ist ein Zwischenraum, der als Schmiermittelkammer dienen kann, so daß Schmiermittel
ständig über die Ringflächen 72a fließt, um diese zu schmieren. Die in Fig. 9 dargestellte
Welle ist an beiden Enden in nichtdargestellten üblichen Wälz- oder Gleitlagern
im Gehäuse des Stators gelagert. Der
Rollkörper soll diese Welle
nicht berühren.
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An beiden Enden des Rollkörpers befinden sich die bereits erwähnten
Antriebsscheiben 97, die auf ihrer dem Rollkörper zugewandten Seite, bzw. bei der
Ausführungsform nach Fig. 13, die noch besprochen werden wird, an beiden Seiten
Aussparungen 84, 85 aufweisen, wobei an jeder Seite einer Antriebsscheibe drei Lager,
vorzugsweise Kugellager, vorgesehen sind.
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In Fig. 11 sind die Stoßdämpferscheiben 84 auf der einen Seite in
ausgezogenen Linien dargestellt, während in gestrichelten Linien die Stoßdämpferscheiben
auf der anderen Seite dargestellt sind. Wenn der Motor läuft, so führt jeder der
Stoßdämpferzapfen in seiner Stoßdämpferscheibe eine Kreisbewegung aus, wodurch Stöße
und Reibung in Rollbewegung umgewandelt werden, so daß die Stoßdämpferstifte in
den Stoßdämpferscheiben frei abrollen. Der Durchmesser der Stoßdämpferscheiben muß
auf die Stoßdämpferstifte 77 abgestimmt sein, und die Differenz zwischen derem Durchmessern
entspricht genau der maximalen Differenz zwischen den Durchmessern der Rollräder
und Rollringe. Im inneren der Stoßdämpferscheiben befindet sich eine flache Bodenausrundung
als Fassung für die Rollkugel 78. Nachdem die Rollkugel eingesetzt ist, wird die
Antriebsscheibe auf die Welle aufgeschoben, so daß die Antriebsnuten 86 und die
Antriebszähne 79 ineinandergreifen.
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Gleichzeitig werden die Stoßdämpferzapfen 77 in die Stoßdämpferscheiben
84 bzw. 85 eingeführt. Die Stoßdämpferscheiben auf der anderen Seite dienen als
Reserve. Ihre Enden und Berührungsstellen mit den Rollkugeln dienen als bewegliche
Verbindung zwischen Rollkörper und Antriebsscheibe. Anstelle direkter Reibung tritt
bei der Bewegung aber Rollreibung auf.
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Das in der Schmiermittelkammer befindliche Schmiermittel tritt auch
in die Stoßdämpferscheiben 84, 85 und in die Antriebsen 86 86 ein. An dem einen
Ende der Welle kann eine Feder 87 angeordnet sein, die durch ein Abschlußstück 88,
das auf der Schulter 80 der Welle aufsitzt, vorgespannt wird.
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Dadurch wird eine gewisse Nachgiebigkeit zwischen den Enden
der
Stoßdämpferzapfen und den Rollkugeln erreicht. Außerhalb des Abschlußstückes 88
befinden sich Lager für die Welle 98 und Endkappen, die nicht dargestellt sind,
da es auf deren Form und Anordnung nicht ankommt. Die meisten Teile1 die an den
beiden Enden der Welle benutzt werden1 sind gleich. Feder und Abschluß stück auf
der einen Seite werden jedoch, wie in Fig. 10 dargestellt, auf der anderen Seite
ersetzt durch eine Büchse 82 mit einer Ringnut 83 und ein Abschlußstück 81. Wird
der Motor mit senkrecht stehender Welle betrieben, so soll das Ende mit dem Abschlußstück
81 unten liegen, um zu verhindern, daß sich der Rollkörper unter Zusammendrückung
der Feder 87 durch sein Gewicht verschiebt. Um den Rollkörper gegen den Stator in
axialer Richtung verschieben zu können, kann eine nicht dargestellte Gabel vorgesehen
sein, die in die Ringnut 83 eingreift.
