DE3820711A1 - Schwingankermotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingankermotor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Ein Schwingankermotor der genannten Art mit einem um einen Dreh­ punkt schwingbaren Permanentmagnetanker und einem an eine Wech­ selspannungsquelle anschließbaren, zweipoligen Stator ist aus der DE-OS 21 10 097 bekannt. Der Permanentmagnetanker ist wie das Polrad einer Synchronmaschine ausgebildet und weist einen kreis­ förmig abgedrehten bzw. ausgeformten Polschuh auf, der von den kreisförmig ausgedrehten Polschuhen an den Enden der Schenkel des U-förmigen Elektromagneten des Stators hin- und herschwingt. Die Statorschenkel sind mit Wicklungen versehen, die an eine Wechsel­ spannungsquelle anschließbar sind, so daß sich im Betrieb eine Schwingfrequenz des Permanentmagnetankers einstellt, die der Wechselspannungsfrequenz entspricht.

Ein wesentlicher Nachteil des bekannten Schwingankermotors be­ steht darin, daß wegen der baulichen Ausführungen mit nur einem Ankerpolschuh keine geschlossenen magnetischen Kreise entstehen, so daß nur relativ kleine mechanische Kräfte erzielt werden und der Schwingankermotor zur Vermeidung einer unzulässigen Erwärmung nur mit reduzierter Spannung betrieben werden kann.

Aus der DE-OS 18 17 664 ist ein elektrischer Schwingankermotor bekannt, der einen dreipoligen elektromagnetischen Stator sowie einen zweipoligen Permanentmagnetanker aufweist. Bei diesem be­ kannten Schwingankermotor ist nur der mittlere Schenkel des drei­ poligen Stators mit einer an eine Wechselspannungsquelle an­ schließbaren Wicklung versehen. Durch diese Anordnung ist zwar ein geschlossener magnetischer Kreis sichergestellt, so daß eine Wärmesteigerung ohne Spannungsreduzierung vermieden wird, jedoch steht außer in Ruhelage des Permanentmagnetankers jeweils ein Schenkel des elektromagnetischen Stators frei. Da in jeder Halb­ welle des speisenden Wechselstroms beide Außenschenkel des drei­ poligen Stators magnetisiert werden, das heißt auch der Außen­ schenkel, dessen magnetischer Kreis nicht geschlossen ist, wird ein Teil der aufgewendeten Feldstärke zum Magnetisieren von Luft verwendet. Damit wird der Wirkungsgrad des bekannten Schwingan­ kermotors mit einem zweipoligen Permanentmagnetanker und einem dreipoligen Stator erheblich herabgesetzt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der dreischenklige Stator wesentlich größer ist als ein zweischenkliger Stator, so daß der bekannte Schwing­ ankermotor eine erhebliche Baugröße aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schwinganker­ motor der eingangs genannten Art zu schaffen, der mit hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad arbeitet, der sich im Betrieb nicht wesentlich erhitzt, kleine Abmessungen aufweist und bei dem nur geringe Massen bewegt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Per­ manentmagnetanker dreipolig ausgebildet ist.

Die erfindungsgemäße Lösung mit einem zweipoligen Stator und einem dreipoligen Permanentmagnetanker zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, da der magnetische Kreis des als Elektro­ magneten ausgebildeten Stators unabhängig von der Ankerstellung immer über den Anker geschlossen ist, so daß die zur Verfügung stehende Magnetfläche optimal genutzt wird. Aufgrund der zweipo­ ligen Ausbildung des elektromagnetischen Stators werden geringe äußere Abmessungen erzielt, so daß gegenüber den bekannten Schwingankermotoren bei gleichen Abmessungen wesentliche, größere Kraftreserven bzw. bei gleicher Kraft wesentliche, geringere Ab­ messungen erzielt werden. Das erfindungsgemäße System arbeitet zudem mit geringeren bewegten Massen, was zwangsläufig zu gerin­ gerer Geräuschentwicklung und zu einer weiteren Steigerung des Wirkungsgrades führt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist eine symmetrische Anordnung der Polschuhe des Permanentmag­ netanker auf, wobei vorzugsweise der mittlere Polschuh breiter, insbesondere doppelt so breit, wie die seitlichen Polschuhe ist. Dadurch wird ein in jeder Stellung des Permanentmagnetankers mag­ netischer Kreis bei angenähert gleicher Induktion in den seit­ lichen Polschuhen und dem mittleren Polschuh bewirkt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsge­ mäßen Lösung sind die seitlichen Polschuhe über einen Steg mit­ einander verbunden, und zwischen dem Steg und dem mittleren Pol­ schuh ist ein Dauermagnet angeordnet.

