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B e s c h r e i b u n g
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Die Erfindung betrifft einen selbstanlaufenden Synchronmotor mit einer
mehrphasigen Stator-Wicklung und mit einem permanentmagnetischen Segment-Rotor.
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Synchronmotore dieser Art werden auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik
und in vielen anderen Anwendungen als Stellantriebe verwendet. Sie müssen hierzu
selbst-anlaufend sein, ein für den Einzelfall ausreichendes Antriebsmoment liefern
und im stromlosen Zustand vielfach ein gutes Haltemoment bringen.
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Synchronmotore dieser Art für kleine Leistungen sind in vielfältiger
Ausführungsform bekannt. So ist der DE-PS 10 76 804 eine Synchronmotor-Konstruktion
zu entnehmen, welche eine Ringspule aufweist und bei der die Statorpol zähne topfartig
angeordnet sind und aus Vollmaterial bestehen.
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Für etwas größere Leistungen werden Konstruktionen etwa nach Art des
in der DE-AS 28 42 195 beschriebenen Synchronmotors verwendet, bei der der geblechte
Stator ringförmig ausgebildet und mit Statorpolzähnen versehen ist, die radial zur
Rotorwelle ausgerichtet und jeweils mit Wicklungen besetzt sind, die unter Berücksichtigung
der Anzahl der Statorpolzähne sowie einer 1- oder 3-phasigen Versorgungsspannung
zueinander unterschiedlich geschaltet sind.
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Die Konzeption des Synchronmotors nach der DE-AS 28 42 195 basiert
auf dem Ziel, den seinerzeit bekannten
Synchronmotoren ein stärkeres
Haltemoment im stromlosen Zustand zu geben. Erreicht wurde dieses Ziel durch eine
spezielle Ausbildung eines Teils der Statorbleche im Bereich der Statorpolzähne
und durch eine bestimmte Anordnung von herkömmlichen und speziell ausgebildeten
Statorblechen. Das maximal erreichbare Haltemoment soll bei diesem Konzept bis zur
Höhe des Synchronmomentes zu steigern sein.
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Es gibt eine ganze Reihe von Anwendungsfällen, in denen das nach dem
Stand der Technik erreichbare Haltemoment noch nicht zufriedenstellt. Der Erfindung
lag deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Synchronmotor der eingangs genannten Art
so weiterzubilden, daß sein Haltemoment die bisher möglichen Werte bei geringem
Kostenaufwand deutlich übersteigt.
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Die erfindungsgemäße Lösung geht von einem selbstanlaufenden Synchronmotor
mit einer mehrphasigen Stator-Wicklung und mit einem permanentmagnetischen Segment-Rotor
aus und besteht erfindungsgemäß darin, daß bei gerader Anzahl der Rotorpole entweder
zwei aufeinanderfolgende und die beiden diametral gegenüberliegenden Rotorpole zu
je einem großen Polsegment einer Polarität mit einer ununterbrochenen Umfangslänge
entsprechend etwa dem Doppelten der Länge jedes an das große Polsegment an-grenzenden
Rotorpoles entgegengesetzter Polarität zusammengefaßt sind oder daß jeweils zwei
der durch einen Spalt getrennten, nebeneinanderliegenden Rotorpole gleichnamig gepolt
sind, auf beiden Seiten jedes Paares von Rotorpolen einer Polarität jeweils ein
Paar von Rotorpolen der anderen Polarität angeordnet ist, die maximale Breite jedes
Spaltes kleiner als der Mittenabstand benachbarter Statorpole in Umfangsrichtung
ist und alle Rotorpole geometrisch übereinstimmen.
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Allein hierdurch steigt das Haltemoment schon deutlich über das Synchronmoment
an.
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Das maximale Haltemoment im stromlosen Zustand, das ohne weiteres
bei 150 % des Synchronmomentes liegen kann, erhält man dadurch, daß die Zahl der
Rotorpole gleich der Zahl der Statorpolzähne gemacht wird.
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Wird der Synchronmotor zum Betrieb an einem l-phasigen Wechselstromnetz
ausgebildet, so wird besonders bevorzugt, daß die Stator-Wicklung 4-polig auf acht
Statorpol zähne verteilt ist und ebenfalls acht Rotorpole vorgesehen sind.