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Beim Betrieb des Motors bewegt sich der Rollkörper folgendermaßen:
Angenommen bei dem Motor nach Fig. 1 führt die Drehstromzuleitung 14 das positive
Maximum des Stromes, so wird in der Wicklung für mit den Zuleitungen 2, 3 die stärkste
magnetische Kraft erzeugt und dadurch der Rollkörper 74 in Richtung auf diesen Pol
angezogen. Nach 60° erreicht der Strom in der Zuleitung 16 das negative Maximum,und
die größte magnetische Anziehungskraft wird in der Wicklung mit den Zuleitungen
4, 5 erzeugt, so daß nunmehr der Rollkörper von diesem Pol angezogen wird. Nach
1200 hat der Strom in der Zuleitung 15 sein Maximum und ist positiv, und die größte
magnetische Anziehungskraft wird in der Wicklung mit den Zuleitungen 6, 7 erzeugt.
Der Rollkörper bewegt sich weiter auf diesen Pol zu. Jedesmal nach 600 hat sich
die magnetische Anziehungskraft von einem Pol zum nächstfolgenden verlagert, und
der Rollkörper folgt dem mit seiner Bewegung und rollt sich am Stator ab. Nach 3600
hat die magnetische Erregung einen vollständigen Kreislauf durchlaufen, die Oberfläche
des Rollkörpers hat sich aber um ein kleines Stückchen mehr abgerollt, als ihrem
Umfang entspricht. Der Umfang des
Rollkörpers ist etwas kleiner
als der Abrollkreis des Stators, so daß jedesmal nach Durchlaufen eines vollständigen
Umlaufes am Abrollkreis des Stators der Rollkörper seine Ausgangsstellung etwas
überschritten hat und auf diese Weise eine Drehwirkung entsteht. Mit dem Abrollen
und Verdrehen des Rollkörpers tritt eine Unwucht auf, weil der Schwerpunkt des Rollkörpers
nicht in seiner Lage festgelegt ist. Da aber im Abtriebsmechanismus zwischen dem
Rollkörper und der Spindel ein Zwischenraum vorhanden ist, und der Zwischenraum
zwischen den Stoßdämpferzapfen 77 und den Stoßdämpferscheiben größer ist als die
Amplitude der Unwucht, wird die Unwucht des Rollkörpers nicht auf die Welle übertragen.
Der Verdrehungseffekt des Rollkörpers wird aber über die Stoßdämpferzapfen auf die
Antriebsscheiben übertragen, so daß diese rotieren und die Rotation auf die Welle
übertragen, in der ein stabiles Drehmoment erzeugt wird.
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Die Unwucht des Rollkörpers wird bei seiner Bewegung dadurch verursacht,
daß sein Schwerpunkt nicht stabil ist.
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Dieser unstabile Zustand kann zusätzlich zu der Verminderung des Gewichtes
des Rollkörpers noch weiter dadurch verbessert werden, daß die Differenz der Durchmesser
von Stator und Rollkörper begrenzt wird, um dadurch die Exzentrizität zu vermindern.
Die Auswirkung der Unwucht kann aber auch dadurch beseitigt werden, daß der Motor
auf einem schwingungsdämpfenden Untergestell angeordnet wird. Wenn beide Mittel
gleichzeitig angewandt werden, so kann die Auswirkung der Unwucht auf ein Minimum
zurückgeführt werden. Diese schwingungsdälmpfenden Mittel sind anwendbar Bei einem
Motor von einigen PS bei einer Drehzahl von 300 U/min. bei Benutzung von Wechselstrom
oder von 800 U/min. bei Benutzung von Gleichstrom. Um die Unwucht vollständig zu
beseitigen, kann ein symmetrisch aufgebauter Motor benutzt werden, wie er in Fig.
13 schematisch dargestellt ist. Dieser Motor besitzt drei Statoren-91, 92, 93, die
in einem Gehäuse angeordnet
sind. Die beiden Statoren 91 und 93
sind gleich groß, und jeder von ihnen ist etwa halb so groß wie der Stator 92.
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In diesen drei Statoren sind die Rollkörper 94, 95 und 96 angeordnet,
wobei die Rollkörper 94 und 96 einander gleich und halb so schwer sind wie der Rollkörper
95. Die Rollräder und Rollringe und andere Einzelteile sind in Fiq. 13 nicht dargestellt.
Antriebsscheiben 97 sind wieder auf der Welle 98 angeordnet, wobei die beiden mittleren
zwischen zwei Rollt körpern liegen und beiderseits mit Stoßdämpferscheiben versehen
sind, wie in Fig. 11 dargestellt. Die in den Statoren 91 und 93 erzeugten magnetischen
Erregungen haben gleiche Winkellage, so daß die zugehörigen Rollkörper in die gleiche
Richtung gezogen werden. Die magnetische Erregung im Stator 92 dagegen ist gegen
die magnetische Erregung in den Statoren 91 und 93 um 180° versetzt, so daß der
zugehörige Rollkörper 95 in die entgegengesetzte Richtung gezogen wird. Beim Umlaufen
der magnetischen Erregung in den Statoren im gleichen Drehsinn,folgen die Rollkörper
diesem Umlauf und rollen in der gleichen Richtung. Die durch die einzelnen Rollkörper
erzeugte Unwucht hebt sich dabei gegenseitig auf, und es wird ein vollkommen stabiler
Lauf des Motors erreicht.