In einer alternativen Lösung hierzu ist der mittlere Polschuh T-förmig ausgebildet, und zu beiden Seiten des senkrechten Steges des mittleren Polschuhs sind Dauermagnete angeordnet, wobei sich die seitlichen Polschuhe aus einem an die Dauermagneten angren­ zenden Teile einen über einen Luftspalt an den waagerechten Teil des mittleren Polschuhs angrenzenden Teil zusammensetzen. Je nach gewünschter magnetischer Feldstärke können daher wahlweise ein oder zwei Dauermagnete im dreipoligen Permanentmagnetanker vorge­ sehen werden.

Der Permanentmagnetanker kann wahlweise um einen Drehpunkt schwingbar gelagert oder translatorisch bewegbar gelagert sein.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 einen schematischen Längsschnitt durch einen Schwingankermotor mit zweipoligem Stator und dreipoligem Per­ manentmagnetanker in verschiedenen Ankerstellungen;

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch einen Schwingan­ kermotor mit zweipoligem Stator und dreipoligem, translatorisch bewegtem Permanentmagnetanker und einem Dauermagneten und

Fig. 5 eine Variante eines Schwingankermotors mit dreipoligem, translatorisch bewegtem Permanentmagnetanker und zweipoligem Stator und zwei Dauermagneten.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Schwingankermotor mit einem an einen Drehpunkt 20 angelenkten Permanentmagnet­ anker 2 mit drei Polschuhen 21, 22, 23 und einem zweipoligen, elektromagnetischen Stator 1, der aus einem U-förmigen Elektro­ magneten besteht, dessen Schenkel 15, 16 mit Spulen 13, 14 ver­ sehen sind, die über Anschlüsse 17, 18 an eine Wechselspannungs­ quelle anschließbar sind.

An den dem Permanentmagnetanker 2 gegenüberliegenden Enden der Schenkel 15, 16 sind Polschuhe 11, 12 ausgebildet, die analog zu den Polschuhen des Permanentmagnetankers 2 kreisförmig abgedreht sind, so daß sich ein konstanter, schmaler Luftspalt 4 zwischen den Polschuhen 21, 22, 23 des Permanentmagnetankers 2 und den Polschuhen 11, 12 des elektromagnetischen Stators 1 ergibt. Beid­ seitig des Ankerarms 26 des Permanentmagnetankers 2 sind Federn 31, 32 angeordnet, die in ortsfesten Federlagern 33, 34 befestigt sind und den Permanentmagnetanker 2 bei nicht erregtem elektro­ magnetischen Stator 1 in der Mittellage gemäß Fig. 2 halten.

Die Polschuhe 21, 22, 23 des Permanentmagnetankers 2 sind symme­ trisch zur Mittellängsachse angeordnet, wobei der mittlere Pol­ schuh 21 eine Polschuhfläche aufweist, die größer oder gleich der doppelten Fläche der seitlichen Polschuhe 22, 23 ist. Zwischen dem mittleren Polschuh 21 und der Verbindung der seitlichen Pol­ schuhe 22, 23 ist ein Permanentmagnet 24 ausgebildet, dessen Mag­ netisierungsrichtung durch die in Fig. 1 in den Permanentmagnet­ anker 24 eingetragenen Pfeile angedeutet ist.

Bei erregtem elektromagnetischem Stator 1 schwingt der Perma­ nentmagnetanker 2 aus seiner Mittellage bzw. Ruhestellung gemäß Fig. 2 in eine in Fig. 1 dargestellte Endstellung, wobei der sich hierdurch ergebende magnetische Kreis durch die in Fig. 1 eingetragenen Pfeile gekennzeichnet ist. Der magnetische Kreis verläuft im Uhrzeigersinn durch die Schenkel 15, 16 des elektro­ magnetischen Stators 1, über den mittleren Polschuh 21, den Per­ manentmagneten 24 und den einen seitlichen Polschuh 23 zurück zum Schenkel 16 des elektromagnetischen Stators 1.

In der anderen Endstellung gemäß Fig. 3 verläuft der magnetische Kreis entgegen dem Uhrzeigersinn durch die Schenkel 15, 16 des elektromagnetischen Stators, über den mittleren Polschuh 21 und den Permanentmagneten 24 sowie über den anderen seitlichen Pol­ schuh 22 zurück in den Schenkel 15 des elektromagnetischen Sta­ tors 1.

In beiden Endstellungen ist also der magnetische Kreis über den Permanentmagnetanker 2 und damit unabhängig von der Ankerstellung geschlossen. Dadurch werden alle aus dem Permanentmagneten 24 senkrecht austretenden Kraftlinien durch die Polschuhe 21, 22, 23 erfaßt und so gelenkt, daß sie in die Polschuhe 11, 12 des elek­ tromagnetischen Stators eintreten. Ohne die Polschuhe würden nur die magnetischen Kraftlinien eintreten, die aus dem Teil des Per­ manentmagneten 24 austreten, der sich gerade über den Polschuhen des Elektromagneten befindet. Auf diese Weise wird eine optimale Nutzung der Induktion im Luftspalt sichergestellt, da die Magnet­ fläche wegen der Polschuhe 21, 22, 23 größer sein kann als die Luftspaltfläche.

Dadurch, daß kein magnetisierter Schenkel des elektromagnetischen Stators bei einer beliebigen Stellung des dreipoligen Permanent­ magneten freisteht, werden unerwünschte Erwärmungen vermieden und bei gleichen Abmessungen gegenüber beispielsweise einem 100 Hz-Schwingankermotor ca. dreifach größere Kraftreserven sowie ein doppelter Wirkungsgrad erzielt.

Gegenüber einem dreipoligen elektromagnetischen Stator und einem zweipoligen Permanentmagneten werden wesentliche kleinere Ab­ messungen und kleinere bewegte Massen sowie ein um fünzig Prozent größerer Wirkungsgrad des Schwingankermotors erzielt.

In den Fig. 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele eines translato­ risch bwegten, dreipoligen Permanentmagnetankers dargestellt, wo­ bei die Führung des Ankers zur Verdeutlichung der Funktionsweise weggelassen wurde.

Fig. 4 zeigt einen dreipoligen, translatorisch bewegten Perma­ nentmagnetanker 2 mit drei Polschuhen 21, 22, 23 und einem zwi­ schen dem mittleren Polschuh 21 und dem Verbindungsjoch 25 zwi­ schen den seitlichen Polschuhen 22, 23 angeordneten Dauermagnet 24. Die seitlichen Polschuhe 22, 23 und das Verbindungsjoch 25 sind U-förmig ausgebildet, während die Fläche des mittleren Pol­ schuhs 21 größer oder gleich der doppelten Fläche der seitlichen Polschuhe 22, 23 ist.

Der Stator 1 besteht aus einem U-förmigen Elektromagneten mit einer Wicklung 10, die an eine speisende Wechselspannungsquelle angeschlossen wird. Analog zur Ausgestaltung des elektromagneti­ schen Stators 1 gemäß den Fig. 1 bis 3 können selbstverständ­ lich auch 2 Wicklungen auf die Schenkel des U-förmigen Elektro­ magneten des Stators 1 aufgebracht werden.

Fig. 4 zeigt den Schwingankermotor in der neutralen Ruhestel­ lung, während bei erregtem Stator 1 Endstellungen des Permanent­ magnetankers 2 gemäß den Fig. 1 und 3 vorliegen, wobei der magnetische Kreis jeweils über einen seitlichen Polschuh 22 bzw. 23 des dreipoligen Permanentmagnetankers 2 und dem mittleren Polschuh 21 sowie dem U-förmigen Elektromagneten des Stators 1 geschlossen ist. Der magnetische Kreis verläuft je nach Durch­ flußrichtung der Erregerspannung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn durch den U-förmigen Permanentmagneten und in der einen oder anderen Richtung durch einen der seitlichen Polschuhe 22, 23, während er stets in der durch die in Fig. 4 eingetragene Pfeilrichtung der magnetischen Kraftlinien des Dauermagneten 24 durch den mittleren Polschuh 21 verläuft.

Fig. 5 zeigt eine Variante der Anordnung gemäß Fig. 4 mit einem dreipoligen Permanentmagnetanker 2, der jedoch im Gegensatz zum Permanentmagnetanker 2 gemäß Fig. 4 zwei Dauermagnete 27, 28 aufweist, zwischen denen der senkrechte Steg 212 des mittleren Polschuhs 21 angeordnet ist. Die magnetischen Kraftlinien der Dauermagneten 27, 28 sind einander entgegengerichtet, so daß sich je nach Stellung des Permanentmagnetankers 2 der magnetische Kreis im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn über den U-förmigen elektromagnetischen Stator 1 schließt.

Die seitlichen Polschuhe 22, 23 sind abgewinkelt und bilden zwi­ schen sich und dem waagerechten Teil 211 des mittleren Polschuhs 21 einen Luftspalt 5 aus und setzen sich aus einer Grundfläche 222 bzw. 232, die an die Permanentmagnete 27, 28 angrenzen, sowie einer Polschuhfläche 221 bzw. 231 zusammen.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestell­ ten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen. So können die in den Fig. 4 und 5 dargestell­ ten Ausführungsbeispiele auch für einen um einen Drehpunkt analog zu dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel schwingenden Anker angewendet werden, wobei kreisförmig abgedreh­ te Polschuhe vorzusehen sind.

Claims (9)

1. Schwingankermotor mit einem Permanentmagneten und einem an eine Wechselspannungsquelle anschließbaren zweipoligen Stator, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnete (2) dreipolig ausgebildet ist.

2. Schwingankermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (21, 22, 23) des Permanentmagneten (2) symmetrisch zum mittleren Polschuh (21) angeordnet sind.

3. Schwingankermotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Polschuh (21) breiter ist als die seitlichen Polschuhe (22, 23).

4. Schwingankermotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des mittleren Polschuhs (21) größer oder gleich der doppelten Breite der seitlichen Polschuhe (22, 23) ist.

5. Schwingankermotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Polschuhe (22, 23) gleichnamig polarisiert sind und daß der mittlere Polschuh (21) entgegengesetzt zu den seitlichen Polschuhen (22, 23) polarisiert ist.

6. Schwingankermotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Polschuhe (22, 23) über einen Steg (25) miteinander verbunden sind und daß zwi­ schen dem Steg (25) und dem mittleren Polschuh (21) ein Dau­ ermagnet (24) angeordnet ist.

7. Schwingankermotor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Polschuh (21) T-förmig ausgebildet ist, daß zu beiden Seiten des senkrech­ ten Steges (212) des mittleren Polschuhs (21) Dauermagnete (27, 28) angeordnet sind und daß sich die seitlichen Pol­ schuhe (22, 23) aus einem an die Dauermagnete (27, 28) an­ grenzenden Teil (222, 232) und einen über einen Luftspalt (5) an den waagerechten Teil (211) des mittleren Polschuhs (21) angrenzenden Teil (221, 231) zusammensetzen.

8. Schwingankermotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnetanker (2) um einen Drehpunkt (20) schwingbar gelagert ist und daß die dem Luftspalt zwischen den Anker- und Statorpolschuhen zuge­ wandten Oberflächen der Polschuhe (21, 22, 23) des Permanent­ magnetankers (2) und der Polschuhe des Stators (1) kreisför­ mig ausgebildet sind, derart, daß zwischen den Polschuhen (21, 22, 23) des Permanentmagnetankers (2) und den Polschuhen (11, 12) des Stators (1) ein konstanter, schmaler Luftspalt (4) ausgebildet ist.

9. Schwingankermotor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnetanker (2) translatorisch schwingend angeordnet ist.