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Bemerkenswert ist, daß das Ziel der Erfindung mit sehr einfachen Mitteln
und vor allem ohne die hohen Werkzeug-und Montagekosten eines Synchronmotors erreicht
wird, der sein Haltemoment durch unterschiedlich ausgebildete Statorbleche verbessert.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Synchronmotore beschrieben,
bei denen nebeneinanderliegende gleichnamige Rotorpole mit darauffolgenden entgegengesetzt
polarisierten Polen vorgesehen sind. Im Falle der DE-PS 3 156 829 sind Segmente
gleichnamiger Rotorpole vorgesehen, wobei zwei gleichnamige Pole durch einen Spalt
voneinander getrennt sind, dessen in Umfangsrichtung gemessene Breite größer ist
als die Breite eines Statorpolzahnes. Dagegen sind die Spalte zwischen aufeinanderfolgenden
ungleichnamigen Polen nur so breit wie der in Umfangsrichtung gemessene Abstand
zweier Statorpolzähne.
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Außerdem sind aufeinanderfolgende Spalte in radialer Richtung ungleich
tief ausgeführt. Im Falle der DE-PS
1 076 804 ist eine teilweise
vergleichbare Spaltkonfiguration vorgesehen; die Spalte zwischen aufeinanderfolgenden
gleichnamigen Rotorpolen haben eine von der Breite eines Statorpolzahns entsprechende
Breite. Schließlich ist in der DE-PS 684 453 ein Synchronmotor beschrieben, bei
dem zwei benachbarte Läuferpole durch so breite Spalte voneinander getrennt sind,
daß diese Spalte mindestens zwei Ständerpolen qegenüberliegen. Alle diese bekannten
Vorschläge betreffen keine selbstanlaufenden Synchronmotore, vor allem aber haben
diese bekannten Konstruktionen keinen erkennbaren Einfluß auf das Haltemoment, auf
das es bei dem zitierten Stand der Technik auch nicht ankommt.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele
und unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Darin zeigen in schematischer
Darstellung: Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Synchronmotor zum Betrieb an einem
l-phasigen Wechselstromnetz; Fig. 2 die elektrische Beschaltung des Synchronmotors
nach Fig. 1; Fig. 3 einen Querschnitt durch einen bekannten Synchronmotor für den
Betrieb an einem 3-phasigen Wechselstromnetz; Fig. 4 einen der Fig. 3 entsprechenden
Synchronmotor mit fortgelassener Stator-Wicklung und mit einem das Haltemoment steigernden
Rotor; Fig. 5 und Fig. 6 jeweils einen Schnitt durch zwei aus einem einzigen Materialabschnitt
hergestellte Rotorsegmente;
Fig. 7 einen Querschnitt durch einen
Synchronmotor zum Betrieb an einem einphasigen Wechselstromnetz mit 8-poligem Stator
und 6-poligem Rotor mit zwei großen Rotorpolsegmenten ungleicher Polarität; Fig.
8 einen der Fig. 7 entsprechenden Querschnitt durch einen Synchronmotor, dessen
Rotor zwei große Pol segmente gleicher Polarität aufweist; Fig. 9 einen Querschnitt
durch einen Synchronmotor zum Betrieb an einem 3-phasigen Wechsel stromnetz mit
sechs Statorzähnen und sechs Rotorpolen, von denen zwei als grosse Polsegnente gleicher
Polarität ausgeführt sind und Fig. 10 bis Fig. 13 schematische Stirnansichten auf
vier verschiedene Rotor-Ausführungsformen.
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Größenangaben im Text und den Ansprüchen beziehen sich - soweit sich
im Einzelfall nichts anderes ergibt -immer auf die Umfangsrichtung von Stator und
Rotor bei Betrachtung des Synchronmotors im Querschnitt.
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Ein Synchronmotor gemäß den Fig. 1, 3 und 4 weist einen geblechten
Stator 10 von kreisförmigem Querschnitt auf, der einen zentral angeordneten Rotor
30 umgibt. Vom Stator 10 gehen Statorpolzähne 20 aus, die axial auf die Rotationsachse
des Rotors 30 verlaufen und deren freie Enden die statorseitige Begrenzung des Luftspaltes
zum Rotor 30 definieren.
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Die Feldwicklung des Stators ist im Falle der Fig. 1 für den Betrieb
des Synchronmotors an einem l-phasigen Wechselstromnetz ausgelegt. Sie besteht aus
zwei Wicklungen 11, 12 aus jeweils vier hintereinander geschalteten Wicklungsteilen
11.1, 11.2, 11.3, 11.4 bzw. 12.1, 12.2, 12.3, 12.4. Jeder Wicklungsteil befindet
sich auf
einem der insgesamt acht Statorpolzähne, und auf je ein
Wicklungsteil der Wicklung 11 folgt auf dem benachbarten Statorpolzahn ein Wicklungsteil
der Wicklung 12.
