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Die
vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Synchronmotor, umfassend
einen Anker, der ein Joch, eine Vielzahl von Zähnen, die jeweils ein erstes
mit dem Joch verbundenes Ende aufweisen und zwischen ihnen Taschen
begrenzen, und Spulen aufweist, die teilweise in den Taschen vorgesehen sind
und derart angeordnet sind, dass sie einen Magnetfluss in den Zähnen erzeugen,
wenn diese Spulen gespeist werden, welche Zähne jeweils ein zweites dem
ersten Ende entgegengesetztes Ende aufweisen, das einen Zahnkopf
mit einer ersten Breite bildet, und welche Taschen jeweils eine
zweite Breite in Höhe
der Zahnköpfe
aufweisen, wobei die Summe der ersten und der zweiten Breite eine
Zahnteilung bestimmt, welcher Motor ferner einen Induktor umfasst,
der gegenüber
den Zahnköpfen
angeordnet ist und eine Vielzahl von Permanentmagneten und eine Rückflusssohle
umfasst, auf welcher die Permanentmagneten angeordnet sind.
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Ein
Synchronmotor, der der obenstehenden Rahmendefinition entspricht,
ist bekannt. Er ist in diesem Dokument durch die 1, 1a, 2 und 3 illustriert, die sich auf den Stand
der Technik beziehen.
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1 ist ein partieller Schnitt
eines linearen Synchronmotors, der gemäss diesem Stand der Technik
konstruiert ist. Hier ist der Anker 60 ein Stator, der
von einem Paket mit ferromagnetischen Blechen gebildet ist und wovon
man das Joch 1 und die Zähne 10 erkennt, die
regelmässig
mit einer Zahnteilung τn
angeordnet sind. Der Anker 60 umfasst noch eine Vielzahl
von Taschen 2, die die Zähne 10 trennen und
in denen Spulenwicklungen 4 untergebracht sind, wobei diese
Wicklungen durch isolierende Folien 3 vom Joch 1 und
den Zähnen 10 isoliert
sind. In dieser Art von Motor enden die Köpfe der Zähne 10 in einer Erweiterung
oder Sohle 10',
die zum Ziel hat, eine Öffnung
oder Vortasche 6 mit verminderter Breite zu bilden, und
dies aus Gründen,
die weiter unten erscheinen. Die Wicklungen 4 sind im allgemeinen
lose, ohne genaue Ordnung gespult, entweder mit der Spulenmaschine
oder von Hand über
die Vortaschen 6 in die Taschen 2 eingeführt. Um
die Wicklung in der Tasche 2 aufrechtzuerhalten, bringt
man einen Keil 5 an, der sich auf die Zahnsohlen 10' abstützt.
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1 zeigt noch den Induktor 61 des
Motors, wobei dieser Induktor 61 im hier gewählten Beispiel der bewegliche
Teil des Motors ist, welcher sich linear entlang der Achse y verlagert.
Dieser Induktor 61 umfasst im wesentlichen eine Vielzahl
von Permanentmagneten 8 in Form von Quadern, die regelmässig mit
einer Polteilung τp
auf einer ebenen Rückflusssohle 9 angeordnet
sind, die aus einem ferromagnetischen Material besteht. Der Anker 60 und
der Induktor 61 sind durch einen Luftspalt 7 getrennt.
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2 stellt die Verteilung
der normalen Komponente der magnetischen Induktion B dar, die in
Tesla (T) ausgedrückt
ist und sich hier über
zwei Polteilungen τp
erstreckt. Es ist zu bemerken, dass diese Induktion diejenige ist,
die einzig durch die Magnete 8 des Induktors 61 auf
den Zähnen 10 des
Ankers 60 in der Schnittebene der 1 erzeugt wird, ob die Wicklungen 4 gespeist
werden oder nicht. Man erkennt auf 2,
dass die Öffnungen 6 der
Taschen 2 gut sichtbare Störungen 15 und 16 auf
der Konfiguration der Induktion B hervorrufen. Diese Öffnungen mit
der Breite bn sind für
das wohlbekannte Phänomen
in den Motoren mit Permanentmagneten verantwortlich, ein Phänomen, das
man Reluktanz-Effekt nennt. Dieser Effekt erzeugt eine parasitäre Kraft, oder
Reluktanz-Kraft Fr, die entlang der Achse y geführt wird und die das richtige
Funktionieren des Motors stört.
Die Variation dieser Kraft Fr ist im Diagramm der 3 dargestellt.
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Das
Diagramm der 3 basiert
auf einem Motor, der eine Zahnteilung τn von 12 mm, eine Polteilung τp von 16
mm und eine Taschenöffnung von
1,5 mm aufweist, wobei das Verhältnis
bn/τn also einen
Wert von 0,125 hat. Die Polteilung τp ist auf der Abszisse und die
Reluktanz-Kraft
Fr auf der Ordinate angegeben. τp
ist in Millimeter (mm) und Fr in Newton (N) ausgedrückt. Die
Kurve 17 des Diagramms der 3 zeigt
die Konfiguration der Reluktanz-Kraft Fr, die erzeugt würde, wenn
der Anker nur eine Tasche hätte.