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Da bei dem Motor nach der Erfindung der Rollkörper innerhalb des Stators
in einem aufgehängten Zustand abrollt, hängt die Abtriebsdrehzahl weitgehend von
dem größten Abrollkreis ab. Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß der Umfang
des Abrollkreises größer ist als der Umfang des Rollkörpers. Wenn der Rollkörper
synchron mit dem Umlauf der magnetischen Erregung rollt, so rollt er nach einem
Umlauf der magnetischen Erregung über seine Ausgangsstellung hinaus, und es ergibt
sich eine Rückstellung. Der Betrag dieser Rückstellung ist bei jedem Umlauf gleich
der Differenz zwischen dem Umfang des Abrollkreises und dem Umfang des Rollkörpers.
Dieser Rückstellbetrag kann in die Drehung des Rollkörpers umgerechnet werden nach
der Formel:
Umfang der Abrollbahn - Umfang des Rollkörpers Umfang
der Abrollbahn = Drehung des Rollkörpers bei einem Umlauf der magnetischen Erregung
(3) Da die Länge des Umfanges gleich ist dem Durchmesser, multipliziert mit g ,
so kann der Bruch in Gleichung (3) auch geschrieben werden: Durchmesser der Abrollbahn
- Durchmesser des Rollkörpers Durchmesser der Abrollbahn (4) Die Zahl der Umläufe
der magnetischen Erregung pro Minute, d.h. die Drehgeschwindigkeit der magnetischen
Erregung, ist bei Wechselstrom synchron mit der Frequenz der Stromquelle.
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Beträgt die Frequenz 60 Hz, soeigibt sich eine Drehgeschwindigkeit
der magnetischen Erregung von 3600 U/min. Bei Gleichstrombetrieb hängt die Drehgeschwindigkeit
der magnetischen Erregung von der gewahlten Drehzahl der Kommutatorbürste ab. Die
höchste Drehzahl wird bei Gleichstrom etwa bei 10 000 U/min. erreicht.
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Die Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit der magnetischen Erregung
und der Abtriebsdrehzahl kann ausgedrückt werden durch die Formel:
| - Durchmesser der Durchmesser des |
| Abrollbahn - Rollkörpers X |
| Durchmesser der Abrollbahn |
Drehges chwin digkeit der magnetischen Erregung = Abtriebsdrehzahl (5) Je größer
die Differenz zwischen dem Durchmesser der Abrollbahn und dem Durchmesser des Rollkörpers,
umso höher wird die Abtriebsdrehzahl, aber der Wirkungsgrad und die Stabilität werden
dabei geringer. Daraus ergibt sich eine Begrenzung der Größenverhältnisse, und der
Durchmesser des Rollkörpers
soll nicht kleiner sein als 90% des
Durchmessers des Abrollkreises. Aufgrund der vorstehend wiedergegebenen Überlegunqen
ergibt sich dabei für einen Wechselstrommotor eine maximale Abtriebszahl von 360
U/min. und für einen Gleichstrommotor eine maximale Abtriebszahl von 1 000 U/min.
Bei der praktischen Anwendung wird mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad eine geringere
Drehzahl zu bevorzugen sein. Die Drehzahl kann niedriger eingestellt werden, denn
wenn beispielsweise die Differenz zwischen dem Durchmesser der Abrollbahn und dem
Durchmesser des Rollkörpers gleich Null ist, so wird auch die Abtriebsdrehzahl gleich
Null.
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Da die Abtriebsgeschwindigkeit des Motors abhängig ist wn der Differenz
zwischen dem Durchmesser der Abrollbahn und dem Durchmesser des Rollkörpers, kann
durch eine Änderung dieser Durchmesserdifferenz während des Laufes des Motors eine
stufenlose Änderung der Abtriebsgeschwindigkeit erzielt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 und 8 haben der Stator 71,
die Rollringe 72, der Rollkörper 74 und die Rollringe 76 die gleiche Neigung. Die
Abmessungen sind so gewählt, daß, wenn sich das dickere Ende des Rollkörpers 74,
also das in Fig. 8 rechte Ende, und das weitere Ende des Stators 71, also in Fig.
7 das rechte Ende des Stators, gleichliegend in einer Ebene befinden, der Spalt
zwischen Abrollbahn und Rollkörper sowie zwischen den Rollringen 72 und den Rollringen
76 gleich Null ist In dieser Lage wird der Rollkörper zentrisch zum Stator festgehalten,
ohne daß eine Abrollbewegung erfolgt, und die Abtriebsdrehzahl ist in diesem Fall
gleich Null. Befindet sich aber das schmalere Ende des Rollkörpers 74 und das engere
Ende des Stators 71 gleichliegend in einer Ebene, so ist die Durchmesserdifferenz
sowohl zwischen Abrollbahn und Rollkörper als auch zwischen Rollringen und Rollrädern
ein Maximum, und die Abtriebsdrehzahl
weit ihren höchsten Wert
auf. Während des Laufes des Motors kann durch eine nicht dargestellte Gabel, die
in die Ringnut 83 eingreift, der Rollkörper in axialer Richtung zwischen den vorstehend
definierten Endstellungen verschoben und damit die Abtriebsdrehzahl geändert werden.
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In den Fig. 7 und 8 ist somit ein Motor mit stufenlos veränderlicher
Abtriebsdrehzahl dargestellt. Die Abtriebsdrehzahl kann somit stufenlos zwiscHen
einem Höchstwert und einem Mindestwert verändert werden, d.h. es ist möglich, die
Abtriebsdrehzahl stufenlos zu verändern von Null bis 1000 U/min. Sind dagegen Stator,
Rollkörper, Rollringe und Rollräder zylindrisch, wie dies für den Rollkörper in
Fig.15 dargestellt ist, so hat ein solcher Motor nur eine bestimmte Abtriebsdrehzahl.
Die Kosten für die Herstellung eines Motors mit. stufenlos veränderbarer Abtriebsdrehzahl
sind nur wenig höher als die Kosten eine enitsprechenden Motors mit fester Abtriebsdrehzahl.
Ein Motor mit stufenlos veränderbarer Abtriebsdrehzahl kann aber als wohlfeile angesehen
werden insofern, als ein solcher Motor sowohlals Motor mit stufenlos veränderbarer
Abtriebsdrehzahl als auch als Motor mit einer bestimmten,niedrigen Abtriebsdrehzahl
benutzt werden kann.
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Die grundlegende Theorie des Motors nach der Erfindung beruht darauf,
daß beim Abrollen des Rollkörpers ein Rückstelleffekt auftritt. Dieser RückstelleKffekt
bewirkt eine Drehung, das Abrollen ergibt die Antriebskraft,und die Drehung ergibt
die Abtriebskraft. Für Antrieb und Abtrieb ergeben sich zwei verschiedene Ausdrücke,
die einander gleich sind, dies ausgedrückt werden durch die Formel: Effektive Anziehungskraft
des Magnetfeldes x Rollgeschwindigkeit = Drehmoment x Abtriebsdrehzahl (6) Unter
der Rollgeschwindigkeit in Gleichung (6) ist die Drehzahl des Rollkörpers verstanden,
unter der Voraussetzung, daß der Durchmesser des Abrollkreises größer ist als der
Durchmesser
des Rollkörpers. Jedesmal wenn die magnetische Erregung Erregung einen Umlauf ausführt,
rollt der Rollkörper über einen Umlauf des Abrollkreises. Daraus ergibt sich: Rollgeschwindigkeit
=
| # Abrollbahn-Durchmesser - |
| 1 + Rollkörper-Durchmesser |
| L Abrollkreis-Durchmesser |
X Drehgeschwindigkeit der magnetischen Erregung (7) Aus der Gleichung (6) ergibt
sich, daß der Motor bei Änderung seiner Bewegungsart nicht an Kraft verliert. Wird
ein Induktio 5-motor hoher Drehzahl mit elektromagnetischem Eisen als Kraftquelle
benutzt, so kann seine Abtriebskraft durch ein Untersetzungsgetriebe und eine Kupplung
herabgesetzt werden. Die Kupplung kann dabei als eine einzelne Einheit angesehen
werden, die technisch nicht mehr unterteilt werden kann.
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Bezüglich des Nutzeffektes des neuen Motors ist davon auszugehen,
daß der Abrolibahn-Durchmesser und der Rollkörper-Durchmesser die Grundlage für
die Bestimmung des Nutzeffektes geben. Je größer die Differenz umso größer werden
die magnetischen Verluste und die Anziehungskraft der magnetischen Erregung auf
den Motor vermindert sich. Infolgedessen sinkt auch der Nutzeffekt. Solange aber
der Durchmesser des Abrollkörpers nicht kleiner als 90X des Durchmessers des Abrollkreises
ist, ist der Nutzeffekt des Motors nach der Erfindung höher als der Nutzeffekt eines
Induktionsmotors.
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Der Aufbau des Motors nach der Erfindung ist völlig anders ls bei
den herkömmlichen Motoren. Verschiedene Schwierigkeiten, die bei den bekannten Motoren
auftreten und überwunden werden können, wie beispielsweise der Anlaßstrom, das Gegendrehmoment
und dergleichen, treten bei dem Motor nach der Erfindung überhaupt nicht auf. Die
charakteristischen Eigenschaften sind leicht zu überblicken.
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Ein einfacher Motor nach der Erfindung hat eine feste Abtriebsdrehzahl,
weil
die Drehzahl allein abhängt von der Umlaufgeschwindigkeit der magnetischen Erregung
und von der Differenz zwischen dem Abrollkreis-Durchmesser und dem Rollkörper-Durchmesser.
Die Drehzahl ist unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung, weil der Strom
konstant ist, was bedeutet, daß auch die effektive Anziehungskraft der magnetischen
Erregung auf den Rollkörper festgeleqt ist. Aus diesem Grund ändert sich Stromaufnahme,
Drehmoment und Drehzahl nicht, wenn der Motor unter Last angelassen wird. Dagegen
ändert sich Funktion und Nutzeffekt des Motors, wenn die Abtriebsdrehzahl geändert
wird im Falle der stufenlosen Drehzahlregelung.
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Da das Drehmoment des Motors festliegt, wird er bei Überlastung stehenbleiben,
da er das erforderliche Drehmoment nicht aufbrinqt. Beim laufenden Motor wird der
Rollkörper angehalten, wenn eine der drei Zuleitungen des Drehstromes unterbrochen
wird. Unter diesen Umständen haben die verschiedenen Pole des Stators verschieden
große Luftspalte gegenüber dem Rollkörper. Die Wicklungen der Pole, die durch den
Rollkörper magnetisch geschlossen sind, führen einen geringen Strom wegen des höheren
Wechselstromwiderstandes.
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Die Wicklungen der Pole, die einen größeren Luftspalt haben, nehmen
auch einen höheren Strom auf wegen des geringegren Wechselstromwiderstandes. Die
erhöhte Stromstärke ist abhängig von der Form des Stators und den Zwischenräumen
der Polflächen. Die höchste Stromaufnahme kann etwa das 1,5-fache der normalen Stromaufnahme
erreichen. Bei der symmetrischen Anordnung nach Fig. 13 ist ein solcher Stromanstieg
verhindert, wenn die um 1800 gegeneinander versetzten Wicklungen in Serie geschaltet
sind. Es ist daher ein weiterer Vorteil des Motors nach der Erfindung, daß keine
Gefahr besteht, daß bei Überlastung die Wicklungen verbrennen.
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Da der Motor auch für Gleichstrom geeignet ist und eine stufenlose
Regelung der Abtriebsgeschwindigkeit von Null bis zur Höchstdrehzahl zuläßt, ist
er geeignet als Antriebsmotor
für elektrisch betriebene Straßenfahrzeuge.
In diesem Fall hat der Waaen nicht nur einen hohen Nutzeffekt, sondern es erübrigt
sich auch der Einbau von Kupplung, Übersetzunq, Getriebe und dergleichen. Dies macht
die mechanische Konstruktion sehr einfach. Da der Motor direkt mit geringer Abtriebsdrehzahl
laufen kann, und eine stufenlose Regelung der Abtriebsgeschwindigkeit möglich ist,
entfallen alle zusätzlichen Vorrichtunqen zum Übersetzen der Drehzahl. Der Aufbau
des Motors ist einfach und leicht und klein! so daß die Herstellungskosten etwa
30% der Kosten eines üblichen Motors mit den erforderlichen Zusatzeinrichtungen
betragen.