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Hysteresis-Motor Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
elektrischen :Motor, und zwar insbesondere auf einen Hysteresis-Motor. Wenn ein
Rotor aus ferromagnetischem Werkstoff in einem umlaufenden Feld angeordnet ist,
so entsteht ein Hysteresisdrehmoment T, welches proportional der Fläche der Hysteresiskurve
ist. Dabei wird unter einem Hysteresis-Motor ein solcher verstanden, bei welchem
der Rotor einem umlaufenden Feld unterworfen ist und nicht mit irgendwelchen Wicklungen
(Käfiganker od. dgl.) versehen ist und auch zweckmäßig nicht mit vorspringenden
Polen.
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In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausführungsform eines derartigen
Motors dargestellt, und zwar ist Fig. r ein Diagramm, das die augenblickliche Stärke
von Teilpolen eines mehrpoligen und mehrphasigen -Stators zeigt; Fig. 2 ist eine
schaubildliche Ansicht der Anordnung des Rotors und des Stators eines Hysteresis-Motors
gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 ist ein Längsschnitt eines zweipoligen
Dreiphasen-Hysteresis-Motors, und Fig. 4 ist ein Querschnitt nach der Linie 4-4
der Fig. 3 ; Fig. 5 zeigt das Diagramm einer Statorwicklung für den Motor nach den
Fig. 3 und 4.
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Bei einem tatsächlich umlaufenden Feld, beispielsweise einem Feld,
das durch mechanischen Umlauf eines feststehenden Feldes erzeugt wird, ist die Verteilung
des
Feldes von geringer Wichtigkeit; wenn aber (las umlaufende Feld erzeugt wird durch
einen feststehenden geschlitzten Stator, der Mehrpliasenwicklungen trägt, so müssen
scharfe Beschränkungen durch die besondere Verteilung der Statorpole vorgenommen
werden. Denn selbst wenn die Wicklungen sinusartig verteilt sind und die Ströme
einfach harmonisch sind, so werden die Pole unterbrochen oder diskontinuierlich
infolge des Vorhandenseins der Statorschlitze, wie in Fig. i dargestellt, welche
zeigt, daß der Statorpol als Ganzes durch eine .Sinuslinie dargestellt wird, die
in eine Anzahl von Teilpolen C aufgebrochen ist.
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Unter diesen Bedingungen ist ein Rotor, der svnchron mit dem umlaufenden
Feld umläuft, den feststehenden örtlichen Polen unterworfen, die den Teilpolen C
des Stators entgegengesetzt sind, wobei jeder der Teilpole natürlich harmonisch
sich ändert. Da die örtlichen Pole, die in dem Rotor induziert werden, im Verhältnis
zum Stator feststehen, so wandern sie in dem Rotor rückwärts mit der Drehgeschwindigkeit
und erzeugen daher eine stark bremsende Hysteresiswirkung, welche das durch das
'umlaufende Feld entstehende Antriebsmoment neutralisieren kann.
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Diese bremsende Wirkung wird durch die «'iibelstromwirkung eines jeden
Teilpoles vermehrt, welcher feststeht, jedoch mit der Zeit sich ändert. Es ist klar,
(laß die Wirbelstrombremsung vermindert werden kann durch Lamellierung des Rotors,
jedoch ist dies kostspielig und vermindert nicht die obenerwähnte Hysteresisbr emswirkung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die räumlich unterbrochene Wirkung
der Erregung in einem Hysteresis-Motor, der einen Mehrphasenstator besitzt, sehr
wirksam geglättet werden, indem man die Teilpole des Stators durch eine Hülse von
ferromagnetischem Werksioff überbrückt. Diese Hülse kann eine wirkliche zylindrische
Hülse sein, die an dem Stator befestigt ist, und zwar zwischen (lern Stator und
dem Rotor, oder die Hülse kann als eine ununterbrochene innere zylindrische Wand
in dem Stator angebracht werden. Somit besteht die Erfindung in einem Hysteresis-Motor,
der in Kombination einen glatten zylindrischen Rotor von ferromagnetischem Werkstoff
hoher Koerzitivkraft, der keine Wicklungen hat, und einem lamellierten zylindrischen
Stator, welcher Zwei- oder Mehrphasenwicklungen besitzt, die über eine Mehrzahl
von Schlitzen verteilt sind, wobei diese Schlitze nahe dem Luftspalt durch eine
Hülse von ferromagnetischem Werkstoff überbrückt sind; dabei kann die Hülse aus
einem Stück mit dem Werkstoff, der die Statorzähne bildet, bestehen oder auch besonders
angebracht sein.
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Ein Beispiel eines Hysteresis-Nlotors nach der Erfindung ist in Fig.
2 dargestellt, und zwar besteht der Rotor des Motors aus einer vollen zylindrischen
Hülse 12 von ferromagnetischem Werkstoff hoher Koerzitivkraft, und der Stator ist
ein rohrartiger Körper auch von ferromagnetischem Werkstoff, der einen dünnen ununterbrochenen
inneren Zylinder 13 besitzt und in gleichen Abständen eine Anzahl von etwa zwölf
radialen Stegen 14, zwischen denen Schlitze 15 vorhanden sind, in denen die Zweiphasen-
oder Dreiphasenwicklungen liegen und die durch einen Mantel 16 umschlossen sind.
Zweckmäßig sind der Stator 13, 14 und die Hülse 16 lamelliert, um Wirbelströme zu
vermindern. Zwischen dein Rotor 12 und dem inneren ,Zylinder 13 des Stators ist
ein kleiner Luftspalt 18.
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Wenn der Motor von einetn Einphasenstrom betrieben wird, so ist es
notwendig, einen Kondensor oder einen stromteilenden Transformator zu benutzen,
um den Einphasenstrom in einen llehrphasenstrom zu verwandeln.
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Das bloße Anordnen von Abschirinungsringen auf einigen der Pole des
Stators genügt nicht für die Durchführung-'der Erfindung, denn dieses ist ungenügend,
um ein beständig umlaufendes Feld zu erhalten, selbst mit Hilfe der L`berbrückungshülse.
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Gemäß den F ig. 3, 4 und 5 ist der Stator aus Blechen von ferromagnetischem
Werkstoff hoher Permeabilität und von verhältnismäßig geringer Koerzitivkraft, und
er ist ausgeführt in Gestalt eines rohrartigen Körpers, der einen ununterbrochene»
inneren Zylinder oder Hülse 13 besitzt, von welcher eine Anzahl von Stegen 14 radial
ausgehen. Die Dreiphasenwicklungen sind in die Schlitze 15 zwischen den Stegen eingesetzt
und stehen im Abstand, wie aus Fig.5 ersichtlich ist, um ein umlaufendes Feld zu
erzeugen. Der Kraftlinienfluß wird über eine äußere Hülse 16 geschlossen, die auch
aus geeigneten Blechen 24 aufgebaut ist. Die äußeren Bleche 24 werden durch ein
Netz 23 zusammengehalten. Die inneren Bleche 25, die die Teile 13 und 14 bilden,
werden durch geeignete Klebemittel zusammengehalten und sind in die äußeren Bleche
hineingedrückt. Die Platten 17 an den Kernenden sind aus isolierendem Werkstoff
hergestellt und dienen dazu, die Wicklungen zu schützen.
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Es ist ersichtlich, (laß der Stator sich von dein gewöhnlichen Stator
dadurch unterscheidet, daß die Wicklungen in die Nuten von außen eingesetzt sind
anstatt von innen. Dies hat nicht nur eine Vereinfachung des Wickelns der Windungen
zur Folge, sondern ist auch durch die Anordnung der inneren Hülse 13 erforderlich,
deren Zweck noch auseinandergesetzt werden wird.
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Der Rotor besteht aus einer Hülse 12 von ferromagnetischem Werkstoff
hoher Koerzitivkraft, z. B. 25o. Diese Hülse 12 ist an einer Welle ii befestigt,
die in Kugellagern innerhalb der inneren Hülse 13 des Stators und gleichachsig mit
ihr drehbar ist. Der Luftspalt 18 zwischen den Hülsen 12 und 13 beträgt etwa
0,0127 cm.
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Der Stator und die Lager sind in einem Gehäuse i9 untergebracht, das
mit einer Endkappe 20 versehen ist, die ein Schaltbrett 21 für die Klemmen 22 der
Stromzuführung umschließt.
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Indem die Hülse 13 die Stator-Teilpole überbrückt, dient sie dazu,
das umlaufende Feld im wesentlichen gleichförmig zu gestalten, d. 1i. zu verhindern,
daß keine überlagerten, räumlich stationären Komponenten entstehen.
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Ein Motor nach den Fig. 3, 4 und 5 wird als Beispiel wie folgt beschrieben
| Rotor-Material: 35 % Kobalt-Magnetstahl, ganz gehärtet |
| Innerer Durchmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o,655 cm, |
| o,972 cm für 0;0i27 cm Luftspalt, |
| Fertiger äußerer Durchmesser. . . .................................
{ 0978 cm für 0,0102 cm Luftspalt, |
| Länge .............................:...........................
2,16 cm, |
| Luftspalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,0127 cm oder o,oio2
cm, |
| Äußerer Durchmesser des Statoreisens (hergestellt aus einer
Eisen- |
| legierung, enthaltend 3,5 bis 4,0% Silicium und o,1 biso,2
% Aluminium) 3,55 cm, |
| Innere Bleche........................ ...................................................
2,54 cm, |
| Durchmesser des Mantels . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,22 cm, |
| Stärke der Hülse 13 ............................................
0,034 cm, |
| Kleinster Querschnitt der Statorstege 14 . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 0,155 x 2 = 0,310 qcm, |
| Querschnitt des Ringes 24 |
| a) lamellierter Teil (ohne Gehäuse) . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,3175 x 2,o82 = o,660 qcm, |
| b) insgesamt, einschließlich Gehäuse . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,343 X 2,082 = 0,715 qcm, |
| Gesamtdurchmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,45 cm, |
| Klemmenspannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 V/Strom 0,455 Amp., |
| Synchrones Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 g/cm (2400o UPM), |
| Eintrittswatt...................................................
22, |
| Austrittswatt...................................................
12,5, |
| Wirkungsgrad ..................................................
57 %, |
| Wicklungen: 12 Spulen, jede Spule enthält 65 Windungen. |
Obwohl die Erfindung vorstehend für einen Motor mit innerem Rotor beschrieben ist,
so ist sie auch in gleicher Weise für einen Motor verwendbar, der einen äußeren
Rotor besitzt, so beispielsweise wie er für ein Kreiselgerät gebraucht wird, um
ein maximales Trägheitsmoment zu erhalten.
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Ein Motor nach der Erfindung besitzt die folgenden wünschenswerten
Eigenschaften: a) Er entwickelt volles Drehmoment bei einer Geschwindigkeit, deren
Konstanz nur beschränkt ist durch die Konstanz der Stromfrequenz.
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b) Er entwickelt volles Drehmoment ohne wesentlichen Verlust an Wirkungsgrad
im Rotor und daher mit sehr hohem Gesamtwirkungsgrad, wenn er mit einem entsprechenden
Stator versehen ist.
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c) Das Anlaßmoment und das Laufmoment sind im wesentlichen gleich
dem vollen Lastmoment.
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d) Der Rotor erfordert nicht eine Lamellierung oder eine Zusammensetzung
in irgendeiner Weise und kann daher außerordentlich billig hergestellt werden.
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e) Der Stator ist bei einer kleinen Maschine viel billiger herzustellen
als bei einer :Maschine mit einem im Inneren geschlitzten Stator, da die Statorbleche
durch eine plastische Vergießung zusammengehalten werden können, und vorher gewickelte
Spulen können leichter von außen eingesetzt werden, bevor der Stator 13, 14, 15
in die äußere Hülse 16 eingesetzt wird. Somit ist das schwierige Verfahren des Einsetzens
der Spulen durch eine kleine Statoröffnung vollständig vermieden, wie in dem Falle
eines Stators, der im Inneren des Rotors sitzt, aber ohne die entsprechenden Beschränkungen
des Stator-Kupfer-Zwischenraumes.
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f) Ein sehr großes Drehmoment kann von einem sehr leichten Rotor erhalten
werden, indem man einen Werkstoff von hoher Koerzitivkraft benutzt, und das Material
kann sehr dicht an der Achse angebracht werden mit dem Ergebnis, daß eine außerordentlich
schnelle Beschleunigung erfolgt. Beispielsweise kann eine Maschine, die 20 Watt
liefert bei 12 000 Umdrehungen in der Minute. und einem Strom von 400 Perioden/Sek.,
ihre volle Geschwindigkeit erreichen in einer Größenordnung von ioo Tausendstelsekunden.
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Bei den beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen
ist der Rotor innerhalb des Stators angeordnet; und der ununterbrochene Zylinder
ist auf der Innenseite des Stators dargestellt. Es ist klar, daß durch geeignete
Änderungen der Rotor außerhalb des Stators angeordnet werden kann.
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Bei einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung werden ein äußerer
Rotor und ein innerer Mehrfachstator mit Mehrphasenwicklungen und den Teilpolen
des Stators überbrückt durch Wicklungen in der Längsrichtung aus magnetischem Material,
wie Draht oder Streifen, um den Stator herum, so daß die Statorschlitze geschlossen
werden, int welchen die Statorwicklungen liegen.
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Bei einer Abänderung des Hysteresis-Motors für ein Kreiselgerät hat
der Rotor eine zylindrische Hülse von ferromagnetischem Werkstoff hoher Koerzitivkraft,
die ein Messingband trägt, das den Rotor des Kreiselgerätes darstellt. Der Stator
liegt in dieser Hülse und wird aus Blechen von einem Werkstoff geringer Koerzitivkraft
gebildet. Der Stator ist mit einer Anzahl äußerer Schlitze versehen, etwa deren
zwölf; in welchen eine Dreiphasenwicklung eingesetzt ist. Diese in Schlitze werden
dadurch geschlossen, daß man Eisendraht rund um den Stator wickelt, um eine Hülse
von magnetischem Material herzustellen, die die Teilpole zu dem oben angegebenen
Zweck überbrückt. Die Herstellung der Hülse aus Draht hat den zusätzlichen Vorteil,
die Wirbelstromverluste im Stator zu vermindern.