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Hysteresemotor Es sind bereits Synchronmotoren bekannt, deren Läufer
aus zwei Eisensorten mit verschiedenen magnetischen Eigenschaften bestehen. Diese
Synchronmotoren verdanken ihre Entstehung der Erkenntnis, daß das Synchronisiermoment
-etwa proportional der Hysteresekonstante des Materials ist, während das Anlaufmoment
mit der Permeabilität ansteigt. Da man somit immer ein Kompromiß, zwischen Synchronisier-
und Anlaufmoment machen muß, so kann bei den bekannten Motoren der Nachteil dadurch
beseitigt werden, daß man den Läufer aus zwei Ringern. herstellt, die verschiedene
magnetische Eigenschaften haben. Der eine Ring dient zur Erzeugung eines hohen Synchronisiermomentes,
während der andere Ring ein gutes Anlaufmoment hervorruft.
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Erfindungsgemäß soll nun das Drehmoment von Motoren, die teilweise
oder ganz nach dem - Hystereseprinzip arbeiten, durch den besonderen mechanischen
Aufbau des Läufers, der ebenfalls aus zwei Eisensorten von verschiedenen 'magnetischen
Eigenschaften besteht, verbessert werden. Der Läufer soll einen zylindrischen Kern
aus magnetisch gut leitendem Material haben und von einer Hülse, die hohe Hystereseverluste
verursacht und nur schwer magnetisiert werden kann, umgeben sein.
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Bei den Hysteresemotoren der früheren Art wird der Läufer aus Hysteresematerial
hergestellt. Es ist bekannt, daß der Flu3
zwischen den Ständerpolen
durch das Läufermaterial im allgemeinen in Richtung der Peripherie geht. Um das
größte Drehmoment für ein bestimmtes Material in einem solchen Läufer zu erreichen,
muß die Flußdichte sehr hoch sein. Aus diesem Grunde wird das Material aus dem Inneren
des Läufers soweit wie möglich entfernt, um die Flußdichte an der Peripherie zu
,vergrößern. Damit nun ein großer Fluß durch den relativ langen Weg des Läufermaterials
geleitet werden kann, muß ein Stahl benutzt werden, der leicht magnetisiert werden
kann. Ein solcher Stahl verursacht -aber nicht die höchsten Hystereseverluste. Deshalb
wird erfindungsgemäß eine Läuferkonstruktion vorgesehen, die hohe Hystereseverluste
ergibt, so daß das Drehmoment verbessert wird. Außerdem können durch den Vorschlag
der Erfindung bei Läufern, die Wicklungen in ihren Nuten haben, die Nutengeräusche
vermindert werden.
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Die Erfindung wird in den Abbildungen beispielsweise veranschaulicht.
Fig. i zeigt einen Teilschnitt eines Hysteresemotors; Fig. a stellt eine Kombination
eines Hysteresemotors mit einem Kurzschlußläufermotor dar; Fig.3 zeigt die Hystereseschleife
von Wolframstahl und einer Legierung aus Eisen, Nikkel und Aluminium; Fig. 4 stellt
eine Läuferkonstruktion der früheren Art mit offenen Nuten dar; in Fig.5 sind einige
Verbesserungen zu sehen, die erfindungsgemäß gegenüber Fig. 4. möglich sind; Fig.
6 zeigt eine einfache Hysteresedrehmomentkupplung, bei der das allgemeine Prinzip
der Erfindung angewandt ist.
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In Fig. i ist ein vierpoliger Motor mit einem Hystereseläufer zu sehen.
Der Ständer besteht aus der gewöhnlichen Konstruktion und enthält den lamellierten
magnetischen Ständerbau I0, der nach innen vorspringende Spaltpole i i mit abschirmenden
Bändern 12 an den Austrittsteilen der Spaltpolstücke hat. Eine Einphasenwicklung,
bestehend aus den Spulen 13, ist um die Polstücke gewickelt und so geschaltet, daß
abwechselnd Nord- und Südpole an den vier Polstücken entstehen. Der Fluß dringt
durch den Läufer gemäß den punktierten Linien. Somit wird ein vierpoliges Wechsel-
oder Drehfeld hervorgerufen.
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Der Läufer besteht aus einer äußeren Hülse i .i von Material mit hohem
Hystereseverlust, das relativ schwer zu magnetisieren ist, aber eine hohe Koerzitivkraft
hat, z. B. 4oo Gilbert/cm. Eine Legierung, die aus 10 bis 12 % Aluminium, 2o % Nickel
und im übrigen aus Eisen besteht, ist für die Hülse 14 geeignet. Es kann jedoch
auch anderes Material benutzt werden. Im allgemeinen ist ein Dauermagnetmaterial,
welches die höchsten Hystereseverluste hat, am schwierigsten zu magnetisieren, und
die radiale Dicke der Hülse 14 hängt von den Charakteristiken des gebrauchten Materials
ab. Die äußere zylindrische Hülse 14 ist an dem inneren zylindrischen Kernteil 15
von guter magnetischer Leitfähigkeit befestigt, der zunächst für die Leitung des
Läuferflusses in Richtung der Peripherie zwischen den Polstücken dient. Der Kern
15 kann aus Material bestehen, das mäßige Hystereseverluste hat.
