DE637749C - Selbstanlaufender Synchronmotor, insbesondere zum Antrieb von elektrischen Uhren - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 3. NOVEMBER 1936

REICHSPÄTENTAMT

PATENTSCHRIFT

Vr .667

KLASSE 2td² GRUPPE

Zusatz zum Patent 603

Patentiert im Deutschen Reiche vom 15. März 1932 ab Das Hauptpatent hat angefangen am 5. April 1931.

ist in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft einen selbstanlaufenden Synchronmotor, der insbesondere zum Antrieb von elektrischen Uhren, Zeitschaltern u. dgl. geeignet ist. In dem Hauptpatent war bereits ein solcher Motor beschrieben, der außer dem Synchronläufer auch einen Asynchronläufer besitzt, wie an sich bekannt, und bei dem diese beiden Läufer magnetisch in Reihe geschaltet sind. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einer verbesserten Bauart eines solchen Motors. Es gelingt erfindungsgemäß diesen Motor ganz besonders gedrungen herzustellen, ein Ziel, welches besonders für Motoren, die außer dem Synchronläufer noch einen Asynchronläufer enthalten, schwierig ist. Die gedrungene Bauart ist gerade für die eingangs angegebenen Anwendungszwecke des Motors besonders wichtig, weil in elektrischen Uhren, Zeitschaltern und ähnlichen Apparaten meist nur ein sehr kleiner Raum für den Einbau des Motors zur Verfügung steht. Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den beigefügten Zeichnungen zeigt

Fig. ι den Motor in seinen einzelnen Teilen perspektivisch auseinandergezogen,

Fig. 2 die Spule mit dem Kern,

Fig. 3 eine Vorderansicht des zusammengesetzten Motors,

Fig. 4 eine Rückansicht des zusammengesetzten Motors,

Fig. 5 eine Rückansicht des Ständers ohne Läufer und "

Fig. 6 einen Längsschnitt durch den zusammengesetzten Motor.

Die Erregerspule 10 mit den Zuleitungen 11 sitzt auf einem magnetischen Kern 12, dessen beide Enden aus der Spule herausragen. Über die Enden des Kernes 12 sind zwei auf den bei.den Enden der Spule 10 aufliegende Isolierscheiben 13 und 14 aus Papier, Fiber o. dgl. gestülpt. Vorder- und Rückseite des Kernes sind mit abgesetzten Fortsätzen I2„ bzw. I2₆ versehen, auf denen die Teile angeordnet sind, die die einzelnen Glieder der verschiedenen Pole des Ständers bilden. Auf

dem rückwärtigen Fortsatz i2₆ des Kernes ist, wie aus Fig. ι ersichtlich, ein aus Stahl-

wobei der flache Querteil dieses PolgliecM im Gesamtaufbau fest gegen die Schulter an dem inneren Ende des Kernfortsatzes'I2₆ angedrückt wird. Die äußersten Enden dieses gestanzten Polgliedes sind seitwärts herumgestanzt und bilden die Polansätze ι Sp- Diese sind so gebogen, daß' sie über die Spule xo passen und nach außen eine zylindrische Fläche bilden. Die Polarität des Kraftlinienflusses im Polansatz is_p ist stets die gleiche wie im Ende I2₆ des Kernes und liegt in Phase mit derselben..

Auf der Außenseite des Polgliedes 15 ist über den Kernfortsatz i2₆ eine mit einer mittleren Öffnung versehene, vorzugsweise aus Kupfer hergestellte Platte 16 aufgesetzt, welche den Kraftlinienfluß in dem äußeren Polglied 17 verzögert.

Das äußere Polglied 17 ist im wesentlichen genau so ausgebildet wie das innere Polglied 15, ist also vorzugsweise gleichfalls ein aus Stahlblech gestanzter Teil mit mittlerer öffnung xy_b und sich nach vorn erstreckenden, gebogenen Polansätzen I7_p. Wie in Fig. 5 dargestellt, werden die beiden Polglieder 15 und 17 um einen Winkelbetrag gegeneinander versetzt so angeordnet, daß ihre Ansätze 1 $_n und 17p nahe beieinanderliegen, derart, daß nebeneinanderliegende Polansätze wie zwei Teile eines einzelnen Poles wirken, dessen einer Teil gegenüber dem anderen Teil abgeschirmt oder verzögert ist.