Diese Kurve ist durch zwei instabile Punkte 22 und 22' mit geringer
Steilheit und durch einen stabilen Punkt 21 mit grosser
Steilheit gekennzeichnet. Bei den Punkten 22 und 22' befindet sich
die Tasche 6 in der Mitte eines Magneten 8 (–τp/2 und +τp/2), während sie
sich beim Punkt 21 zwischen zwei Magneten 8 befindet.
Wenn sich der Induktor 61 beispielsweise zwischen 0 und
3,2 befindet, verlagert er sich nach rechts, um sich beim Punkt 21 zu
stabilisieren, wobei er eine Antriebskraft liefert (Neigung 19).
Wenn sich der Induktor 61 hingegen zwischen 16 und 12,8
befindet, verlagert er sich zum gleichen Punkt 21, wobei
er eine Bremskraft liefert (Neigung 20). Die Kurve 18 des
Diagramms der 3 zeigt
die Konfiguration der gesamten über
eine Polteilung τp erzeugten
Reluktanz-Kraft Fr, wobei der Anker 60 8 Taschen aufweist.
Die parasitäre
ReluktanzKraft umfasst dann eine Wechselfolge von acht parasitären Maxima,
die das richtige Funktionieren des Motors stören, wobei diese Kräfte in der
Grössenordnung von
16 Newton sind. Es ist also verständlich, dass, wenn man nicht
auf dieses Phänomen
achtet, der Motor unbrauchbar werden kann, wobei die Reluktanz-Kraft
dann die Maximalkraft, die der Motor liefern kann, wenn er mit Strom
gespeist wird, übersteigen
kann.
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Das
Dokument IEEE Transactions on magnetics, Vol. 24, No. 6, Nov. 1988,
Seiten 2901 bis 2903, beschreibt einen Synchronmotor mit offenen Taschen,
in dem eine Kompensation des Reluktans-Effekts, der durch eine sich
am Eingang eines Magneten des Rotors befindliche Tasche erzeugt wird,
durch den Reluktanz-Effekt einer anderen Tasche, die sich gleichzeitig
am Ausgang des gleichen Magneten befindet, erhalten wird. Um den
globalen Reluktanz-Effekt über
mehrere Polteilungen zu vermindern, schlägt dieses Dokument dann eine
asymmetrische Anordnung des Magneten vor.
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Aus
dem Dokument
DE 24 90 91 kennt
man einen Generator mit Drehrad, dessen Anker Zähne mit konstantem Querschnitt
aufweist, die von Spulen umgeben sind. Der Drehinduktor hat an seiner
Peripherie Permanentmagneten, die beim Drehen einen variablen Magnetfluss
in den Zähnen
und einen Strom in den Spulen erzeugen. Um die zwischen den Zähnen begrenzten
Taschen zu schliessen, sind Blechplatten vorgesehen. Solche Blechplatten
sind im allgemeinen aus magnetischen Materialien mit geringer Reluktanz
gebildet, derart, dass die Taschen geschlossen sind und somit den
Reluktanz-Effekt vermindern. Die Anordnung dieser Blechplatten kompliziert
die Konstruktion des Ankers, ohne den Reluktanz-Effekt eines solchen
Generators beachtlich zu vermindern. In dem Fall, wo die die Taschen
bildenden Platten aus einem Material von hoher Reluktanz ausgeführt wären, wäre der Reluktanz-Effekt eines solchen
Generators enorm, genauso wie im Fall, wo keine Blechplatten vorgesehen
wären,
da sich die auf den Taschen ruhenden Reluktanz-Effekte aufsummieren,
wobei die Polteilung zwischen den Permanentmagneten gleich der Zahnteilung
zwischen den Zähnen
des Ankers ist. Es handelt sich um einen Einphasenspannungsgenerator,
der nicht als Synchronomot verwendet werden kann.
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Um
den Reluktanz-Effekt aufzuheben oder stark zu vermindern, besteht
eine sehr verbreitete Technik darin, die den Anker 60 bildenden
Bleche derart gegeneinander zu verschieben, dass in einem Schnitt
wie demjenigen der 1a die
Längsachsen der
Zähne 10 und
der Taschen 2, die strichpunktiert dargestellt sind, einen
von 90° verschiedenen
Winkel mit der Verlagerungsrichtung y des auf dieser 1a nicht sichtbaren Induktors 61 in
Bezug auf den Anker 60 bilden. Es ist festzuhalten, dass
auf 1a, die ein Schnitt
gemäss
der Achse A–A
der 1 ist, die Wicklungen 4 und
die isolierenden Folien 3, die in den Taschen 2 angeordnet
sind, nicht dargestellt worden sind, und dass die den Anker 60 bildenden
Bleche nicht separat gezeichnet worden sind.