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Die Frage, ob der Läuferkern 15 lamelliert oder nichtlamelliert ausgeführt
werden soll, wird durch folgende Überlegungen beantwortet. Wenn ein Material von
relativ geringem Widerstand benutzt wird und der Motor hauptsächlich im oder dicht
beim Synchronismus arbeiten soll, wobei Wirbelströme im Läufer im allgemeinen unerwünscht
sind. wird man vorteilhaft den Läuferkern 15 lamellieren. Wenn der Motor aber häufig
angelassen wird oder für hohen Schlupfbetrieb benötigt wird, werden die Wirbelströme
das Drehmoment vergrößern und den Fluß durch den Läufer nicht unterdrücken. In diesem
Falle braucht der Kern 15 nicht lamelliert werden. Bei kleinen Motoren kann das
Kernmaterial an die Welle angrenzen. Bei größeren Motoren wird an Kernmaterial gespart,
wenn dasselbe an einem Armsystem. wie die Fig. i es zeigt, befestigt wird. Wenn
ein Läuferkernmaterial, z. B. Wolframstahl, benutzt wird, das hohe Hystereseverluste
hat, aber auch eine hinreichend gute Flußleitfähigkeit besitzt, um den Fluß durch
die äußere Hülse und zwischen die Polstücke zu leiten, wird das Armsystem vorteilhaft
aus nichtmagnetischem Material hergestellt, um die Flußdichte im Kern 15 zu erhöhen
und sich den größtmöglichen Hystereseverlust zunutze zu machen wie bei den früheren
Hystereseläufern, die keine ,äußere Hülse 14 hatten.
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Bei den früheren Hysteresemotoren wurde gewöhnlich ein relativ großer
Luftspalt vorgesehen. Erfindungsgemäß, kann die äußere Hülse 14 diesen bis zu einem
gewissen Betrag ersetzen, so daß der wirkliche Luftspalt vorteilhaft verkleinert
wird. Es wird also ein hohes Hysteresedrehmoment durch die Hülse 14 erreicht und
gleichzeitig der magnetische Widerstand verringert. Der Hauptzweck des Kernes 15
besteht darin, einen hinreichend guten Weg für den Fluß zwischen den Polstücken
zu bilden. Wenn die Hülse 14 genügend dick ausgeführt wird, um eine befriedigende
Durchdringung des Flusses durch den Kern 15 zu verhüten, ist es besser, für den
Kern 15 ein Material, z. B. Siliciumstahl, :u benutzen; das eine gute Flußleitfähigkeit
hat, um die Flußdichte in dem hohen Hysteesematerial der Hülse 14 zu erhöhen.
Die
Arten der Materialverbindungen werden sich mit Rücksicht auf die verschiedenen magnetischen
Eigenschaften und die gewünschten Motorcharakteristiken ändern. Im allgemeinen kann
gesagt werden, daß. die Länge des Läuferflußweges in dem Material mit hohem Hystereseverlust
relativ kurz ist.
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Um -die magnetischen Eigenschaften der verschiedenen Materialien,
die in der Verbendung benutzt werden können, zu erläutern, wird auf die Kurven der
Fig.3 verwiesen, die die oberen Hälften der charakteristischen Hysteresisschleifen
von Wolframstahl (Kurve a) und der obenerwähnten Legierung (Kurve b) zeigen. Die
Ordinate stellt die Flußdichte (Induktion) in Gauß und die Abszisse die Feldstärke
in Gilbert/cm dar. Die Feldstärke von Wolframstahl wurde, um die Kurve a zu erhalten,
auf den Wert von I000 Gilbert/cm gebracht, wobei die Flußdichte 17 65o Gauß erreichte.
Die Feldstärke der Legierung wurde auf den Wert von. 2ooo Gilbert/cm gebracht, um
die Kurve b zu erhalten, wobei die Flußdichte nur 12 25o Gauß erreichte. Die Kurven
zeigen also, daß Wolframstahl leichter zu magnetisieren ist als die Legierung. Bei
I000 Gilbert/cm beträgt die durchschnittliche Flußdichte der Legierung etwa die
Hälfte der Flußdichte von Wolframstahl; die Legierung wird also einen viel größeren
Hystereseverlust hervorrufen.
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Es soll angenommen werden, daß in Fig. i die äußere Hülse i q. aus
einer Materiallegierung besteht, die -die Charakteristik der Kurve b (Feg. 3) ergibt,
und daß der Kern 15 aus Wolframstahl (Kurve a, Fig.3) hergestellt ist. - Wenn der
Läufer (Feg. i) ,ganz aus der Legierung bestehen würde, würde die Flußdichte zwischen
den Polstücken und dem Läufer bei einer bestimmten Feldstärke wesentlich geringer
sein. Der Vorteil, der sich bei Benutzung von Material mit hohem Hystereseverlust
ergibt, würde durch den geringeren Fluß beseitigt. Wenn andererseits der Läufer
ganz aus Wolframstahl hergestellt wäre, würde die Flußdichte im Läufer nur unbedeutend
anwachsen, da die größere Strecke des Flußweges schon aus Wolframstahl besteht;
auch die Hystereseverluste uvurden kleiner. Bei einer Kombination von Material mit
hohem Hystereseverlust i q. mit magnetisch gut leitendem Material 15 kann eine relativ
hohe Läuferflußdichte in beiden Materialien erreicht werden. Außerdem entstehen
hohe Hystereseverluste und dementsprechend ein Hysteresedrehmoment, das im Gegensatz
zu den früheren Hysteresemotoren mit - dem weiten Luftspalt viel größer ist. Die
äußere Hülse i ¢ verkleinert nicht den Läuferfluß, da sie eine bessere magnetische
Leitfähigkeit als der Luftspalt hat. Der Luftspalt zwischen Hülse 14 und den Polstücken
ist so klein wie möglich zu machen.
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Der oben beschriebene Hysteresemotor kann als ein Synchronmotor gemäß
dem Prinzip der magnetischen Remanenz angesehen werden, da die äußere Hülse mehr
oder weniger dauernd magnetisiert wird und auf ihrer Peripherie Nord- und Südpole
entstehen, wodurch synchrone Drehzahlen erreicht werden können. Die Fig.2 und 5
zeigen eine andere Einrichtung, bei der der Läufer eine Kurzschlußwicklung besitzt.
Der Ständer hat eine Wicklung 16, die in Nuten 17 eingelegt ist. Der Läufer hat
eine Hülse 18 aus Material mit hohem Hystereseverlust (Kurve b, Fig. q.), die etwas
dünner. als in Fig. i ausgeführt ist, einen inneren Kern i 9 von guter magnetischer
Leitfähigkeit, z. B. Siliciumstahl, und eine Kurzschlußwicklung mit den Stäben 2o
in den Nuten 2 i und den Endringen 22. Die Hülse 18 hat dieselbe Aufgabe zu erfüllen
wie in Fig. i die Hülse 1q.. Außerdem werden aber noch andere Vorteile in mechanischer
und magnetischer Hinsicht erreicht. Die Kurzschlußwicklung ist gegen die Zentrifugalkraft
besser geschützt, und es können offene Nuten gewählt werden, die leichter gestanzt
werden und eine bessere Montage der Kurzschlußwicklung ermöglichen. Trotzdem werden
dieselben Vorteile wie bei teilweise oder ganz geschlossenen Nuten erzielt, d. h.
die Nutengeräusche werden vermindert.
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Die Entstehung der Nutengeräusche bei offenen oder teilweise geschlossenen
Nuten ist bekannt. Um die Geräusche zu beseitigen, werden manchmal ganz geschlossene
Nuten gewählt,die jedoch den Nachteil haben, daß sie teilweise in Hinsicht auf die
Läuferwicklung wegen der guten Leitfähigkeit des Materials einen magnetischen Kurzschluß
bilden. Dadurch, daß, -die Hülse 18 von hoher Hysteresis, aber relativ schlechter
magnetischer Leitfähigkeit die offenen Läufernuten umgibt (s. Fig.2 und 5), werden
die Geräusche vermindert, ohne daß ein magnetischer Kurzschluß auftritt. Die Drehmomente,
hervorgerufen durch die Hysteresis und die Induktion der Läuferwieklung vereinigen
sich zu einem hohen Motordrehmoment. Die Hülse kann um den Läufer gegossen oder
getrennt hergestellt und dann warm auf den Kern i g aufgezogen oder auf andere Weise
hergestellt werden. Wenn der Läufer eine Wicklung erhält, ist es besser, zunächst
die Hülse auf den Kern zu setzen und dann erst die Wicklungsstäbe in die Nuten zu
legen, damit eine stabile Läuferkonstruktion erreicht wird.
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Fig. 6 zeigt eine sehr einfache Hysteresiskupplung. Ein magnetisches
Feld wird durch
das Glied 24., das aus einem Stabmagneten an der
Welle 25 besteht, erzeugt. Ein Kern 26 aus Eisen ist an der Welle 27 befestigt
und wird von dem Fluß, des Stabmagneten durchüossen. Zwischen dem Kern 26 und dem
Magneten 24 befindet sich ein dünner schalenförmiger Teil 28 aus Material
von hoher Hysteresis. Kern 26 erzeugt einen hohen Fluß durch das Material
28, so daß ein großes Hysteresedrehmoment entsteht, wenn eine relative Drehung
zwischen Kern und Magnetfeld erfolgt. Kern 26 ist mit Teil 28 fest verbunden.