Der flache Querteil, des Polgliedes 17 ist mit darin eingenieteten Buchsen oder Augen 18 mit Innengewinde versehen (Fig. 6). Diese Buchsen des Ständers nehmen Befestigungsschrauben auf, durch die der Motor an einem Rahmen oder Träger befestigt werden kann. Φ5 Die kupferne Verzögerungsplatte 16 ist mit diametral einander gegenüberliegenden Aussparungen i6_a versehen, um Raum für die sich nach innen erstreckenden Enden der vorzugsweise aus Messing hergestellten Buchsen zu schaffen. Wie in Fig. 6 dargestellt, werden die Polglieder 15 und 17 zusammen mit der dazwischenliegenden Verzögerungsplatte 16 aus Kupfer fest auf dem abgesetzten Teil I2_ß des Kernes befestigt, beispielsweise durch einen vom Ende des Kernansatzes ausgehenden, nach außen über die äußere Seite des Polgliedes 17 hinweggreifenden Wulst 21. Zur Aufnahme der Läuferspindel ist in diesem Ende des Kernes eine Lagerbuchse 22 angeordnet. Die Buchse ist mit einer etwas weiteren Gegenbohrung zur Aufnahme eines Kugeldrucklagers 23 versehen, gegen welches sich das Ende der Läuferspindel abstützt. Das

blech gestanzter U-fÖrmige'r Teil 15 ange;,^,·, .äußere Ende der Gegenbohrung ist durch eine ordnet. Der flache Querteil dieses Ρίφ pl bhl d Bh d

gliedes 15 besitzt eine Mittelöffnung 15j,

gliedes 15 besitzt eine Mittelöffnung 15j, dti|^§ platte 24 sind durch einen von einem abge welche die Verlängerung I2₆ hindurchrä|||t|^Sptzten Fortsatz des Kernes ausgehenden, wobei der flache Querteil dieses PolgliedgsS&^TÜber die äußere Fläche der Platte 24 hinweg

platte 24 abgeschlossen, und Buchse 22 und ^JEsKi++«» 24 sind durch einen von einem abge-

Silber die äußere Fläche der Platte 24 hinweggreifenden Wulst 25 befestigt. Um Nebenschluß irgendwelcher Kraftlinien durch die Läuferspindel zu verhindern, ist die Buchse 22 aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise aus Bronze, hergestellt. Die Endplatte 24 kann ebenfalls aus nichtmagnetischem Material hergestellt sein, oder es kann eine Papier- oder Filterscheibe zwischen Endplatte und Kugel 23 eingeschoben werden.

Auf der Vorderseite der Spule ist auf dem Kernfortsatz I2_a ein Polglied 28 gelagert. Dieses Polglied 28 enthält sowohl die Pole des magnetischen Wechselfeldes als auch die Hälfte der Pole des magnetischen Drehfeldes. Es besteht aus einer Mittelscheibe 29 aus Stahlblech, die mit einem Kranz von im wesentlichen rechtwinkligen Zähnen 30 ausgerüstet ist. Auf dieser Mittelscheibe ist ein äußerer Ring 32 befestigt, der einen Kranz von nach innen gerichteten, im wesentlichen rechtwinkligen Zähnen 31 besitzt, welche in die Zahnlücken der Scheibe 29 hineinragen. Die beiden Zahnkränze 30 und 3.1 werden dadurch magnetisch voneinander getrennt, daß der ganze Zwischenraum zwischen beiden Zahnringen mit einem nichtmagnetischen Metall oder einer Legierung ausgefüllt ist, wie bei 33 angedeutet, oder auch indem man in Abständen Kupfer- oder Messingnieten anordnet, die in gegenüberliegende Vertiefungen beider Kränze eingreifen.

Vom äußeren Umfang des Ringes 32 erstrecken sich nach rückwärts auf im wesentlichen diametral gegenüberliegenden Seiten zwei Polansätze 28p, die bogenförmig gekrümmt sind, so daß sie über die Spule 10 passen. Diese Polansätze 28_p haben den gleichen äußeren Durchmesser wie die Polansätze 15p und 17p und passen mit Abstand in die bogenförmigen Zwischenräume zwischen den beiden Polpaaren I5_p und i7_p (Fig. 4 und 5;. Die Polansätze haben annähernd die doppelte Bogenlänge wie die Polansätze I5_P oder 17 _ß und vervollständigen die Polgruppe des Drehfeldes. In einem gegebenen Augenblick haben die Polansätze 2'8_p die Polarität des Kernfortsatzes I2_a, und die Polansätze ΐζ_ρ und 17 _p haben die gleiche Polarität wie der Kernfortsatz I2j, wobei der Kraftlinienfluß in den Polansätzen I7_P in bezug auf den Kraftlinienfluß in den Polahsätzen i5_P verzögert ist.

