SE454636B - Sjelvstartande, tvapolig, enfas synkronmotor med en permanentmagnetisk rotor - Google Patents

Description

ru., 454 sas 2 polig, enfas synkronnotor av inledningsvis beskrivet slag, vilken är enkel och billig att framställa men som trots härav uppfyller kraven på en hög utgångs- effekt och en tillförlitlig start. För detta ändamål kännetecknas motorn enligt uppfinningen därav att rotorn är gjord av ett plastbundet, anisotropt magne- tiskt material och att de två motsatta polytorna var och en är begränsade till ett vinkelområde av rotoromkretsen, utgående från rotoraxeln, som är mindre än 90°. Uppfinningen är huvudsakligen baserad på insikten om att plastbundna anisotropa magnetiska material kan behandlas relativt enkelt på ett dimensions- stabilt sätt och ej har någon tendens att defonneras, så att dimensionerna på produkter, som är framställda med dessa material, blir jämförelsevis noggranna och ej kräver någon slutbehandling, vilket reducerar framställningskostnaderna.

Som följd av den plastkomponent, som användes för bindning, reduceras mängden av anisotropt magnetiskt material, vilket betyder att sådana rotorer får en lägre restinduktion och således sämre startegenskaper. I enlighet med uppfin- ningen löses detta problem därigenom att de två motsatta polytorna på rotorn var och en är begränsande till ett vinkelområde av rotoromkretsen, utgången från rotoraxeln, som är mindre än 900. I fallet med diametral magnetisering resulterar detta i distinkta magnetpoler med en fältkoncentration vid polytorna så att “spärrhake“-momentet ökas, vilket åter resulterar i väl definierade vilolägen för rotorn, vilket säkerställer korrekt start.

Det observeras att självstartande, enfas synkronmotorer med rotorer, som har ett flertal polpar, i vilka de motsatta polytorna i ett polpar upptar ett begränsat vinkelområde av rotoromkretsen, utgående från rotoraxeln, redan är kända, t.ex. genom US-PS 4.214.181. Sådana rotorer med ett flertal poflpar och således ett flertal magnetiseringsriktningar kan emellertid bara framställas av ett isotropt magnetiskt material, som har en avsevärt lägre restinduktion än ett anisotropt magnetiskt material, vilket bara kan magnetiseras i en diametral riktning, så att synkronmotorer med sådana rotorer bara är kapabla att avge lägre utgångseffekter. Det är uppenbart att sådana synkronmotorer har en konst- ruktion, som skiljer sig principiellt från den inledningsvis beskrivna typen och till vilken föreliggande uppfinning hänför sig. Det observeras också att det är i och för sig känt att använda plastbundna anisotropa magnetiska mate- rial för framställning av magneter.

I praktiken har det visat sig att det för en synkronmotor enligt uppfin- ningen är särskilt fördelaktigt om vinkelomrâdet är av storleksordningen 65°.

Detta resulterar i mycket fördelaktiga startegenskaper och en tillfredställande utgångseffekt. 'w 454 oss Uppfinningen beskrivs mera detaljerad med hänvisning till ritningen, som visar en ej begränsande utföringsform av uppfinningen. §ig_l visar en planvy av en självstartande, tvåpolig, enfas synkronmotor, jjg_§ visar rotorn i synkron- motorn enligt fig 1 i förstorad skala, varvid magnetiseringen i rotorn är schematikt åskådliggjord, jig_§ visar ett längdsnitt genom ett verktyg för framställning av en rotor enligt fig 2 och fig_fi visar verktyget enligt fig 3 i ett snitt taget längs linjen IV-IV i fig 3.

I fig 1 är en självstartande, tvâpolig, enfas synkronmotor betecknad med 1, vilken motor omfattar en stator 4 försedd med en exciteringsspole med två spolsektioner 2 och 3, samt en rotor 6 som är roterbart lagrad på en axel 5, varvid rotorns lagringsarrangemang, som kan vara utfört på känt sätt, ej är visat för enkelhets skull. Den U-formade statorn 4 innefattar två ben 7 och 8 som delvis omger rotorn 6 i en båge, så att luftgap bildas. Den cylindriska rotorn 6, som är gjord av ett magnetiserbart permanentmagnetiskt material, är av tvåpolig typ, för vilket ändamål den är diametralt magnetiserad i radiell riktning, såsom är schematiskt åskådliggjort genom pilen 9. På sin omkretsyta 10 har rotorn 6 således diametralt mittemot varandra en N-pol och en S-pol, vilka tillsammans utgör ett polpar. Således erhålles två 180° åtskilda lägen av rotorn 6, i vilka drivmomentet i synkronmotorn passerar genom värdet noll.

Dessa lägen uppnås då rotorns 6 magnetiska fält sträcker sig tvärs mot statorns 4 ben 7 och 8, såsom är angivet för ett läge genom pilen 9 i fig 1. Som följd härav kräver rotorn 6 också två speciella vilolägen, som också är 180° åt- skilda från varandra men vilka har ett vinkelläge som skiljer sig något från de rotorlägen i vilka drivmomentet passerar genom värdet noll, för att möjliggöra självstart. Emedan de två lägena av rotorn, som svarar mot drivmomentet noll, och rotorns två vilolägen är 180° åtskilda från varandra är de exakt ekviva- lenta så att bara ett av dess lägen behöver behandlas.

I praktien är vinkelavvikelsen mellan rotorns 6 vilolägen, av vilka ett är representerat av den streckade pilen 11 i fig 1, och de rotorlägen i vilka drivmomentet passerar genom värdet noll, av storleksordningen 10° till 25°, såsom framgår av de två pilarnas 9 och 11 orientering relativt varandra i fig 1. Dessa vilolägen är åstadkomna genom att fonma benen 7 och 8 vid de ställen som ligger mittemot rotorn 6, så att icke jämna luftgap erhålles, för vilket ändamål t.ex. utsprång 12 och 13 är utbildade på benen, såsom är visat i fig 1.

I samverkan med rotormagnetfältet erhålles således ett s.k. 'spärrhaks"-moment, vilket säkerställer att rotorn 6, då motorn kopplas bort från växelströmsnätet, intar ett av de två givna vilolägena och ej stannar kvar i ett läge, i vilket 454 ess 4 drivmomentet passerar genom värdet noll, i vilket läge självstart skulle vara omöjlig.

I en sådan känd självstartande, tvåpolig enfas synkronmotor med pennanent- magnetisk rotor består denna rotor av ett sintrat, anisotropt magnetiskt mate- rial, vilket ger upphov till nämnda problem att rotorn måste utsättas för en slutbehandling. Men nu göres rotorn i stället av ett plastbundet anisotropt material. Genom att använda ett plastbundet anisotropt magnetiskt material i rotorn blir denna rotor synnerligen enkel att framställa, emedan ett sådant material ej har någon tendens att defonmeras. Därför kan en sådan rotor fram- ställas direkt med absolut stabila dimensioner, varigenom ingen slutbehandling krävs.

Genom att binda det anisotropa magnetiska materialet medelst en plast blir emellertid andelen av anisotropt magnetiskt material i rotorn mindre än i en rotor gjord av ett anisotropt magnetiskt material enbart. Detta betyder emel- lertid också att den uppnåbara restinduktionen reduceras, vilket i synnerhet har en menlig effekt på en synkronmotors startegenskaper. Därför är plastbundna anisotropa material ej i sig lämpade för framställning av rotorer för sådana synkronmotorer. För att övervinna dessa problem är de två motsatta polytorna på rotorn vardera begränsad till en vinkelyta av omkretsen, som är mindre än 9D°, utgående från rotoraxeln, varvid det i praktiken har visat sig vara särskilt fördelaktigt om vinkelområdet är av storleksordningen 65°. På detta sätt koncentreras det magnetiska fältet vid polytorna på en mindre yta, så att "spärrhake"-momentet ökar och startegenskaperna förbättras väsentligt. Medelst denna åtgärd kompenseras inverkan av den mindre restinduktionen vid användning av plastbundna anisotropa magnetiska material på synkronmotorns startegenska- per, så att en absolut tillförlitlig start garanteras. En sådan form på pol- ytorna erhålles under den diametrala magnetiseringen av rotorn genom att för magnetiseringen använda ett proportionellt sett smalare magnetfält, som bara täcker det önskade vinkelområdet av rotoromkretsen. I själva rotorn kan detta magnetfält sedan expandera, så att fältfördelningen i det inre blir ickehomo- gen. Denna typ av rotonnagnetisering är baserad på insikten om att ett sådant icke-homogent fält kan bildas i plastbundna anisotropa magnetiska material, emedan partiklarna, som skall magnetiseras, kan orientera sig själva på lämp- ligt sätt i det kompletta systemet utan att sprickor bildas i materialet. såsom skulle vara fallet med sintrade anisotropa magnetiska material under samma för- hållanden. Fig 2 visar en sådan magnetisering av rotorn 6, varvid polytorna, S 454 636 som är begränsade till ett vinkelområde av rotoromkretsen 10, utgående från rotoraxeln 5, är schematiskt representerade genom de kraftigare linjerna 14 och 15. Magnetiseringsmönstret inuti rotorn är representerat genom de streckade linjerna 16. Såsom framgår av ritningen erhålles en fältkoncentration på de diametralt motsatta polytorna, som i föreliggande fall är begränsade till ett vinkelområde av omkretsen an 65°.

För att framställa en rotor av ett plastbundet anisotropt magnetiskt material kan en i och för sig känd metod används, såsom t.ex. strängsprutning eller pressning. I föreliggande fall har det visat sig att för detta ändamål den i och för sig kända formsprutningsprocessen är enkel och effektiv. Såsom framgår av fig 3 och 4 användes ett verktyg, vilket innefattar en ihålig cylindrisk sektion 17 och en plan sektion 18, mellan vilka verktygsskiljeytan sträcker sig . I den ihåliga cylindriska sektionen 17, vars hålighet 19 defi- nierar rotorns form, är en konisk insats 20 anordnad koaxiellt, vilken insats bildar ett hål i den slutliga rotorn, i vilket hål rotoraxeln kan inpassas.

Verktygssektionen 17 har vidare ejektorer 21 för att ta ut den färdiga rotorn, vilka ejektorer är inställbara via en slid 22. Verktygssektionen 18 har ett hål 23 som är förenat med ett ytterligare hål 25 som är utbildat i en slutdel 24, mot vilket hål en injektionscvlinder 26 kan anbringas, från vilket materialet som skall formas når håligheten 19 i verktygssektionen 17 via hålen 25 och 23.

Två diametralt motsatta polskor 28 ocvh 29 ansluter sig till verktygssek- tionens 17 omkrets 27, vilka polskor var och en är försedd med en exciterings- spole 30 och 31. På detta sätt kan ett magnetfält byggas upp mellan polskorna za och 29, vnket därvid sträckersig dianen-ait i pflens az riktning genom verktyget som är gjort av icke-magnetiskt material, varvid en N-pol utbildas vid den ena polskon och en S-pol vid den andra polskon. Såsom i synnerhet fram- går av fig 4 har polskornas 28 och 29 bredd valts på sådant sätt att det homo- gena magnetiska fält som utgår från polskorna bara täcker en given vinkel av den inre omkretsytan 33 av verktygssektionen 17, som anger håligheten 19, såsom är schematiskt representerat genom de streckade linjerna 34 och 35. Detta bestämmer det vinkelområde av rotoromkretsen, utgående från rotoraxeln, till vilket polytorn blir begränsade efter magnetisering. Magnetisering av rotorn sker direkt under formsprutningsprocessen, varvid de enskilda partiklarna av det anisotropa magnetiska materialet magnetiseras och orienteras i beroende av det magnetiska fältet medan materialet som injicerats i hâligheten 19 i verk- tyget, fortfarande befinner sig i plastiskt tillstånd, vilken orientering _... .Dp “'4s4 ess bibehâlles i det fasta tillståndet av materialet. Som följd av nämnda speciella val av polskornas 28 och 29 bredd erhålles ett magnetiseringsmönster i rotorn som är visat i fig 2. Sedan materialet har stelnat genom härdning av plastkom- ponenten kopplas det magnetiska fältet bort och verktyget 17, 18 delas i del- ningsytan, varvid det material som upptagits i hålet 23 av verktygssektionen 18 separeras från det material som upptagits i hâligheten 19 i verktygssektionen 17. Därefter tas den färdiga rotorn, som ligger i verktygssektionens 17 hålig- het 19, ut ur nämnda verktygssektion medelst ejektorerna 21. Rotorn är då fär- dig emedan någon slutbehandling ej krävs till följd av användningen av det plastbundna anisotropa magnetiska materialet, emedan detta material håller verktygshålighetens dimensioner.

Såsom framgår av det föregående blir framställningen av en självstartande, tväpolig, enfas synkronmotor enkel och billig genom användning av denna metod, medan trots detta motorn har en hög utgångseffekt och tillförlitliga start- egenskaper. Valet av det vinkelomrâde av rotoromkretsen, till vilket polytorna skall begränsas, är, inom det angivna omrâdet av mindre än 90°, godtyckligt vad gäller mindre vinklar men beror på synkronmotorns nominella effekt. I prin- cip förbättras startegenskaperna vid mindre vinklar men då minskar motoreffek- ten. Såsom redan sagts har det visat sig i praktiken att ett vinkelområde av storleksordningen 65° är mycket fördelaktigt, emedan detta resulterar i abso- lut tillförlitliga startegenskaper med en tillfredställande motoreffekt.

Claims (2)

u: a u: 454 e§s_ Patentkrav.

1. Självstartande, tvåpoïig, enfas synkronmotor med en permanentmagnetisk rotor, viïken rotor som följd av en diametraï magnetisering har tvâ motsatta poïytor på sin omkrets och är anordnad meïlan tvâ ben av en stator som är för- sedd med en exciteringsspoïe, varvid ändarna av nämnda ben deïvís omsïuter rotorn 1 en båge, så att ïuftgap bildas, k ä n n e t e c k n a d av att rotorn är gjord av ett plastbundet anisotropt magnetiskt materia] och att de tvâ motsatta poïytorna vardera är begränsade t111 ett vinkeïomrâde av rotorom- kretsen, utgående från rotoraxeïn, som är mindre än 90°.

2. Synkronmotor enïigt patentkravet 1, k ä n n e t e-c k n a d av att vin- keïområdet är av storïeksordningen 650.