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Diese
Verschiebungstechnik der den Anker 60 bildenden Bleche
verursacht zusätzliche
Schwierig-keiten, indem sie die Herstellungs-Werkzeugausrüstung kompliziert
und indem sie das Einführen
der Wicklungen 4 in die Taschen 2 schwieriger
macht.
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Eine
andere Technik, die mit der vorhergehenden kombiniert werden kann,
besteht darin, Magnete 8 schräg anzuordnen, d.h. derart,
dass deren Kanten, die parallel zu der Ebene der Sohle 9 stehen, jeweils
von 0° bzw.
von 90° verschiedene
Winkel mit der Verlagerungsrichtung y des Induktors 61 in
Bezug auf den Anker 60 bilden. Diese Technik kompliziert
ebenfalls die Herstellung der Motoren.
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Zusätzlich zu
den obenerwähnten
Anordnungen versucht man auf jeden Fall immer, den Vortaschen 6 eine
möglichst
geringe Breite bn zu geben, was zur Folge hat, dass der Spulvorgang
kompliziert wird, denn die Spulen müssen wegen der sehr geringen
Taschenbreite bn vor der Montage lose angeordnet werden, um deren
Einführen
in die Tasche 2 über die
Vortasche 6 zu ermöglichen.
Diese lose Montage hat zur Folge, dass die die Wicklungen 4 bildenden Drähte sehr
unregelmässig
in den Taschen 2 angeordnet sind, woraus resultiert, dass
der Füllungsgrad dieser
Taschen 2 gering ist (in der Grössenordnung von 30 %) und dass
der Wärmewiderstand
zwischen den Wicklungen 4 und dem Joch 1 gross
ist. Diese Nachteile führen
jeweils zu einem geringen Wirkungsgrad des Motors bzw. zu einer
unzureichenden Wärmekapazität.
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Um
die weiter oben aufgezählten
Nachteile zu beheben, schlägt
die Erfindung einen Synchronmotor vor, wie er im Patentanspruch
1 definiert ist.
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Dank
diesen Merkmalen, und wie dies weiter unten im Detail gezeigt wird,
ist die globale Reluktanz-Kraft, die in einem Motor gemäss der vorliegenden
Erfindung vorhanden ist, viel geringer als diejenige, die in einem
Motor des Standes der Technik vorhanden ist. Ferner ist die Herstellung
eines Motors gemäss
der vorliegenden Erfindung viel einfacher und somit billiger als
diejenige eines Motors des Standes der Technik.
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Weitere
Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
von mehreren ihrer Ausführungsformen,
welche nachstehend mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen gemacht wird,
die einzig als Beispiele gegeben sind, und in denen
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1 ein partieller Schnitt
eines linearen Synchronmotors gemäss dem in der Einleitung dieser
Beschreibung besprochenen Stand der Technik ist,
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1a ein partieller Schnitt
des Motors der 1 gemäss der Achse
A–A dieser 1 ist,
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2 die Konfiguration der
magnetischen Induktion B des Motors der 1 zeigt,
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3 ein Diagramm ist, das
die Reluktanz-Kraft darstellt, die einerseits durch eine einzige Tasche
des Motors der 1 und
andererseits durch acht Taschen des gleichen Motors erzeugt wird,
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4 ein partieller Schnitt
eines linearen Synchronmotors gemäss der Erfindung und gemäss einer
ersten Ausführungsform
ist,
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4a ein partieller Schnitt
des Motors der 4 gemäss der Achse
A–A dieser 4 ist,
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5 die Konfiguration der
magnetischen Induktion B des Motors der 4 zeigt,
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6 ein Diagramm ist, das
die Reluktanz-Kraft darstellt, die einerseits durch eine einzige Tasche
des Motors der 4 und
andererseits durch acht Taschen des gleichen Motors erzeugt wird,
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7 ein Diagramm ist, das
den Verlauf der Reluktanz-Kraft eines Synchronmotors der Erfindung in
Abhängigkeit
vom Verhältnis
von Taschenbreite und Zahnteilung darstellt,
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die 8 und 9 zwei Spularten eines Synchronmotors
gemäss
der Erfindung zeigen,
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10 ein partieller Schnitt
in den Anker eines Synchronmotors der Erfindung gemäss einer zweiten
Ausführungsform
ist,
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die 11 und 12 eine dritte Ausführungsform des Motors gemäss der Erfindung
zeigen, wobei die erste sie im Schnitt und die zweite in Perspektive zeigt,
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die 13 und 14 eine vierte Ausführungsform des Motors gemäss der Erfindung
zeigen, die erste im Schnitt und die zweite in Perspektive, und
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15 ein partieller Schnitt
Synchronrotationsmotors gemäss
der Erfindung ist.
