DE650895C - Verfahren zur Erhoehung der kompensierenden Wirkung des aus permanentem Magnetstahl bestehenden erregenden Teiles (Laeufer) von Drehfeldmotoren mit asynchronem Anlauf und synchronem Lauf - Google Patents

Description

In der letzten Zeit sind legierte Magnetstähle mit hoher Remanenz und Koerzitivkraft entwickelt worden. Diese Stähle sind als sogenannte _t ausscheidungsgehärtete Magnetstähle bekannt. Als für die hohe Güte des Magnetstahles wesentlicher Legierungszusatz wird dabei z.B. Aluminium oder Titan verwendet. Durch ' die Entwicklung dieser Stähle ist es möglich geworden, elektrische Maschinen, insbesondere Motoren, mit permanentem Magnetfeld herzustellen, so daß man die elektrische Erregerleistung erspart. Ein derartiger Motor muß betriebsmäßig anlaufen. Dabei bewegt sich das von der Ständerwicklung ausgehende Drehfeld unterhalb der synchronen Geschwindigkeit des Läufers, also vom Stillstand während der ganzen Hochlaufperiode über den Permanentmagnetläufer hinweg, und magnetisiert ihn daher dauernd um. Dadurch wird der ursprünglich etwa vorhandene remanente Magnetismus zerstört. Fig. 1 der Zeichnung zeigt einen derartigen Motor, bei dem der Läufer aus Magnetstahl mit hoher Remanenz und erheblicher Koerzitivkraft hergestellt ist. Der Läufer ist als einfache zylindrische Trommel dargestellt, an deren Umfang sich die magnetischen Pole ausbilden. Fig. 2 stellt eine Reihe von magnetischen Charakteristiken dieses Läufers dar. Da man beim Anlauf im allgemeinen zunächst eine mäßige , und erst später bei vollem Lauf eine hohe Feldstärke im Hauptmagnetfeld erreicht, so werden diese Charakteristiken von innen nach außen fortlaufend durchschritten.

Nach Beendigung des Anlaufes fällt der Motor in die Synchrondrehzahl, da die magnetischen Läuferpole eben wegen der permanentmagnetischen Eigenschaften seines Eisens eine Tendenz besitzen, an ihrem Platze zu verharren und nicht gegenüber dem Läufer zu schlüpfen. Ist die Luftspaltfeldstärke oder die EMK nach beendetem Anlauf bis zum Werte £ angestiegen, so arbeitet der Motor mit seinen Polen magnetisch auf dem Punkte P. Er erfordert hierbei einen Magnetisierungsstrom j„, der vom Ständer aus dem Netz gedeckt werden muß. Trotz Anwendung beliebig guten Magnetstahles ist also der Magnetisierungsstrom des Motors nur teilweise kompensiert.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das

diesen Nachteil vermeidet. Erfindungsgemäß wird der aus permanentem Magnetstahl be-

- stehende erregende Teil des Drehfeldmotors nach dem asynchronen Anlauf vor dem Über-

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden: Dr.-Ing. Dr.-Ing. e. h. Reinhold Rüdenberg in Nortinvood, Middlesex, England.

gang in den Normalbetrieb übermagnetisiert. Erniedrigt man beispielsweise in dem Diagramm der Fig. 2 für den Normalbetrieb die Arbeitsspannung des Motors bis zum Werte E', der dem Durchtritt des absteigenden Astes der magnetischen Charakteristik von P ab durch den Nullwert des Magnetisierungsstromes entspricht, so bleibt durch die Wirkung des permanenten Magnetstahles ίο im Läufer ein Remanenzfeld erhalten, das die Spannung E' induziert. Der Motor kann daher bei dieser Spannung mit kompensiertem Magnetisierungsstrom arbeiten und' erfordert keine weitere'Zufuhr desselben aus dem Netz. Erniedrigt man die Spannung noch weiter, etwa bis zum Betrage E", so gibt der Motor sogar Magnetisierungsstrom von der Stärke *" an das Netz ab und kann dadurch ' z. B. die Wirkung seiner eigenen magneti-20· sehen Streufelder mitkompensieren. Wünscht man jedoch, daß der Motor dauernd mit der Spannung E arbeiten soll, so wird man ihn gemäß der Erfindung nach erfolgtem Anlauf zunächst mit einer beträchtlich höheren Spannung JS₀ magnetisieren,., so daß er bei Rückkehr auf den Arbeitswert E keinen äußeren Magnetisierungsstrom mehr benötigt.

Es ergibt sich aus diesen Gesichtspunkten als Regel für den Betrieb eines durch Permanentmagnete kompensierten Drehfeldmotors, daß man ihn zunächst um ein solches Maß übermagnetisieren muß, daß sein "Feld bei der gewünschten Betriebsspannung bis auf den Remanenzwert oder in dessen Nähe fallen kann. Diese Übermagnetisierung ist durch Anzapfungen der Motorwicklung oder des speisenden Transformators, durch Sterndreieckschaltung oder ähnliche Schaltkombination am Ende des Anlaufprozesses leicht zu erreichen.

Sollte der Motor während seines Laufes durch mechanische Erschütterungen einen Teil seiner Remanenzfeldstärke verlieren, so genügt es, ihn kurzzeitig wieder auf die höhere Feldstärke zu erregen und alsdann auf die Remanenz zurückfallen zu-lassen.

Ob es zweckmäßiger ist, den Läuferstahl mit hoher Koerzitivkraft und mäßiger Remanenz oder mit hoher Remanenz und mäßiger Koerzitivkraft oder aber mit hoher Remanenz und hoher Koerzitivkraft zu versehen, richtet sich einerseits nach dem Verhältnis von Luftspalt zu Polteilung des Motors, da hiervon die entmagnetisierende Wirkung auf den Permanentstahl abhängt, und andererseits nach den Preisverhältnissen dieser Materialien, so daß man für Motoren großer oder kleiner Leistung, hoher oder niedriger Drehzahl mit ihren unterschiedlichen Verhältnissen von Luftspalt und Polteilung jeweils das technisch geeignetste und wirt- j schaftlich zweckmäßigste Material auswählen muß. Ist der Luftspalt des Motors relativ groß und die Polteilung relativ klein, dann bedarf es einer hohen Koerzitivkraft des Magnetstahles, um noch eine genügende Luftinduktion aufrechtzuerhalten. Man wird dann also, einen Stahl mit hoher Koerzitivkraft und entsprechend geringerer Remanenz wählen. Man kann das Material hinsichtlich Remanenz und Koerzitivkraft am besten nach den folgenden Gesichtspunkten auswählen. Nennt man die Polteilung des Motors τ und den Luftspalt zwischen Ständer und »Läufer unter Einschluß der magnetischen Widerstände der Zähne und des Schluß Joches b, so ergibt das magnetische Grundgesetz für eine Polteilung des Motors, die in Fig. 3 herausgezeichnet ist, als Linienintegral der magnetischen Kräfte

Darin jst die linke Seite durch dieLuftinduktion B bedingt, die sinusartig über den Umfang verlaufend angenommen ist, und die rechte Seite wird durch die treibende Feldstärke H verursacht, die im Läufer ebenfalls sinusförmig verteilt angenommen ist, so daß nur ihr Mittelwert entsprechend dem Faktor

— zur Wirkung kommt. B und H stellen

also die zusammengehörigen maximalen Luftinduktionen und maximalen Magnetstahlfeldstärken dar, die im Läufer auftreten. Bei anderer räumlicher Gestaltung des Permanentmagnetläufers ändert sich der Zahlenfaktor ein wenig. Zu jeder gewünschten Luftinduktion ergibt sich aus Gl. (1) die erforderliche Feldstärke

Ε—π — Β. τ

(2)

In Fig. 4 sind nun für drei verschiedene Magnetstähle die Magnetisierungskennlinien eingetragen. Der Stahl I besitzt z. B. eine Remanenz von 10 000 Gauß und eine Koerzitivkraft von 60 örsted, Stahl II besitzt eine Remanenz von 8000 Gauß und eine Koerzitivkraft von' 190 örsted und Stahl III eine Remanenz von 6000 Gauß und eine Koerzitivkraft von 450 örsted. Will man einen Motor bauen mit dem großen Luftspalt von 1,5 mm bei einer Polteilung von 10 cm, so ist der Zusammenhang von H und B nach Gl. (2) ·

H =

==0,047 B.

(3)

Dies ist als Kurve A gestrichelt in Fig. 4 eingetragen.. Man sieht/ daß man hierfür am zweckmäßigsten den Magnetstahl III verwen-

det, der eine Luftinduktion von 4200 Gauß zu erreichen gestattet. Besitzt der Motor jedoch nur 0,3 mm Luftspalt bei 10 cm Polteilung, so erhält man

H = π

= o,OQ94 B. (4)

Dies liefert die gestrichelte Kurve B. Hierbei erreicht man die höchste Induktion von 6100 Gauß im Motor durch Verwendung des Magnetstahles II, während die anderen Stähle eine geringere Luftinduktion ergeben würden. Besitzt der Motor schließlich bei 0,3 mm Luftspalt eine Polteilung von 45 cm, so ist

H = η --^B = o,oo2i B, {$)
45

und die gestrichelte Linie C zeigt, daß man nunmehr am günstigsten mit dem Mägnetmaterial I arbeitet, das eine Luftinduktion von 8300 Gauß erzielen läßt. Da die Materialien mit hoher Koerzitivkraft im allgemeinen teurer sind als die mit hoher Remanenz, so ist es zweckmäßig, derartige Motoren mit möglichst kleinem Luftspalt zwischen Ständer und Läufer herzustellen, und dies ist wieder zulässig, weil man im allgemeinen eine massive geschliffene Läuferfiäche verwenden wird, die leicht zum sauberen und zentrischen Rundlaufen zu bringen ist.

Map kann die Überlegungen für dieses Auswahlprinzip formelmäßig darstellen. Bezeichnet man mit R die Remanenz und mit K die Koerzitivkraft, so ist die Charakteristik - des Permanentmagnetmaterials nach Fig. 4

B>R

(6)

Dabei würde das Gleichheitszeichen für eine geradlinig absinkende Kennlinie gelten, im allgemeinen ist die Kennlinie jedoch nach oben gekrümmt. Setzt man hierin die Feldstärke H nach Gl. (2) für den Motor ein, so erhält man

B>-

δ =

δ R

A (7)

Daraus sieht man, daß es zur Erzielung einer hohen Luftinduktion B im Motor darauf ankommt, bei an sich möglichst hoher Remanenz das zweite Glied des Nenners der Gl. (7) möglichst klein zu machen. Im allgemeinen wird man eine günstige Ausnutzung des Magnetstahles erreichen, wenn man das Produkt von

(8)

ausführt. Bei nicht rein zylindrischer Gestaltung des Magnetkörpers tritt darin statt der Zahl π ein anderer Zahlenfaktor auf. Stets besteht dieses Produkt jedoch aus den beiden Faktoren: äquivalenter Luftspalt im Verhältnis zur äquivalenten Magnetlänge und Remanenz im Verhältnis zur Koerzitivkraft.

Wählt man die Verhältnisse gemäß der Bemessungsgleichung (8) entweder durch Auswahl geeigneten Magnetmaterials oder durch Ausführung eines kleinen Luftspaltes oder durch Aufbau des Motors mit großer Polteilung, so wird das im Motor auftretende Remanenzfeld stets größer als die Hälfte der magnetischen Remanenz des Permanentstahlmaterials.

Da alle diese Materialien eine relativ große Hysteresisfläche haben, so ist das Hysteresisdrehmoment derartiger Motoren recht beträchtlich. Es unterstützt und beschleunigt 80 den Anlauf sehr erheblich und bewirkt beim vollen Lauf ein Festhalten der Pole in ihrer einmal erhaltenen Lage. Zur Unterstützung dieses Festhaltens kann es in bekannter Weise zweckmäßig sein, den permanentmagnetischen Läufer mit ausgeprägten Polstücken zu versehen, da dann das Reaktionsmoment zu diesen Festhaltekräften hinzukommt, das durch, den Unterschied der magnetischen Leitfähigkeit der Polstücke und der Pollücken hervorgerufen wird.

Natürlich kann m.an derartige Motoren mit allen nützlichen Anlauf- und Betriebsvorkehrungen ausrüsten, wie sie für gewöhnliche Synchron- und Asynchrondrehfeldmotoren üblich sind. Beispielsweise kann man sie einphasig betreiben, indem man durch Kunstschaltungen ein Mehrphasenmagnetfeld erzeugt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erhöhung der kompensierenden Wirkung des aus permanentem Magnetstahl bestehenden erregenden Teiles (Läufers) von Drehfeldmotoren mit asynchronem Anlauf und synchronem Lauf, dadurch, gekennzeichnet, daß der erregende Teil nach dem asynchronen Anlauf vor dem Übergang in den Normalbetrieb übermagnetisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfeldwicklung des Motors nach Erreichung der synchronen Drehzahl von einer höheren auf eine niedrigere Windungsspannung (z. B. durch Anzapfung von Motor oder Transformator oder Wicklungsumschaltung) umgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer so stark übermagnetisiert wird, daß nach

Herabsetzung der Windungsspannüng die Motorwicklung Magnetisierungsstrom abgeben kann.

4. 'Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt δ, die Poltejlung r, die Remanenz R und die Koerzitivkraft K nach der Formel

(8)

bemessen sind.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen