-
Synchronkleinmotor mit einem Läufer nach dem Hysteresisprinzip Die
Erfindung betrifft einen kleinen Synchronmotor, der vorzugsweise nur einige wenige
Watt Leistungsaufnahme hat und mit einem Läufer nach dem sogenannten Hysteresisprinzip
arbeitet. Er eignet sich als Zeitwerksantrieb und kann wegen seines kleinen Raumbedarfs
bequem in Tarifzähler und andere Tarifapparate eingebaut werden.
-
Die Erfindung geht von folgender Erkenntnis aus: Bei den bisher bekannten
Hysteresismotoren ist der mit..Hysteresis arbeitende Teil viel zu stark bemessen.
Über die richtige Bemessung dieses Teils hat man sich bisher keine besonderen Gedanken
gemacht, jedoch hat man erkannt, daß zwecks Erleichterung und Beschleunigung des
Selbstanlaufes der aus Stahl bestehende Läufer eines derartigen Motors ein verhältnismäßig
kleines Trägheitsmoment haben soll, damit er beim Einschalten des Motors möglichst
rasch dem Drehfeld des Ständers folgen kann. Es ist auch bereits bekannt, daß durch
eine verhältnismäßig dünnwandige Ausführung topfförmiger Läufer das Drehmoment des
Motors erhöht wird. Nach anderen Veröffentlichungen soll der Läuferquerschnitt so
bemessen werden, daß sich eine möglichst hohe Flußdichte ergibt, die aber noch unter
dem Sättigungswert des Läufermaterials liegen soll.
Vom magnetischen
Standpunkt aus betrachtet, gibt es für den Hysteresisteil des Motors zwei Grenzfälle,
bei denen ungünstige Verhältnisse, insbesondere kleine Drehmomente, auftreten. Macht
man den Hysteresisteil des Motors zu dick, d. h. den Querschnitt zu groß, dann wird
der größere Teil der Stator-'"vIMK aufgebracht, um den Magnetfluß durch den Luftspalt
zwischen Ständer und Läufer durchzutreiben. Man erhält dadurch eine geringe Flußdichte
im Hysteresisteil, die geringe H5 steresisverluste und infolgedessen auch ein geringes
Drehmoment ergibt. Macht man andererseits den Hysteresisteil sehr dünn, dann wird
der größere Anteil der Stator-MMK im Hysteresisteil aufgebracht. In diesem Teil
ergeben sich sodann zwar eine hohe Flußdichte und j eV olumeneinheit dieses Teils
große Hy steresisverluste, aber nur ein kleines Drehmoment, da der Hysteresisteil
nur ein kleines Volumen, also nur eine geringe magnetische Masse hat.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den zwischen diesen
Grenzwerten liegenden Bestwert des Drehmomentes beim Entwurf derartiger Motoren
durch geeignete Wahl der verschiedenen, hierfür maßgebenden Betriebsgrößen zu erfassen.
-
Ist eine bestimmte Statortype gegeben, dann liegen auch die Polverhältnisse
fest, während der Luftspalt, die MMK und der Querschnitt des den Läufer bildenden
Hysteresisteils unabhängig voneinander geändert werden können. Nimmt man an, daß
eine gewisse Flußdichte oder ein Maximum an Energieverlusten im Hysteresisteil die
besten Verhältnisse ergibt, so sind die Hysteresisverluste proportional dem Volumen
des den aktiven Läuferteil bildenden Hysteresisteils. Der durch den Hysteresisteil
hindurchgehende Fluß ist um so größer, je größer der Querschnitt des Hysteresisteils
ist; dieser Querschnitt ist also proportional dem Fluß des Hysteresisteils. Die
Länge des Flußpfades im Hy steresisteil ist nach bekannten Gesetzen proportional
der MMK, die erforderlich ist, um den Fluß durch diesen Pfad hindurchzutreiben.
Infolgedessen ist das Volumen des Hysteresisteils abhängig von dem Produkt aus dem
durch ihn hindurchgehenden Fluß und der MMK, die erforderlich ist, diesen Fluß durch
den Hysteresisteil hindurchzutreiben.
-
Es sei beispielsweise zp" (vgl. Fig. i) die Polteilung des Ständers
S, also der Abstand zwischen zwc-i aufeinanderfolgenden Hauptpolen verschiedener
Polarität. zp ist also nicht der Abstand aufeinanderfolgender Polzacken des gleichen
Hauptpols. Die gleiche Polteilung hat der Hysteresisteil L des Läufers. Ferner sei
d die Dicke, b die Breite des Hysteresisteils L,
l sei die Luftspaltlänge,
q') der den Teil L durchsetzende Fluß, li die Permeabilität des Teils L.
Unter dieser Voraussetzung ist die die erforderlich ist, um den Fluß 0 durch den
Teil L hindurchzutreiben:
Der Fluß (P muß den Luftspalt zwischen dem Teil S und L zweimal durchsetzen. Die
"I?ITKz, die erforderlich ist, um den Fluß 0 durch den Luftspalt (Fläche
je Pol vorausgesetzt) hindurchzutreiben, ergibt sich infolgedessen zu:
Macht man diese beiden MMK einander gleich, also
so ergibt sich daraus die Dicke des Hysteresisteils L zu
Für hoch kohlenstoffhaltigen, glasharten Stahl ist ,li ungefähr gleich 120; daraus
ergibt sich
Das Optimum des Drehmomentes ergibt sich, wenn die MMK für den Luftspalt gleich
der MMK für den Hysteresisteil ist. Der optimale Bereich des Drehmomentes liegt
dort, wo die beiden MMK etwa gleich sind. Die MMK dürfen sich nach oben und unten
um 3/,o ihres Wertes ändern, ohne daß man aus dem optimalen Bereich herauskommt.
-
Nachdem das optimale Verhältnis der beiden MMK festgestellt ist, sollen
auch die Bedingungen für den günstigsten Absolutwert der MMK untersucht werden.
-
Um die beste Wirkung zu erhalten, läßt man den Hysteresisteil L im
Bereich maximaler Wirksamkeit arbeiten. Dieser Bereich fällt mit dem Bereich maximaler
Permeabilität zusammen. Oberhalb dieses Bereiches würde eine Steigerung der MMK
nur einen kleinen Zuwachs des Flusses bewirken. Der günstigste Wert für die MMK
läßt sich also jeweils leicht aus der Permeabilitätskurve des Hysteresisteils ableiten.
-
Die Verhältnisse sollen noch näher an Hand eines Zahlenbeispiels erläutert
werden. Bei dem praktisch ausgeführten, in den Fig.2 bis dargestellten Motor beträgt
die Leistungsaufnahme i,i Watt bei 115 Volt. Die Luftspaltlänge l ist
0,5 mm, die Polteilung -r, 9 mm, die Dicke d des Teils L ist
0,3 mm, also überraschend klein. Daraus ergibt sich ein Produkt
d
L = 0,3 - 0,5 mm = 0,15 mm2, das kleiner ist als
Bei den obigen Ausführungen ist der magnetische Widerstand im Ständereisen, das
aus magnetisch weichem Material, insbesondere Weicheisen oder hoch permeablem Material
mit geringen Verlusten besteht, vernachlässigt; soll er berücksichtigt werden, -so
ist die zu seiner Überwindung erforderliche MMK als Korrektionsgröße bei der MMK
für den Luftspalt in Rechnung zu setzen.
-
Die Fig. 2 bis q. zeigen eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
eines derartigen Motors, und zwar ist der Motor in den Fig. 2 und 3 im vergrößerten
Maßstab dargestellt und je zur Hälfte im Schnitt gezeigt, während in Fig. q. die
einzelnen Motorteile in axialer Richtung auseinandergezogen sind. q. ist der Ständer,
der die Form der sogenannten Klauentype hat, 5 ist der Läufer. Dieser besteht in
bekannter Weise hauptsächlich aus einem für die Drehmomentsbildung praktisch unwirksamen
Tragteil 23 und aus einem Hysteresisteil32. Der Tragteil 23 besteht
aus unmagnetischem Material, insbesondere aus Metall, vorzugsweise Leichtmetall,
wie Aluminium, während der aktive Teil 32 aus einem verhältnismäßig dünnen,
magnetischen Material mit hohen Hysteresist% erlusten besteht.
-
In an sich bekannter Weise hat der Teil32 an einem Punkt 33 (Fig.
2) oder an mehreren Punkten eine magnetische Unsymmetrie, die während des synchronen
Laufens ein Schlüpfen des Läufers 5 gegenüber dem Drehfeld des Ständers q. verhütet.
-
Nach einer Besonderheit der Erfindung besteht der Hysteresistei132
aus einem dünnen Stahlbandstück, das in das Innere des Tragteils 23 eingelegt und
durch seine Federwirkung dort festgehalten ist. Erfindungsgemäß sind die Enden 33
(Fig. 2) des Stahlbandes nicht oder wenigstens nicht mit magnetisch leitendem Material
miteinander verbunden, um so die magnetische Unsymmetrie, die das Schlüpfen des
Läufers verhütet, zu erzielen.
-
Der Ständer besteht in bekannter Weise aus einem magnetischen Kernteil
6 mit Erregerwicklung 7 und aus vier gleichen magnetischen Klauenteilen 1i bis 1q.,
die paarweise zu verschiedenen Seiten der Teile 6 und 7 angeordnet sind. Die Teile
jeden Paares sind dabei durch einen Kupferriüg 17 bzw. 18 voneinander getrennt.
-
Die Kupferringe 17, 18 bewirken in bekannter Weise, daß der Fluß der
Polzinken 1612 des Teils 12 gegenüber dem Fluß der Polzinken 1611 des Teils i1 um
etwa 5o° elektrisch oder mehr nacheilt.
-
Nach dem Ineinanderschieben der einzelnen Teile sind die einzelnen
Polzinken der Teile 11 bis 1q., wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, derart gegeneinander
versetzt, daß sich für den Läufer 5 ein möglichst gleichmäßiges Drehfeld ergibt.
In dem Magnetkern 6 ist das Lager 8 für die Welle 24 des Läufers 5 befestigt.
-
Die vorstehenden Angaben betreffen nur Synchronkleinmotoren mit Hysteresisläufer
und mit einer Leistungsaufnahme von nur einigen Watt, also Kleinmotoren, wie sie
für den Antrieb von Uhren, Tarifwerken usw. in Frage kommen. Für große Synchronmaschinen
war es an sich bekannt, daß gewisse Abhängigkeiten des Höchstdrehmomentes von der
Größe des Luftspalts bestehen, aber bei diesen Maschinen liegen die Verhältnisse
so grundsätzlich anders, daß sie sich nicht ohne weiteres auf die genannten Kleinmotoren
übertragen lassen. Auch fehlt bei den großen Maschinen der sogenannte Hysteresisteil.