Für das magnetische Wechselfeld bedingt der nichtmagnetische Spalt 33 zwischen den beiden Polzahnkränzen 30 und 31 einen Streu-

fluß von jedem Polzahn eines Kranzes zu dem benachbarten Polzahn des anderen Kranzes, und es wird auf diese Weise zwischen diesen Polzähnen ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, wobei ein Zahnkranz während eines Wechsels die eine Polarität und während des anderen Wechsels die andere Polarität besitzt.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, ist der Polteil 28 fest auf dem vorderen Kernfortsatz I2_a befestigt, indem, von dieser Kernverlängerung ausgehend nach auswärts über die Außenseite der Platte 29 greifend, ein Wulst 37 aufgebracht oder umgebördelt wird. Die Platte 29 und der Ring 32 sind aus magnetischem Material, beispielsweise Stahl, hergestellt. Eine Lagerbuchse 38, vorzugsweise aus Bronze, für die Läuferspindel ist im vorderen Ende des Kernes 12 vorgesehen. Die Lagerbuchse wird vorzugsweise dadurch festgehalten, daß ein Wulst 39 vom Ende des Kernes ausgehend über die äußere Fläche der Buchse gelegt wird.

Der Läufer enthält einen Asynchronteil 41 und ein Synchronteil 42. Der Asynchronläufer besitzt einen schalenförmigen nichtmagnetischen Teil 4I₀ und eine äußere magnetische Hülse 4I₆. Der nichtmagnetische Teil 41,,, welcher vorzugsweise aus Aluminium besteht, ist mit seinem oberen flachen Teil 41,. fest an einem Bund 44 befestigt, der seinerseits auf der Läuferspindel 45 festgemacht ist. Der magnetische Teil 41^ besteht vorzugsweise aus einer Hülse oder Schale aus weichem Stahl oder Eisen, die fest über den Ringflanschteil der Aluminium- oder Kupferschale 4i_a herüberpaßt. Der ringförmige Flansch des Asynchronläufers 41 umfaßt die Pole 15,,, 17p und 28p mit geringem Abstand, wobei der aus Stahl oder Eisen bestehende Teil 4i_b des Läufers als Rückführung für den von diesen Polen ausgehenden und durch diesen Aluminium- oder Kupferflansch des Läufers hindurchgehenden magnetischen Kraftlinienfluß dient.

Der aus einem permanent magnetisierten Stabmagneten bestehende Synchronläufer 42 ist an einer Messingbuchse 47 befestigt, deren äußere Fläche, wie bei 48 dargestellt, als Zahnrad ausgebildet ist. Diese Buchse ist drehbar auf der Läuferspindel 45 gelagert, so daß sich der Magnet 42 relativ zum Induktionsteil 41 drehen kann. Jedes Ende des Magneten 42 ist mit Schlitzen versehen, wodurch mehrere Polzähne 42_a gebildet werden, und zwar vorzugsweise drei derartige Zähne von jedem Ende ausgehend. Diese Zähne erstrecken sich durch kurvenförmige Schlitze 51 und 52 des asynchronen Läufers hindurch, die diametral einander gegenüber in dem flachen Teil 41 _c angebracht sind. Zwischen dem Induktionsteil 41' und dem Stabmagneten 42 ist eine Relativdrehbewegung so lange möglich, bis die' Seitenkänten des Stabmagheten die äußersten Enden der kurvenförmigen Schlitze Si und 52 berühren. Diese Totgangsverbindung zwischen den beiden Teilen des Läufers erleichtert die Wirksamkeit des permanent magnetisierten Teiles 42 zum Einfallen in mit dem Wechselkraftfeld synchronen Lauf bei Erreichen der synchronen Geschwindigkeit und unterstützt den Läufer 42 dabei, seine synchrone Geschwindigkeit entgegen der Wirkung von Drehmomentsänderungen aufrechtzuerhalten. Die Seitenkanten des Magneten 42 können die Enden der Schlitze 51 und 52 unmittelbar berühren, ohne in irgendeiner Weise die beabsichtigte normale Wirkungsweise des Motors zu stören. Es können jedoch, um das leichte, knackende Geräusch zu vermeiden, das durch diese durch Drehmomentsänderung hervorgerufene Berührung entsteht, Dämpfer oder Puffer 54 an den äußersten Enden einer oder beider Schlitze angebracht sein. In der dargestellten vorzugsweisen Ausführungsform bestehen diese Dämpfer aus Lederunterlegscheiben, die durch Nieten 55 aus Aluminium oder einem anderen nichtmagnetischen Material mit dem flachen Teil 4I₀ verbunden sind. Die Laderunterlegscheiben sind so angeordnet, daß ihre Kanten über die Enden der Schlitze 51 hinweggreifen, so daß die Seitenteile des Synchronläufers 42 mit ihnen in Berührung kommen.