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Die Beschaltung des Synchronmotors gemäß Fig. 1 ist schematisch in
Fig. 2 gezeigt. Dort ist auch der übliche Phasenschieberkondensator CB dargestellt
und ein zwischen zwei Stellungen I und II umschaltbarer Schalter 15, an dessen Eingang
eine Phase des Wechselstromnetzes liegt. Sie kann mit dem Schalter 15 entweder unmittelbar
an den Anschlußpunkt X der Wicklung 11 sowie über den Kondensator CB an den Anschlußpunkt
Y der Wicklung 12 gelegt werden oder umgekehrt direkt an den Anschlußpunkt Y sowie
über den Kondensator an den Anschlußpunkt X. Die beiden anderen Anschlußpunkte U
bzw.
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V der Wicklungen 11, 12 sind zusammen an den Mittelpunktsleiter Mp
gelegt. Alle Wicklungsteile der Wicklungen 11, 12 haben auf den Statorpolzähnen
denselben Wickelsinn. Der insoweit beschriebene Stator 10 des Motors gemäß Fig.
1 ist somit 4-polig bewickelt bzw. geschaltet.
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Der Rotor 30 des Synchronmotors gemäß Fig. 1 weist den üblichen, nicht
besonders hervorgehobenen und auf einer Welle drehbar gelagerten Kern auf, der an
seinem Umfang mit axial zur Drehachse verlaufenden Rotorpole N, S in herkömmlicher
Weise besetzt ist. Von Wichtigkeit ist jedoch, daß ausweislich Fig. 1 und Fig. 4
jeweils zwei nebeneinanderliegende Rotorpole gleichnamig gepolt bzw.
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magnetisiert sind und daß auf jedes Paar von Rotorpolen einer Polarität,
z. B. N, N ein Paar Rotorpole mit entgegengesetzter Polrichtung, z. B. S, S folgt.
Insgesamt sind acht derartiger Rotorpole vorhanden (Fig. 1 und
Fig.
4), von denen jeweils vier Rotorpole einen Nordpol und vier Rotorpole einen Südpol
darstellen und von denen jeder Rotorpol einem Statorpolzahn gegenüberliegt.
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Ein gemäß Fig. 1 ausgebildeter Synchronmotor weist ein Haltemoment
auf, welches das 1,5-fache des Dreh- bzw.
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Synchronmomentes beträgt.
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Der Synchronmotor gemäß Fig. 3 ist sowohl im Bereich seines Stators
als auch im Bereich seines Rotors von bekannter Konstruktion und zum Betrieb an
einem 3-phasigen Wechselstromnetz auslegt. In diesem Fall sind drei Wicklungen mit
jeweils zwei Wicklungsteilen vorgesehen, die in üblicher Weise, d. h. sternförmig
oder im Dreieck zusammengeschaltet sind. Der Rotor weist vier Rotorpole auf, während
der Stator insgesamt sechs Statorpolzähne hat. Auf jeden Rotorpol einer Polarität
folgt ein Rotorpol mit der entgegengesetzten Polarität.
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Das Haltemoment eines derartigen Synchronmotors ist sehr gering und
liegt weit unter dem Synchronmoment.
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Setzt man in einen Synchronmotor gemäß Fig. 3 einen Rotor 30 ein,
der wiederum abwechselnd zwei Rotorpole einer Polarität und zwei Rotorpole der entgegengesetzten
Polarität aufweist, dann steigt das Haltemoment steil an. Diese Konfiguration ist
in Fig. 4 angedeutet, in der die Wicklungen aus Gründen der Vereinfachung nicht
gezeichnet sind. Die Teilwicklungen sind jedoch identisch wie im Falle der Fig.
3 angeordnet und geschaltet.
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In den Fig. 5 und 6 sind schließlich in vergrößertem Maßstab Querschnitte
durch Rotorpolpaareschematisch dargestellt. Hierbei sind jeweils zwei gleichnamige
Rotorpole
N, N aus einem Materialabschnitt 40 dadurch hergestellt, daß in diesen Materialabschnitt
von der in der Zeichnung oben liegenden Oberfläche aus ein Einschnitt 42 bzw. 52
eingebracht ist, der einen U- oder einen V-förmigen Querschnitt haben kann. Der
Einschnitt 42, 52 stellt die wichtige räumliche Trennung zwischen den beiden gleichnamigen
Polen dar, wie er auch bei nicht einstückig ausgebildeten Rotorpolpaaren zur Optimierung
des Haltemomentes bevorzugt wird. Es sei angemerkt, daß ein Einschnitt wie die Einschnitte
42, 52 im Falle der Fig. 5 oder 6 bzw. wie die nicht mehr bezeichneten Einschnitte
im Falle der Fig. 1 und 4 aber nicht nur der Optimierung des Haltemomentes dient,
sondern den zusätzlichen Vorteil hewirkt, daß der Rotor 30 beim Abschalten der Betriebsspannung
definierter zum Stillstand kommt, als es beispielsweise bei tonnenförmigen Rotoren
möglich ist.
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Der Rotor aller Ausführungsbeispiele besteht aus einem die Rotorwelle
umgebenden vieleckigen Weicheisenkern.
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Er hat bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 7 bis 13 einen sechseckigen
Querschnitt. In den Fig. 7 bis 10 ist ein Weicheisenkern für den Rotor gezeigt,
der auf sich gegenüberliegenden Positionen an den Stellen, an denen die großen Polsegmente
aufgebracht werden sollen, eine größere Kanten länge hat als in den übrigen Bereichen.
Bei der Fertigung wird diese Konfiguration beispielsweise durch Abfräsen eines symmetrischen
Sechskantprofils erreicht. In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 7 bis 10 ist
das Verhältnis der Abstände sich gegenüberliegender Flächen etwa 12 : 10, wobei
der Wert 12 der Querschnittsgröße des nicht bearbeiteten Profils zugeordnet ist.
In radialer Richtung sind die an die
großen Pol segmente angrenzenden
Spalte etwas tiefer als die verbleibenden Spalte zwischen den normal großen Rotorpolen.
Sinngemäß dasselbe gilt für die Spaltbreite am Rotorumfang. Sie ist bei den Spalten
beiderseits der großen Polsegmente etwas größer als die Spaltbreite zwischen den
normal großen Rotorpolen.
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Die in den Fig. 7 bis 10 gezeigten Rotore sind mechanisch gleich ausgebildet
und unterscheiden sich nur durch die Polarität ihrer Rotorpole. In Fig. 9 ist eine
Besonderheit dieses Rotors ersichtlich. Wie gut erkennbar ist, sind die vier normal
großen Rotorpole (s, s; s, s) unsymmetrisch zu den Statorpol-Mittelachsen ausgebildet,
und zwar derart, daß benachbarte normal große Rotorpole aufeinanderzuweisend in
Umfangsrichtung verlängert sind. Die Abweichungen zwischen den Rotoren der Fig.
7 und 8 und demjenigen der Fig. 9 sind lediglich zeichnerisch bedingt; die im Zusammenhang
mit Fig. 9 beschriebene und dort auch gut erkennbare Unsymmetrie ist allen Rotoren
gleichermaßen eigen.
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Der Rotor gemäß Fig. 11 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig.
10 nur dadurch, daß sein Weicheisenkern ein symmetrisches Sechskantprofil ohne Abfräsungen
ist und daß demgemäß die Höhe der beiden permanentmagnetischen großen Rotorsegmente
etwas kleiner ist als im Falle der Fig. 10. Im übrigen sind die Abmessungen gleich.
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Das Ausführungsbeispiel des Rotors gemäß Fig. 12 verwendet ebenfalls
einen symmetrischen Weicheisenkern. Jedoch sind die großen Pol segmente breiter
ausgeführt als in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen und haben
demgemäß
auch eine größere Polfläche. Entgegen den Ausführungen der zuvor erwähnten Figuren
ist bei dem Rotor gemäß Fig. 12 die radiale Spalttiefe beiderseits und angrenzend
an die großen Polsegmente kleiner als die radiale Spalttiefe der Spalte zwischen
den normal großen Rotorpolen.
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Das schließlich in Fig. 13 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Rotors
entspricht weitgehend demjenigen gemäß Fig. 11. In diesem Fall ist das Maß der Vergrößerung
der großen Polsegmente a, a gegenüber den normal großen Rotorpolen b, c vergleichsweise
gering. Die Polbreiten am Außenumfang des Rotors verhalten sich wie etwa 7 : 6.
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Die mit den Ausführungsformen gemäß den Fig. 7 und 8 erreichten Haltemomente
haben gute Werte und übersteigen den einschlägigen Stand der Technik bereits deutlich.
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Das Haltemoment eines Motors gemäß Fig. 9 liegt noch höher. Besonders
hoch wird das Haltemoment bei Verwendung eines Rotors in der Ausbildung gemäß Fig.
12. Beachtlich hierbei ist, daß trotz hoher Haltemomente und recht "harter" Einrastung
des Rotors beim Abschalten der Betriebsspannung ein unerwartet vibrationsarmer Lauf,
d. h. eine gute Laufruhe erreicht ist, die man beispielsweise bei Verwendung eines
Rotors gemäß Fig.
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12 und einer Polarität seiner Rotorpole gemäß Fig. 7 als normal und
bei einer Polarität der Rotorpole analog Fig. 8 als ganz hervorragend bezeichnen
kann.
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Es sei schließlich mit Bezug auf sämtliche Ausführungsbeispiele darauf
aufmerksam gemacht, daß die axiale Länge von Rotor und Stator auf die erfindungsgemäße
Lösung keinen Einfluß hat und entsprechend dem jeweils benötigten Leistungsbedarf
des Synchronmotors festgelegt wird.
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