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4 ist ein partieller Schnitt
in einen gemäss
der Erfindung und gemäss
einer ersten Ausführungsform
ausgeführten
linearen Synchronmotor. Wie bei dem mit Hilfe der 1 beschriebenen Motor des Standes der
Technik umfasst dieser Motor einen von einem Blechpaket gebildeten
Anker 60, der ein Joch 1 und eine Vielzahl von
Zähnen 25 umfasst,
die ein erstes mit dem Joch 1 verbundenes Ende und ein zweites
dem ersten gegenüberliegendes
und einen Zahnkopf 62 bildendes Ende aufweisen. Die Zähne 25 sind
regelmässig
mit einer Zahnteilung τn
angeordnet. Jeder Zahn 25 ist vom folgenden Zahn durch eine
Tasche 2 getrennt, in der zum Beispiel die Wicklung 26 einer
Spule, derart wie diejenigen, die auf 8 mit
dem Bezugszeichen 30 dargestellt sind, untergebracht ist.
Die Höhe
der Zähne 25,
d.h. der Abstand zwischen ihrem ersten und ihrem zweiten Ende, ist
mit dem Bezugszeichen H bezeichnet.
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Der
Motor umfasst auch einen Induktor 61, der gegenüber den
Zahnköpfen 62 angeordnet
ist, wobei dieser Induktor 61 mit einer Vielzahl von Dauermagneten 8 in
Form von Quadern ausgerüstet
ist, die regelmässig
mit einer Polteilung τp
auf einer aus einem ferromagnetischen Material hergestellten ebenen
Rückflusssohle 9 angeordnet
sind. Der Induktor 61 und der Anker 60 sind durch
einen Luftspalt 7 getrennt.
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Gemäss der Erfindung
haben die Zähne über ihre
ganze Höhe
H einen konstanten Querschnitt. Man bemerkt nämlich, dass die Flanken der
Zähne 25 parallel
sind und dass ihre Köpfe 62 keine
Zahnsohlen aufweisen, wie dies im auf 1 (Bezugszeichen 10') gezeigten
Motor des Standes der Technik der Fall ist. Die Taschen sind also
auf der Seite des Induktors 61 im Gegensatz zu den sogenannten "halbgeschlossenen" Taschen der Motoren
des Standes der Technik vollständig "offen". Ferner ist die Breite
bn der Taschen 2 merklich gleich der Breite bd der Zahnköpfe 62.
Mit anderen Worten, und da die Summe der Breiten bd und bn gleich
der Zahnteilung τn
ist, ist das Verhältnis
bn/τn merklich
gleich 0,5. 'Merklich
gleich' bedeutet,
dass die Leistungen eines Motors gemäss der Erfindung bei nur geringer
Abweichung vom Zentralwert von 0,5 noch zufriedenstellend sind.
Gemäss
Experimenten, die bei dieser Motorart ausgeführt worden sind, kann dieses
Verhältnis bn/τn zwischen
0,40 und 0,55 liegen.
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Wenn
man jetzt die dem Motor der 4 entsprechende
Konfiguration der magnetischen Induktion B betrachtet, zeigt 5, dass diese Konfiguration
stark gestört
wird (Bezugszeichen 27 und 28), und zwar viel
starker als diejenige, die auf 2 für den Motor
des Standes der Technik gezeigt ist, was logischerweise zu einem
enormen Reluktanz-Effekt führen
müsste,
der den Motor völlig
unbrauchbar machen würde.
Man stellt nun test, dass wenn der durch eine Tasche erzeugte Reluktanz-Effekt (wenn beispielsweise
der Anker nur eine Tasche hat) tatsächlich sehr gross ist, der
durch mehrere aufeinanderfolgende Taschen erzeugte Reluktanz-Effekt
auf einen Wert herabgesetzt ist, der viel niedriger ist als derjenige,
der auf dem Motor des Standes der Technik festgestellt worden ist.
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Dieses
Phänomen
wird durch das Diagramm der 6 illustriert.
Dieses Diagramm basiert auf einem Motor, der eine Zahnteilung τn von 12
mm und eine Polteilung τp
von 16 mm (also identisch mit denjenigen des obenerwähnten Motors
des Standes der Technik) aufweist. Die Öffnung bn weist hier jedoch 6,3
mm auf, und das Verhältnis
bn/τn beträgt also 0,525.
Im Diagramm der 6 ist
die Polteilung τp
in mm auf der Abszisse und die Reluktanz-Kraft in Newton auf der Ordinate angegeben.
Die Kurve 35 des Diagramms zeigt die Konfiguration der
Reluktanz-Kraft,
die erzeugt würde,
wenn der Anker 60 nur eine einzige Tasche hätte, oder
der elementaren Reluktanz-Kraft,
die ebenfalls zwei instabile Punkte 33 und 33' sowie einen
stabilen Punkt 34 aufweist. Diese elementare Reluktanz-Kraft
hat eine beachtliche Amplitude, die wie voraussehbar grösser als
60 N ist. Der Verlauf der Kurve 35 kommt jedoch einer Sinuskurve
nahe, was dadurch erklärbar
ist, dass die Taschenbreite bn merklich gleich der Breite bd des Zahnkopfs 62 ist.
Jede der Taschen 2 des Motors der 4 erzeugt natürlich eine elementare Reluktanz-Kraft,
deren Verlauf ähnlich
wie derjenige ist, welcher durch die Kurve 35 der 6 dargestellt ist, und die
diese elementaren Reluktanz-Krafte darstellenden Kurven, die nicht
gezeichnet worden sind, sind gegeneinander in der Richtung der Achse
y verschoben.
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Die
globale Reluktanz-Kraft, die in einem Motor, wie dem Motor der 4, wirkt, ist natürlich gleich
der Summe der soeben erwähnten
elementaren Reluktanz-Kräfte. Da
jede dieser letzteren einen Verlauf aufweist, der einer Sinuskurve
nahekommt, wird deren Summe sehr gering. Somit stellt die Kurve 3b der 6 die globale Reluktanz-Kraft
dar, die in einem solchen Motor wie auf 4, der acht Taschen 2 und sechs
Magnete 8 umfasst, wirkt. Diese Kurve 36 zeigt,
dass die globale Reluktanz-Kraft
in diesem Fall ungefähr
1 N beträgt,
während
diese globale Reluktanz-Kraft für
den gleichen in der Einleitung dieser Beschreibung betrachteten
Motortypus, der jedoch Vortaschen aufweist, in der Grössenordnung
von 16 N war. Man erkennt also hier die beachtlichen Vorteile, die
der gemäss
der Erfindung ausgeführte
Motor nach sich zieht, welcher, wie bereits gesagt, dadurch vorzüglich ist,
dass er offene Taschen besitzt, deren Breite merklich gleich der
Breite des Zahns ist, wobei dieser letztere ferner über seine
ganze Höhe
einen konstanten Querschnitt aufweist.
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Das
Diagramm der 7 fasst
gut alles zusammen, was bisher jetzt gesagt worden ist. Dieses Diagramm
wird für
einen Motor erstellt, der das gleiche Verhältnis von Polteilung τp und Zahnteilung τn hat, nämlich beispielsweise
16 mm bzw. 12 mm. Man gibt das Verhältnis bn/τn auf der Abszisse an, wobei die
Zahnteilung τn
konstant gehalten wird, mit anderen Worten lässt man die Taschenbreite bn
in Bezug auf die Zahnteilung τn
wachsen. Die gemäss
dem Stand der Technik konstruierten Motoren befinden sich im Bereich 41,
in dem die globale Reluktanz-Kraft Fr zunimmt (Teil 40 der
Kurve), wenn bn/τn zunimmt.
Gemäss
einem vom Fachmann allgemein anerkannten Konzept, kann diese globale
Reluktanz-Kraft Fr nur weiterhin zunehmen (Teil 42 der Kurve),
wenn die Taschenbreite bn zunimmt. Der Anmelder der vorliegenden
Erfindung hat jedoch gezeigt, dass diese Kraft durch ein Maximum
läuft und dann
abnimmt (Teil 43 der Kurve) um ein Minimum im Bereich 45 zu
erreichen, wo die Taschenbreite bn merklich gleich einer halben
Zahnteilung τn
ist und wo sich die Motoren gemäss
der vorliegenden Erfindung befinden. Ab diesem Bereich 45 nimmt
die globale Reluktanz-Kraft Fr wieder gemäss dem Teil 46 der
Kurve zu.
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Zusammenfassend
ist der Bereich 41 derjenige der Motoren mit halbgeschlossenen
Taschen des Stands der Technik, während der Bereich 45 derjenige
der Motoren mit offenen Taschen ist, die Gegenstand der vorliegenden
Erfindung sind.
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Es
ist verständlich,
dass die Verminderung des Reluktanz-Effekts um so besser ist, je
grösser die
Anzahl Taschen ist. Wenn die Rotationsmotoren von mittlerer bis
grosser Grösse
(von 0,1 bis 1 m und mehr) leicht eine grosse Anzahl von Taschen
aufweisen, die ermöglichen,
den Reluktanz-Effekt beachtlich zu vermindern, so ist dies schwieriger
für die
linearen Motoren, deren Gesamtlänge
im allgemeinen zwischen 0,1 und 0,5 m liegt und die somit eine relativ
verminderte Anzahl von Taschen aufweisen.
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Im
Fall eines solchen linearen Motors kann man den Eingangs- und Ausgangszahn
des Ankers nutzbringend verwenden, welche Zähne im allgemeinen je mit einer
Abschrägung
versehen sind, um die globale Reluktanz-Kraft noch mehr zu vermindern. Die
Dimensionierung des Eingangs- und Ausgangszahn ist bereits in der
spezialisierten Literatur besprochen worden. Der interessierte Leser
kann die These von Nicolas Wavre Nr. 219 mit dem Titel: "Etude harmonique
tridimensionnelle des moteurs lineaires asynchrones à bobinages
polyphases quelconques", Lausanne
EPFL, 1975, konsultieren. Man wählt
nämlich
die Abmessungen der Endzähne
sowie den Winkel ihrer Abschrägung
derart, dass man eine Reluktanz-Kraft
erhält,
deren Form und deren Amplitude mit denjenigen der durch die Taschen
verursachten Reluktanz-Kraft
vergleichbar sind, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen. Man
kann somit den globalen Reluktanz-Effekt beachtlich vermindern.
Die geringe Anzahl von Taschen der linearen Motoren in Bezug auf
die Rotationsmotoren wird somit durch eine sinnvolle Nutzung des
Effekts der Enden kompensiert, der die Verwendung von offenen Taschen noch
interessanter für
die linearen Motoren als für
die Umlaufmotoren macht.
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Da
der Reluktanz-Effekt in einem Motor gemäss der Erfindung viel geringer
ist als in einem Motor des Standes der Technik, ist es nicht mehr
nötig, ihn
durch Kunstgriffe, wie diejenigen, die weiter oben beschrieben worden
sind, zu kompensieren. In einem Motor gemäss der Erfindung können somit
die den Anker 60 bildenden Bleche derart miteinander angeordnet
sein, dass in einem Schnitt, wie demjenigen der 4a, die Längsachsen der Zähne 10 und der
Taschen 2, die strichpunktiert dargestellt sind, senkrecht
zu der Verlagerungsrichtung y des auf dieser 4a nicht sichtbaren Induktors 61 in
Bezug auf den Anker 60 verlaufen. Es resultiert aus dieser
Anordnung eine erhebliche Vereinfachung der für das Fügen der den Anker 60 bildenden
Bleche verwendeten Werkzeug-ausrüstung.
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Es
ist festzuhalten, dass auf 4a,
welche ein Schnitt gemäss
der Achse A–A
der 4 ist, die Wicklungen 26 nicht
dargestellt worden sind und dass die den Anker 60 bildenden
Bleche nicht separat gezeichnet worden sind.
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Ebenso
können
die Magnete 8 derart angeordnet sein, dass deren zu der
Ebene der Sohle 9 parallele Kanten jeweils parallel bzw.
senkrecht zu der Verlagerungsrichtung y stehen. Aus dieser Anordnung
resultiert eine Vereinfachung der für das Fügen der Magnete 8 und
der Sohle 9 verwendeten Werkzeugausrüstung.
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Zusätzlich zum
Interesse, eine sehr geringe globale Reluktanz-Kraft Fr zu erhalten,
hat die Tatsache, dass die Zähne 25 des
Motors gemäss
der Erfindung über
ihre ganze Höhe
H einen konstanten Querschnitt haben und keine Zahnsohle wie die Zahnsohlen 10' des auf 1 dargestellten Motors des
Standes der Technik aufweisen, noch den Vorteil, eine geordnete
und kompakte Wicklung der die Spulen bildenden Windungen zu ermöglichen,
welche Windungen somit aneinanderliegend sein können, wie dies auf 4 sichtbar ist. Dies ermöglicht,
einen Füllungsgrad
der Taschen 2 zu erreichen, der mindestens gleich oder
sogar grösser
als 60 % ist, was einerseits den Wirkungsgrad des Motors verbessert und
andererseits eine einfachere Abführung
der durch ihn erzeugten Wärme
ermöglicht.
Im Motor gemäss
der Erfindung umgibt jede Spule nur einen einzigen Zahn, und zwar
ebenfalls mit dem Ziel, den Wirkungsgrad zu verbessern, da die Länge der
Spulenköpfe
somit vermindert wird, was die Kupferverluste herabsetzt.
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Da
die Zähne 25 über ihre
ganze Höhe
H einen konstanten Querschnitt aufweisen, sind die Taschen 2 also
vollständig
offen, was das Einführen
von vorgeformten Spulen ermöglicht.
Um diese Spulen herzustellen, wickelt man die sie bildenden Drähte zu aneinanderliegenden
Windungen auf eine unabhängige
Schablone mit rechteckigem Kern, dessen Querschnitt merklich gleich
dem Querschnitt des Zahns 25 ist. Der verwendete Draht
ist im allgemeinen mit einem Leim überzogen, der warm polymerisierend
ist.
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Wenn
die Wicklung beendet ist, lässt
man im Draht Strom fliessen, um ihn zu erwärmen und die Windungen miteinander
zu verkleben. Die somit kompakt gemachte Spule kann von der Schablone abgenommen
werden und dann als Ganzes auf einem Zahn 25 des Ankers
angebracht werden.
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Die 8 und 9 zeigen jeweils den Anker 60 eines
Synchronmotors gemäss
der Erfindung. Im Anker 60 der 8 umgibt jede Spule 30 einen
einzigen Zahn 25 und nimmt merklich vollständig zwei
an den von der Spule umgebenen Zahn 25 angrenzende Taschen 2 ein.
Daraus resultiert natürlich,
dass nur jeder zweite Zahn 25 von einer Spule 30 umgeben
ist.
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Im
Anker 60 der 9 umgibt
jede Spule 31 ebenfalls nur einen einzigen Zahn 25,
aber alle Zähne 25 sind
von einer Spule 31 umgeben. Daraus resultiert natürlich, dass
zwei aneinanderliegende Spulen zusammen merklich vollständig die
Tasche 2 einnehmen, die die beiden von den Spulen umgebenen Zähne 25 trennt.
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Die 10 bis 14 beziehen sich insbesondere auf die
Art und Weise, wie die Wicklungen 26 vom Anker 60 isoliert
werden und wie die durch diese Wicklungen 26 erzeugte Wärme abgeführt wird.
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10 zeigt einen Anker 60,
der mit Wicklungen 26 versehen ist, die gemäss dem weiter
oben beschriebenen Verfahren in die Taschen 2 eingeführt sind.
Die Figur zeigt, dass sich auf dem Boden der Tasche 2 ein
zwischen dem Joch 1 und der Wicklung 26 angeordnetes
Rohr 11 befindet, in dem eine Kühlflüssigkeit 50 zirkuliert.
Dieses Kühlsystem
ermöglicht,
die durch die Wicklung 26 erzeugte Wärme schnell nach aussen abzuführen. Es
ist zu bemerken, dass, da die Taschen 2 gerade und offen
sind, die Rohre 11 im voraus mit Umlegungen an den Enden (nicht dargestellt)
vorbereitet werden können,
um ein Art Kühlschlange
zu bilden. Es ist festzuhalten, dass, wenn diese Kühlerart
im Motor des Standes der Technik (1)
verwendet würde,
die Rohre 11 erst nach dem Einführen in die Taschen 2 miteinander verbunden
werden müssten,
da die engen Vortaschen 6 den Durchlass der Rohre 11 nicht
ermöglichen,
was die Montage des Motors beachtlich komplizieren würde. 10 zeigt ebenfalls eine
isolierende Folie 3, die zwischen der Wicklung 26 und
dem Zahn 25 angeordnet ist und sehr leicht in die Tasche 2 eingeführt werden
kann, da diese letztere offen ist.
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11 zeigt eine Anordnung,
die derjenigen der 10 sehr ähnlich ist,
und in der man das Kühlrohr 11 und
die isolierende Folie 3 vorfindet. 11 zeigt zusätzlich, dass das Rohr 11 mindestens
teilweise von einer auf 12 in
Perspektive dargestellten Folie 12 umgeben ist, welche
ferner zwischen dem Zahn 25 und der Wicklung 26 eingezwängt ist und
sich bis zum Kopf 62 des Zahns 25 erstreckt. Diese
Folie 12 dient als Mittel zur Wärmeübertragung zwischen der Wicklung 26 und
dem Kühlrohr 11.
Diese Folie ist aus einem wärmeleitenden
Material, wie aus Kupfer oder Aluminium oder aus einem Compositwerkstoff,
wie beispielsweise aus Kohlenstoff-Faser, hergestellt. Wenn die Folie aus
Aluminium hergestellt ist, kann es oxydiert sein, was ermöglicht,
die isolierende Folie 3 wegzulassen und dadurch den Wärmewiderstand
noch weiter herabzusetzen.
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Man
kann jedoch beobachten, dass, wenn die Folie 12 metallisch
und somit elektrisch leitend ist, der Streufluss der Taschen 2 darin
Wirbelströme
erzeugt. In allen Synchronmotoren, deren Taschen relativ tief sein
können,
kann die Taschen-Streuinduktivität
dann zur Hauptinduktanz werden, was im allgemeinen ein Nachteil
ist. Eines der Mittel, um die Taschen-Streuinduktivität zu vermindern,
besteht gerade darin, die Folie zur Wärmeübertragung 12 ebenfalls
als Abschirmung gegen die Taschen-Streuinduktivität zu verwenden.
Wenn diese Abschirmung zu gross wird, passt man ihre Wirkung an,
indem man Rillen 13, wie diejenigen der 12, vorsieht. Diese Rillen 13,
wie auch die Bleche der elektrischen Motoren, vermindern die Bedeutung
der Wirbelströme. Eine
hohe Anzahl Rillen ermöglicht,
diese Wirbelströme
auszuschalten, ohne die Wärmeübertragungskapazität beachtlich
zu vermindern. Es ist festzuhalten, dass man für die Folie 12 eine
Legierung verwenden kann, die ein guter Kompromiss zwischen ihrer
thermischen Leitfähigkeit
und ihrer elektrischen Leitfähigkeit
ist.
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Die 13 und 14 stellen eine Variante der auf den 11 und 12 dargestellten Lösung dar. Das Kühlsystem 14 der 13 und 14 kombiniert die leitende Folie 12 und
das Kühlrohr 11 der 11 und 12 in einem einzigen Teil. Dieses System 14 kann zum
Beispiel aus Aluminiumprofil hergestellt sein.