Der Durchmesser des permanenten Magneten 42 ist vorzugsweise so gewählt, daß die an jedem Ende vorgesehenen drei Polzähne 42^ auf einem Kreis umlaufen, dessen Umfang im wesentlichen in der Mitte zwischen den inneren und äußeren Enden der beiden Polzahnkränze 30, 31 des Ständers liegt (Fig. 6). Jeder Läufer 42_a hat im Bogenmaß gemessen annähernd die gleiche Breite wie die Ständerpole 30, 31, die ihrerseits untereinander gleiche Breite haben. Der Abstand zwischen den Läuferpolen 42^ entspricht im wesentlichen der Breite des Zahnabstandes in den Ständer Zahnkränzen. Der Magnet 42 wird vor seinem Einbau in >den Motor permanent ma- no gnetisiert, so daß das eine Ende desselben die eine Polarität und das andere Ende die entgegengesetzte Polarität aufweist. Es ist zweckmäßig, für den Magneten 42 einen Werkstoff hoher Remanenz und hoher Koerzitivkraft zu wählen. In der bevorzugten Ausführungsform ist dieser Magnet aus Kobaltstahl hergestellt, es kann jedoch für diesen Zweck auch Wolfram- oder Chrommagnetstahl verwendet werden. Der Läuferteil 42 wird abnehmbar auf der Läuferspindel 45 angeordnet, indem eine entfernbare Unterleg-

scheibe oder- ein Splint 57 in eine ringförmige Vertiefung der Spindel eingeschoben wird, jedoch so, daß eine Bewegung des Läuferteiles auf der Läuferspindel möglich bleibt.
Die Wirkungsweise des Motors ist die folgende: Während eines Wechsels werden infolge der Erregung der Spule 10 Kraftlinien einer magnetischen Polarität durch die Polglieder 15 und 17 auf die .Polansätze 15,, und ίο. 17p und Kraftlinien entgegengesetzter magnetischer Polarität durch das vordere Polglied 28 auf dessen Polansätze 28_P übertragen. Ein Kraftliniendrehfeld wird zwischen diesen Polansätzen erzeugt, dessen Drehfeldcharakter durch die Phasenverschiebung des durch die verzögerten Polansätze Ij_n hindurchgehenden Kraftlinienfluß hervorgerufen wird. Dieses Feld wirkt auf den Asynchronläufer 41 ein und versetzt ihn in einer Richtung in Dreao hung, die sich danach bestimmt, auf welcher Seite der Polansätze 15^ die verzögerten Polansätze 17p angeordnet sind. Der Asynchronläufer 41 übt beim Anlaufen ein Drehmoment aus, das zur Überwindung des Stillstandsdrehmomentes des Synchronlauf ers 42 genügt. Die normale freie Laufgeschwindigkeit des' Induktionsteiles 41 ist vorzugsweise höher als die synchrone Geschwindigkeit des Motors, so daß der Asynchronteil 41 den Synchronteil 42 jo sehr schnell auf synchrone Geschwindigkeit bringt. In diesem Augenblick fällt der Synchronteil 42 in Synchronismus mit dem zwischen den Polzähnen 30 und 31 ausgebildeten Wechselfeld ein. Wie bereits ausednandergesetzt, haben der innere Zahnkranz 30 und der äußere Zahnkranz 31 immer entgegengesetzte Polarität, und während jedes Wechsels werden die Polaritäten vertauscht. Das synchrone Drehmoment des Teiles 42, der mit dem Wechselfeld in Schritt fällt, ist größer als das Induktionsdrehmoment, das danach strebt, den Läufer auf eine höhere Geschwindigkeit zu bringen, daher wird dieser auf synchroner Geschwindigkeit gehalten. Dadurch, daß der synchrone Teil 42 mit einer Geschwindigkeit umläuft, die geringer ist als die theoretische Synchrongeschwindigkeit des Induktionsteiles, und die außerdem geringer ist als die normale freie Laufgeschwindigkeit des Induktionsteiles, addiert sich bei dieser Geschwindigkeit das Drehmoment des Induktionsteiles zum Drehmoment des Synchronteiles 42, wodurch der Motor ein höheres Drehmoment abzugeben vermag. Ein Motor, der entsprechend der Darstellung aufgebaut und mit 15 Polen in jedem Polring 30 und 31 versehen ist, hat eine synchrone Geschwindigkeit von 200 Umdrehungen in der Minute, wenn er mit einem Wechselstrom von 50 Perioden betrieben wird. Natürlich kann die Anzahl der Pole des Wechselfeldes vergrößert oder verkleinert werden, um geringere oder höhere Synchrongeschwindigkeiten zu erzeu-■ gen. Desgleichen kann die Anzahl der Pole des Drehfeldes erhöht werden, indem eine größere Anzahl Polglieder 15 und 17 geringerer Breite vorgesehen wird bei entsprechender Erhöhung der Anzahl von Polansätzen 28_p, die von dem vorderen Polglied 28 ausgehen.

Es ist ersichtlich, daß dadurch, daß die Polansätze 15j, und i7_p sich nach vorn über die Spule 10 hinweg und die Polansätze 28p nach rückwärts über diese Spule erstrecken, die Ausdehnung des Ständers und dementsprechend des Motors in Richtung der xA.chse beträchtlich vermindert wird. Durch diese Anordnung der Pole des Drehfeldes und durch die Anordnung der Verzögerungseinrichtung 16 auf einem Ende des Ständers kann der schalenförmige Asynchronläufer 41 auch die Erregerspule umfassend über das andere Ende des Ständers hinweggeschoben werden, wodurch der Motor noch mehr verkürzt wird. Durch Anordnung der Verzögerungsvorrichtung 16 an der entgegengesetzen Seite des Ständers beziehungsweise auf dem entgegengesetzten Ende der Spule wird jede Kollision mit dem Aufbau des Läufers über dem vorderen Ende des Ständers verhindert. Die Befestigung des Eisen- oder Stahlbandes 41 j unmittelbar auf dem Läufer schafft einen Rückkehrweg für den magnetischen Kraftfluß des Drehfeldes und es erübrigt sich die Anwendung eines äußeren Gehäuses zur Sicherung dieser Rückführung. Durch die Au-Ordnung der Zahnkränze 30 und 31 in einer Polebene unmittelbar an einem Ende der Spule 10 wird ebenfalls eine kürzere Ständerkonstruktion-erzielt. Wegen der Befestigung des schalenförmigen Läufers 41 an der Läuferspindel 45 in unmittelbarer Nähe des Lagers 38 geben die Lager 22 und 38 eine ausreichende Lagerung für die Spindel, und eine Lagerung auf einem außerhalb liegenden Rahmen ist entbehrlich. Der in der Ach?- richtung infolge der magnetischen Anziehung der Pole 42_a des Synchronteiles 42 durch die Ständerpole 30 und 31 hervorgerufene Endschub wird durch das Kugellager 23 aufgenommen. Ein Stift oder Anschlag kann vorgesehen sein, um am äußeren Ende der Läuferspindel angreifend deren Verlagerung nach außen zu verhindern.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   i. Selbstanlaufender Synchronmotor, insbesondere zum Antrieb von elektrischen Uhren, Zeitschaltern u. dgl., mit magnetisch in Reihe geschalteten Asynchron- und Synchronläufern nach Patent 603 515,

   dadurch gekennzeichnet, daß der schalenförmige Asynchronläufer (41) die Erregerspule (10) samt ihren die Spule in an sich bekannter Weise von beiden Seiten her umfassenden Drehfeldpolen (15^, 17„, 28,,) umschließt.
2. 2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verzögerungsplatte (16) für die Drehfeldpole (17,,) an der den Polzähnen für das Wechselfeld (31, 33) entgegengesetzten Seite der Erregerspule angeordnet ist.
3. 3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Erregerspule (10) von einer Seite her umfassenden Polansätze für das Drehfeld (28p) von einer dicht über der Erregerspule (10) angeordneten, die ineinandergreifenden Zahnkränze (30, 31) des Wechselfeldes enthaltenden Platte (29, 32) aus vorspringen.
4. 4. Motor nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Polansätze für das Drehfeld schalenförmig umfassende Asynchronläufer (41) dicht an der Außenseite der Wechselfeldplatte (29, 32) gelagert ist.
5. S". Motor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Asynchronläufer (41) eine den Weg für den magnetischen Fluß des Drehfeldes vervollständigende Hülse (41 _b) sitzt.
6. '6. Motor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronläufer (42) an der der Wechselfeldplatte (29, 32) abgekehrten Außenseite des schalenförmlgen Asynchronläufers (41 j gelagert ist.
7. 7. Motor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronläufer (42) mit seinen Polzähnen (42J durch bogenförmige Schlitze (51 und 52) in der Stirnplatte (4i_c) des Asynchronläufers (41), eine an sich bekannte Totgangsverbindung zwischen Synchron- undAsyn- chronläufer bildend, hindurchragt.
8. 8. Motor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden eines oder beider Schlitze (51, 52) Dämpfer oder Puffer (54) angeordnet sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen