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Einphasensynchronmotor mit einem zweipoligen, dauer-
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magnetisch erregten Rotor (Hybridmotor I) Die Erfindung bezieht sich
auf einen Einphasensynchronmotor mit einem zweipoligen, dauermagnetisch erregten
Rotor mit für Nennbetrieb ausgelegten Spulen und einem die Spulen tragenden Statoreisen,
das zusammen mit den Spulen zwischen den Statorpolen ein zweipoliges Statorfeld
ausbildet.
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Aus der Zeitschrift ETZ, Band 30, 1978, Heft 2, Seiten 53 bis 60,
ist ein zweipoliger Einphasensynchronmotor mit einem dauermagnetischen Rotor bekannt.
Der Rotor besteht aus einem in einem Stück gesinterten anisotropen Dauermagneten
mit diametraler Magnetisierung und mit einer durch eine Bohrung in dem zylinderförmigen
Dauermagneten geführten Rotorwelle. Aus fertigungstechnischen Gründen ist es schwierig,
hochwertige Dauermagnete in dieser zylindrischen Form mit einer axial hindurchgeführten
Bohrung zu versehen, \sobald die Rotorlänge bzw. das Verhältnis von Rotorlänge zu
Rotordurchmesser bestimmte Werte überschreitet. Die Leistung dieser Motoren, die
im allgemeinen für Kurzzeitbetrieb dimensioniert sind, liegt deshalb bisher nicht
über 25 W.
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Es ist aus dem Aufsatz von Karl Ruschmeyer, Motoren und Generatoren
mit Dauermagneten, abgedruckt im Band 123 der Schriftreihe Kontakt und Studium,
herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz, erschienen im
Expert-Verlag,
1983, Seiten 36 und 37, für Gleichstrommotoren bekannt, auf einen weichmagnetischen
Eisenkern hartmagnetische Dauermagneten aufzubringen. Die Dauermagneten reihen sich
längs der Umfangsfläche des Eisenkernes auf Abstand aneinander. Diese Dauermagnete
bilden Pole wechselnder Polarität aus. Der weichmagnetische Eisenkern ist dabei
radial symmetrisch ausgelegt. Die Dauermagnete bestehen aus Selten-Erden-Magneten,
die aufwendig sind. Bei Verwendung von kleinen Magnetblöcken ergibt sich dabei ein
wirtschaftlicher Vorteil gegenüber Vollrotoren aus Selten-Erden-Magnetmaterial.
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Ein weiterer Nachteil von Einphasensynchronmotoren mit dauermagnetischem
Läufer, wie sie in ETZ beschrieben sind, besteht darin, daß bei diesen Motoren relativ
große Schwankungen der momentanen Winkelgeschwindigkeit mit einer Frequenz von 100
Hz auftreten, deren Amplitude mehr als + 30% der synchronen Winkelgeschwindigkeit
betragen kann. Diese Schwankungen sind zurückzuführen auf das bei reinem Einphasenbetrieb
nicht zu vermeidende Wechselmoment sowie auf das magnetische Klebemoment. Es ist
aus der DE-AS 14 88 267 bekannt, durch einen in einem getrennten Eisenkreis rotierenden
Zusatzmagneten das Wechselmoment zu kompensieren und so zu einem besseren Gleichlauf
zu kommen. Diese Methode ist jedoch aufwendig und vergrößert das Bauvolumen des
Motors.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Einphasensynchronmotor der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, bei dem der Gleichlauf des Motors auf wirtschaftliche
Weise verbessert ist.
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Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst,
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der Rotor pulsierende Drehmomente bildende Bauteile aufweist, die aus hart- und
weichmagnetischen Materialien bestehen, wobei sich die pulsierenden Drehmomente
zusammensetzen aus Mittelwert und Wechselanteilen, - die Wechselanteile bei Nennbetrieb
in Gegenphase sind und sich subtrahieren.
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Dieser Aufbau des Synchronmotors bringt den Vorteil, daß der Motor
durch die Maßnahmen zur Verbesserung des Gleichlaufes in axialer Richtung nicht
vergrößert wird. Darüber hinaus läßt er sich wirtschaftlicher herstellen. Auch sind
Motoren oberhalb von 25 W Nennleistung wirtschaftlich zu realisieren.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die die pulsierenden Drehmomente bildenden Bauteile aus einem weichmagnetischen
Mittelteil und beiderseits daran angebrachten hartmagnetischen Magnetsegmenten bestehen.
Diese Schichtbauweise läßt sich einfach realisieren. Außerdem wird der Rotor insgesamt
aufgrund des verringerten Anteiles an hartmagnetischem Material wirtschaftlicher.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
der weichmagnetische Mittelteil vorzugsweise rechteckförmig ist und die Magnetsegmente
einen periodisch von der Rotorstellung abhängigen Wechsel fluß durch die Statorspulen
ausbilden derart, daß der Magnetfluß maximal ist, wenn die Induktivität minimal
ist. Hierdurch wird erreicht, daß die Wechselmomente sich voneinander abziehen,
der Gleichlauf verbessert und der Lauf des Motors insgesamt ruhiger und vibrationsärmer
wird.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
das Induktivitätsminimum gegenüber dem Magnetflußmaximum um einen Winkel (900 verschoben
ist.
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Hierdurch läßt sich erreichen, daß der Motor für die angestrebte Nennlast
hinsichtlich des Gleichlaufes optimalisiert ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Induktivitätsschwankungen der Spulen bei Drehung des Läufers möglichst groß
sind. Je besser der Motor an diese Bedingung angepaßt ist, desto besser ist der
Gleichlauf.
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Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Synchronmotor mit einem aus magnetisch
weichen und harten Material geschichteten Rotor1 Fig. 2 bis 4 einen Synchronmotor
mit geschichtetem Rotor nach Fig. 1 und verschiedenen Mantelflächenvariationen.
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Fig. 1 zeigt einen Einphasensynchronmotor mit einem Statoreisen 3
und einem Rotor 5. Das Statoreisen 3 ist U-förmig ausgebildet, und auf die Schenkel
7 des Statoreisens sind Erregerspulen 9 aufgeschoben. Zwischen den freien Scnenkelenden
11 der Eisenschenkel 7 sind Statorpole 13 ausgebildet. Die Polbogen dieser Statorpole
13 setzen sich jeweils aus einem Polbogenteil 15 und einem Polbogenteil 17 zusammen,
wobei der Radius der Polbogenteile 15 größer als der Radius der Polbogenteile 17.
Der zwischen den Polen 13 umlauffähig angeordnete Rotor 5 setzt sich aus einer Materialschichtung
zusammen. Das
Mittelteil 19 des Rotors, durch das die Rotorwelle
21 geführt ist, besteht aus weichmagnetischem Material, wie Eisen. Beiderseits des
Mittelteiles 19 sind durch Ankleben Magnetsegmente 23 angeordnet, die aus hartmagnetischem
Material bestehen. Das hartmagnetische Material kann beispielsweise ein anisotropes
Magnetmaterial, wie Barium-Ferrit oder Seltenen Erden, sein. Die Trennebenen 25
zwischen dem Eisenmittelteil 19 und den Magnetsegmenten 23 verlaufen parallel und
beiderseits zur Achsrichtung des Rotors 5. Der weichmagnetische Mittelteil 19 ist
damit rechteckförmig.
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Beim Umlaufen des Rotors 5 bilden die Magnetsegmente 23 periodisch
von der Rotorstellung abhängigen Wechselfluß durch die Statorspulen aus. Die Induktivität
der Statorspulen, das ist das Verhältnis von dem durch einen Spulenstrom erzeugten
Fluß und dem Spulenstrom selbst, ist ebenfalls periodisch von der Rotorstellung
e abhängig.
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L(e) = 9 1(t) Sind diese Wechselflüsse dabei derart gestaltet, daß
der Magnetfluß maximal ist, wenn die Induktivität der Spulen 9 minimal ist, so ziehen
sich im Leerlauf die Wechselmomente, hervorgerufen durch den Dauermagneten, und
die durch die Induktivitätsänderung erzeugten Wechselmomente voneinander ab. Im
Betriebsfall ist es demgegenüber günstiger, wenn das Induktivitätsminimum gegenüber
dem Magnetflußmaximum um einen Winkel <900 verschoben ist.
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Von Vorteil ist es dabei allgemein, wenn die Induktivitätsschwankungen
der Spulen bei Drehung des Läufers
möglichst groß sind. Die Subtraktion
der Wechselanteile der Momente kommt dadurch zustande, daß das Magnetband i(t)pm
sin e und das Reluktanzmoment 2 i(t) 2 ffiL@ passend in der Phase verschoben
sind.
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Die Fig. 2 bis 4 zeigen abweichende Rotorformen, bei denen das erstrebte
Ziel ebenfalls erreicht wird. Der Rotor 205 nach Fig. 2 weist wieder ein weichmagnetisches
Mittelteil 219 mit beiderseits dieses Mittelteiles angeordneten Magnetsegmenten
223 auf. Die Trennebenen 225 zwischen den weichmagnetischen und hartmagnetischen
Teilen verlaufen beiderseits parallel zur Rotorwelle 21. Die Magnetisierung der
Magnetsegmente verläuft senkrecht zu den Trennebenen 225. Der Rotor ist senkrecht
zu den Trennebenen unter Ausbildung von ebenen Rotorseitenflächen 227 abgeflacht,
die senkrecht zu den Trennebenen 225 verlaufen. Weitere Abflachungen 229 der Rotormantelfläche
verlaufen senkrecht zu den Flächen 227 bzw. parallel zu den Trennebenen 225.
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Die Ausführungsform nach Fig. 3 entspricht im wesentlichen derjenigen
nach Fig. 2. Das weichmagnetische Mittelteil 319 ist mittels Trennebenen 325 von
den beiderseits des Mittelteiles 319 vorgesehenen Magnetsegmenten 323 getrennt.
Der Rotor ist von der Mantelfläche her senkrecht zu den Trennebenen 325 abgeflacht
unter Ausbildung von parallelen Seitenflächen 327.
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Wieder eine andere Ausführungsform der Rotormantelfläche ergibt sich
aus Fig. 4. Wieder sind mittels Trennebenen 425 getrennt beiderseits eines weichmagnetischen
Mittelteiles 419 Magnetsegmente 4g23 vorgesehen. Senkrecht zu den
Trennebenen
425 ist die Mantelfläche unter Ausbildung von Mantelflächen 427 abgeflacht. Die
Magnetsegmente 425 weisen eine Art Dachform 429 auf, wobei die Firste 431 der dachförmig
geformten Mantelflächen 429 in eine Rotormittelebene 433 fallen.
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Die Magnetisierung ist bei allen Rotorausführungsformen immer senkrecht
zu den Trennebenen gleichsinnig gewählt.
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Diese Gleichsinnigkeit ergibt sich aus den Magnetisierungspfeilen
35.
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Die Abflachungen an den Rotoren nach den Fig. 2 bis 4 sind vorzugsweise
durch Anschleifen erzielt.