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Die
obenstehende Beschreibung betrifft insbesondere einen linearen Synchronmotor,
aber die allgemeinen Prinzipien der Erfindung können natürlich auch auf einen Synchronrotationsmotor
angewendet werden.
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15 stellt schematisch und
teilweise einen Synchronrotationsmotor gemäss der vorliegenden Erfindung
dar, dessen Rotor 50 den Induktor 61 bildet. Dieser
Rotor 50 ist Dur sehr schematisch durch einen seine Peripherie
symbolisierenden Kreis und durch seine Welle 55 dargestellt
worden, aber er umfasst natürlich
auch eine Vielzahl von Permanentmagneten, die ähnlich wie die Magnete 8 des
Motors der 4 sind und
wie diese letzteren auf einer Rückflusssohle
aus einem ferromagnetischen Material angeordnet sind.
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Der
Stator des Motors der 15 bildet
seinen Anker 60 und umfasst ein Joch 1 und eine
Vielzahl von identischen Zähnen,
die abwechselnd mit den Bezugszeichen 51 und 51' bezeichnet
sind. In diesem Beispiel sind 12 solche Zähne 51, 51' vorhanden,
und sie haben alle ein erstes Ende, das mit dem Joch 1 verbunden
ist, und ein zweites Ende, das dem der ersten entgegengesetzt ist
und einen Zahnkopf 62 bildet, gegenüber dem Rotor 50 liegt.
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Die
Zähne 51, 51' sind regelmässig mit
einer Zahnteilung τn
angeordnet und begrenzen zwischen einander Taschen 2, in
welchen Spulen 52 und 53 untergebracht sind.
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Gemäss der Erfindung
haben die Zähne 51, 51' über ihre
ganze Höhe
H einen konstanten Querschnitt, und ihre Breite bd ist merklich
gleich der Breite bn, welche die Taschen 2 in Höhe der Zahnköpfe 62 aufweisen.
Mit anderen Worten ist das Verhältnis bn/τn ebenfalls
merklich gleich 0,5.
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Diese
Merkmale verleihen dem Rotationsmotor der 15 in Bezug auf die bekannten Motoren
von gleicher Art dieselben Vorteile wie diejenigen, die weiter oben
im Fall von linearen Motoren beschrieben worden sind. Insbesondere
das aus dem Vorhandensein der Taschen 2 resultierende globale Reluktanzmoment
Cr ist in einem Motor gemäss
der vorliegenden Erfindung viel geringer als in einem bekannten
Motor, wie dies aus den 3, 6 und 7 hervorgeht, die auch in diesem Fall
gültig
sind und in denen dieses Reluktanzmoment in Newton Meter ausgedrückt ist.
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Man
kann feststellen, dass dies, wenn die Zähne 51 und 51' einen konstanten
Querschnitt aufweisen, für
die Taschen 2 nicht mehr zutrifft, die sich erweitern,
je näher
man dem Joch 1 kommt, wobei diese Konfiguration umso deutlicher
wird, als der Durchmesser des Motors vermindert ist. Um den in der
Tasche zur Verfügung
gestellten Raum besser zu besetzen, wobei man sich stets die Idee
zunutze macht, im voraus die Spulen auf einer Schablone vorzuformen,
bereitet man eine Serie von Spulen mit rechteckigem Querschnitt 52 und
eine Serie von Spulen mit trapezförmigem Querschnitt 53 auf
einer unabhängigen
Spule mit rechteckigem Kern vor, dessen Querschnitt merklich gleich
dem Querschnitt der Zähne 51, 51' ist. Nachdem
man die Spulen von den Schablonen abgenommen hat, setzt man zuerst
jede der Spulen mit trapezförmigem
Querschnitt 53 auf einen der Zähne des Ankers 60,
wobei jeder zweite dieser Zähne
freigelassen wird. Im Beispiel der 15 werden
diese Spulen 53 auf die Zähne 51' gesetzt, wobei die Zähne 51 freigelassen
werden. Man setzt dann jede der Spulen mit rechteckigem Querschnitt 52 auf
die beim Anbringen der Spulen mit trapezförmigem Querschnitt 53 freigelassenen
Zähne,
d.h. im vorliegenden Beispiel auf die Zähne 51. Man füllt somit
bestmöglich
den in den Taschen 2 zur Verfügung stehenden Raum aus.
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Der
Raum 54, der nach dem Aufsetzen der Spulen 52 und 53 vorhanden
ist, kann verwendet werden, um darin ein Kühlsystem unterzubringen, zum
Beispiel eines der mit Hilfe der 10 bis 14 beschriebenen Systeme.
Es ist jedoch selbstverständlich,
dass für
viele Motoren einzig Spulen mit rechteckigem Querschnitt eingesetzt
werden, insbesondere für
die Motoren mit grossem Durchmesser.