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Syne, hronmotor.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchronelektromotor und hat eine solche Ausgestaltung desselben zum Gegenstande, dass trotz des vorhandenen Gleichlauf kleine Drehzahlen ohne Verwendung von Übersetzungsgetrieben und mit kleineren Polzahlen möglich sind als bei den bekannten Synchron- motoren.
Die synchronen Drehzahlen der bekannten Synchronmotoren stehen immer in einer einfachen
Beziehung zu der Frequenz des Antriebswechselstromes. Beispielsweise hat ein zweipoliger Motor eine synchrone Mindestdrehzahl von einer Umdrehung pro Periode des Antriebswechselstromes, kleinere Dreh- zahlen wurden durch Erhöhung der Zahl der Polpaare erzielt, wodurch Untervielfaehe der synchronen
Drehzahlen erhalten werden. Wenn sehr niedrige Drehzahlen erhalten werden sollen, ist eine sehr grosse Polzahl erforderlich, wodurch eine sperrige Konstruktion entsteht, die entsprechend hohe Kosten bedingt.
Es gibt zahlreiche technische Anwendungsgebiete, bei denen synchrone Drehzahlen sehr kleiner
Grösse erforderlich sind, beispielsweise bei elektrischen Uhren, Fernseh- und Bildtelegraphiegeräten,
Sprechmaschinen u. dgl., für die der Erfindungsgegenstand besonders geeignet ist.
Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass bei den bekannten Synchronmotoren, bei denen
Stator und Rotor mit je einer Gruppe von im wesentlichen im gleichen Abstande voneinander angeord- neten Polen im wesentlichen gleichen Polbogens versehen sind, die Polzahlen der beiden Polgruppen ungleich sind und keine derselben ein ganzes Vielfaches der andern bildet, wobei alle Pole des Stators oder Rotors oder beider durch elektrische Impulse gleichzeitig auf Hochstfeldstärke erregt werden und die Polzahlen und Polbögen derart ausgewählt sind, dass bei der Drehung des Rotors gegenüber dem
Stator eine dauernde Veränderung der Summe der gesamten in Eingriff stehenden Polfläche stattfindet.
Beispielsweise kann der Motor einen elfpoligen Stator und einen neunpoligen Rotor aufweisen, das kleinste gemeinsame Vielfache dieser beiden Polzahlen ist 99. Beim Lauf des Motors ist das Zusammen- wirken der Pole einer Nonienwirkung vergleichbar, ein Zusammenfallen zwischen einem Stator-und einem
Rotorpol findet nach jeder 1/99- Umdrehung statt. Dementsprechend beträgt die synchrone Mindestdreh- zahl des Rotors 1/99 der Frequenz der elektrischen Antriebsimpulse.
In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise schematisch veranschaulicht, u. zw. zeigt :
Fig. 1 A einen Längsschlitz eines einfachen Motors nach der Erfindung, Fig. 1 Beine Stirnansicht desselben bei abgenommener Endplatte, Fig. 2 eine Stirnansicht einer weiteren Ausführungsform eines
Motors nach der Erfindung, Fig. 3 einen Längsschnitt eines Motors mit Doppelrotor, Fig. 4 A einen Längs- schnitt eines nicht homopolaren Motors, Fig. 4 Beine Stirnansicht des Motors nach Fig. 4 A bei abgenommener Endplatte, Fig. 5 A eine Kurve, die den Verlauf der magnetischen Impulse von Motoren nach der Erfindung bei Antrieb durch einen Wechselstrom veranschaulicht, Fig. 5 B die Verwendung kombinierten Wechsel-und Gleichstromes, Fig. 6 eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes mit Hilfspolen, Fig.
7 A einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform und Fig. 7 Beine Stirn- ansicht derselben mit abgenommener Endplatte, Fig. 8 eine Fernsteuerung, Fig. 9 Einzelheiten der Vor- richtung für die Fernsteuerung, Fig. 10 A, B und C Schaltungen für die Fernsteuerung, Fig. 11 eine besondere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes für Fernsteuerungen und Fig. 12 eine Schaltung von Vorrichtungen naeh Art der in Fig. 11 dargestellten.
In Fig. 1 A und B ist ein Stator J'aus magnetischem Werkstoff, wie Eisen, mit zwei Endplatten 2 und 3 versehen, in denen die Lager für den Rotor 5 angebracht sind. Die Rotorwelle 10 wird durch die feststehende Spule 4 umschlossen. Der Stator 1 ist mit vier Polen a, b, c und d und der Rotor 5 mit drei
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Polen x, y und z versehen. Der Motor ist als Homopolarmotor ausgebildet, so dass alle Pole des Stators unter sich die gleiche Polarität und alle Pole des Rotors die entgegengesetzte Polarität besitzen. Wenn der Rotor im Sinne des Uhrzeigers mit seiner synchronen Mindestdrehzahl umläuft, befindet sieh bei Eintreffen eines elektrischen Impulses ein Pol Z des Rotors gegenüber einem Pol c des Stators.
Bei dem nächsten Impuls wird der Pol z des Rotors mit dem Pol d des Stators zusammenfallen. Da die Winkelversetzung der Pole des Stators 900, die der Pole des Rotors 1200 beträgt, hat der Winkel, durch den der Rotor sich in dem Zeitraum zwischen den genannten beiden Impulsen gedreht hat, eine Grösse von 300.
Infolgedessen sind zwölf Impulse für eine Umdrehung des Rotors erforderlich.
Grundsätzlich beträgt die synchrone Mindestdrehzahl eines Rotors mit Pi-Polen gegenüber einem Stator mit P2-Polen
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wobei S"$ die synchrone Mindestdrehzahl in Umdrehungen pro Sekunde, F die Zahl der Impulse pro Sekunde und M das kleinste gemeinschaftliche Vielfache der Zahlen PI und P2 ist.
Bei Eintreffen eines jeden Impulses muss ein Zusammentreffen zwischen einem Stator-und einem Rotorpol stattfinden. Es ist ersichtlich, dass die Drehzahl Zu die kleinste Drehzahl ist, bei der diese Bedingung erfüllt wird. Es sind jedoch auch noch andere synchrone Drehzahlen vorhanden, die Vielfache
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Hierin ist A eine ganze Zahl, die von der Zahl der Polübereinstimmungen abhängt, die zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen übersprungen werden. Wenn daher ein Impuls auf jede Polübereinstimmung ankommt, ist A = 1, wenn eine Übereinstimmung übersprungen wird, A = 2 usw.
Es wird bemerkt, dass, wo in der Beschreibung das Wort Übereinstimmung"für die Kennzeich- nung der Beziehungen zwischen Stator-und Rotorpolen verwendet wird, nicht örtlich genaue Übereinstimmung gemeint ist. Wenn der Rotor synchron unter Belastung läuft, wird eine genaue Übereinstimmung immer etwas nach Eintreffen der Impulse stattfinden.
Die Polanordnung nach Fig. 2 ist für Spreehmasehinenantrieb mit 50periodigem Wechselstrom geeignet. Die normale Drehzahl von Schallplatten beträgt ungefähr 78 pro Minute, und ein 50periodiger Wechselstrom ergibt 6000 Impulse pro Minute. Die synchrone Mindestdrehzahl des Rotors ist daher
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annähernd die gewünschte Drehzahl für eine Sprechmasehine ohne die Verwendung von Übersetzungs- getrieben ergeben. Wenn ein normaler Synchronmotor mit gleichen Polzahlen in Stator und Rotor verwendet würde, so müssten zur Erreichung einer derart geringen Drehzahl ohne Wechselgetriebe ungefähr 154 Pole verwendet werden, während bei der Vorrichtung nach Fig. 2 nur 18 Pole erforderlich und.
Die Anordnung nach Fig. 1 ist derart, dass sieh die wirksamen PoIl'bei 7 befinden, während bei 6 kein Pol vorhanden ist. Eine andere Ausführungsform, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, besitzt jedoch Pole an beiden Enden des Rotors. Bei dieser Ausführung ist jedes Ende des Rotors mit drei Polen versehen,' jedoch sind die beiden Enden um 600 zueinander versetzt. Die synchrone Drehzahl des Motors ist genau die gleiche wie bei der Einrichtung nach Fig. 1. Der zweite Satz von Statorpolen kann mit dem ersten Satz übereinstimmen, oder, wenn gewünscht, auch im Winkel zu jenem versetzt sein.
In Fig. 4 A und Fig. 4 B ist eine Ausführung eines nicht homopolaren Motors veranschaulicht, der jedoch die gleiche synchrone Drehzahl wie der Motor nach Fig. 1 besitzt. Jeder der Statorpole ist mit einer gesonderten Erregerspule versehen, und die einzelnen Spulen sind derart zusammengesehaltet,
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des Rotors nach Fig. 3 betrachtet werden. Bei dem nächsten Impulse werden die andern beiden Pole des Stators mit zwei andern Polen des Rotors zusammenwirken.
Die beschriebenen Einrichtungen werden durch magnetische Impulse angetrieben, die durch die aufgedrückten elektrischen Impulse erzeugt werden. In Fig. 5 A ist die Stärke dieser magnetischen Impulse mit ausgezogenen Linien längs einer Zeitachse dargestellt, die die magnetischen Impulse hervorrufenden Wechselströme sind durch die gestrichelten Linien gegeben. Aus diesen Kurven ist ersichtlich, dass die Frequenz der magnetischen Impulse das Doppelte der Frequenz des Wechselstromes beträgt. Es ist jedoch möglich, bei der Verwendung von Wechselstrom Frequenzgleichheit zwischen den magnetischen Impulsen und den Wechselströmen zu erreichen, u. zw. dadurch, dass die Spule des Motors nach Fig. 1 mit Wechselstrom und Gleichstrom gespeist wird, wie dies in Fig. 5 B veranschaulicht ist.
Dort entspricht der Abstand zwischen den Linien 8 und 9 der Stärke des Gleichstromes und die Sinuslinie der Stärke sowohl der elektrischen Wechselströme als auch der magnetischen Impulse längs einer Zeitaehse. Unter den angegebenen Bedingungen sind die resultierenden magnetischen Impulse stets einseitig gerichtet :
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verwendet werden, wenn der Wert jedoch wesentlich kleiner ist, fangen die Impulse an, dem in Fig. 5 A dargestellten Verlauf zu folgen.
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Mindestdrehzahl auf jeden Pol der andern Gruppe ein Höchstantriebsdrehmoment auf Grund eines oder mehrerer der elektrischen Impulse während jeder Umdrehung und ein verringertes oder ein zu ver- nachlässigendes Antriebsdrehmoment auf Grund der übrigen genannten Impulse aus, wenn der Motor mit synchroner Drehzahl läuft. Beispielsweise wirken bei dem Motor nach Fig. 1 B die Pole a und x unter Ausübung eines Höehstdrehmomentes zusammen, wenn ein Impuls in der dargestellten Lage des Rotors aufgedrückt wird.
Die Pole d und z einerseits und b und y anderseits üben verringerte Drehmomente in entgegengesetzten Richtungen aus und der Pol c ein zu vernachlässigendes Drehmoment. Nachdem der Rotor sich um 300 gedreht hat, wird ein zweiter Impuls aufgedrückt, so dass dann ein Höchstdreh- moment zwischen den Polen d und z auftritt. Ein verringertes Drehmoment in entgegengesetzten Rich-
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aus, und die Rotorpole durchlaufen den gleichen Kreislauf viermal. Wie ersichtlich, ist der Winkel, um den der Rotor durch aufeinanderfolgende Impulse gedreht wird, bei der kleinsten synchronen Drehzahl kleiner als der Winkelabstand zwischen benachbarten Polen beider Gruppen.
Wenn der Motor von selbst anlaufen soll. können Hilfspole oder eine gleichwertige Anordnung verwendet werden. Fig. 6 zeigt die Vorrichtujg nach Fig. 1 mit HilfspolrJ1, auf jedem Pol ist eine in sieh kurzgeschlossene Spule 11 vorgesehen. Es ist nicht erforderlich, dass alle Pole des Stators mit Hilfspolen versehen sind, da in vielen Fällen nur ein oder zwei Pole in der angegebenen Weise zur Erzielung eines Selbstanlaufes vorgesehen zu sein brauchen. In vielen Fällen kann der Rotor mit einer Käfigwicklung ähnlich den gewöhnlichen Weehselstrominduktionsmotoren versehen sein, um einen Selbstanlauf zu erzielen.
Eine weitere Möglichkeit zur Durchführung des Selbstanlaufes besteht in der Anwendung kleiner Zwischenpole, deren jeder mit einer Wicklung versehen ist, die in Reihe mit einem Widerstand, einer Kapazität oder einer Induktanz über die Motorklemmen geschaltet ist. Die in Reihe liegende Impedanz ergibt in bekannter Weise eine Phasenverschiebung des Stromes in der Wicklung des Zwisrhenpols.
Einfache Motoren nach Art der bereits beschriebenen Art mit nur zwei Gruppen zusammenwirkender
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Impulse, geteilt durch das kleinste gemeinschaftliche Vielfache M von PI und Pa. ist. Es ist zu beachten. dass diese Drehzahlen getreu synchron sind und von der Frequenz der Impulse abhängen, jedoch ist es zur Erzielung eines Gleichaufes erforderlich, dass der Winkel des Polbogens derart gewählt ist, dass eine Änderung der wirkenden Polilächen bei der Drehung des Rotors gegenüber dem Stator eintritt. Beispielsweise kann bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Polbogen 450 betragen.
Im Falle eines Motors mit vierpoligem Rotor und zugehörigem fünfpoligem Stator darf jedoch der Polbogen nicht 3130 betragen, da in diesem Falle keine Veränderung der wirkenden Poliläehe und dementsprechend kein genauer Gleichlauf eintritt ; ein genauer Gleichlauf kann jedoch durch Verwendung eines Polbogens von 450 erzielt werden. Der Polbogen des Stators muss gleich dem Polbogen des Rotors sein, um genauen Gleichlauf zu erreichen.
Der einfache Motor nach Fig. 1 kann in einen Doppeltandemmotor nach Fig. 7 il und B umgewandelt werden, bei dem der dreipolige Rotor 5 mit vier Polen eines Zwischenrotors zusammenarbeitet. Der Zwischenrotor ist mit einer zweiten Gruppe von fünf Polen versehen, die mit sieben Polen des Stators 1 zusammenwirken.
Die Wirkungsweise des Motors ist folgende :
Aus der obigen Formel (2) ergibt sich, dass die synchrone Drehzahl des Zwischemotors gegenüber dem Stator 1 ausgedrückt werden kann durch
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der erzeugte Wechselstrom entnommen wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Welle 10 des Rotors oder irgendeinen anderen Teil des magnetischen kreises als permanenten Magneten auszubilden. der Wechselstrom wird alsdann in der Spule 4 erzeugt.
Ein permanenter Magnet kann auch bei einem wechselstromgetriebenen Motor an Stelle der Gleiehstromkomponente verwendet werden, um die in Fig. 5 B dargestellte Wirkung zu erzielen. Die mit Zwischenrotoren arbeitenden Vorrichtungen nach der Erlindung können auch als Wechselstromerzeuger dureh alleinigen Antrieb des Rotors verwendet werden. In diesem Falle werden die Selbstanlaufmittel für den Zwischenrotor derart angeordnet, dass der Zwischenrotor bestrebt ist, sich in bestimmter Richtung gegenüber dem Rotor zu drehen und in gleicher oder entgegengesetzter Richtung gegenüber dem Stator, die geeigneten Geschwindigkeiten werden hiebei so gewählt, dass die gewünschte Frequenz erzeugt wird.
Wechselstromerzeuger der beschriebenen Art sind von besonderem Wert. Beispielsweise war es bisher, wenn die Antriebskraft nur durch eine geringe Geschwindigkeit gegeben war, erforderlich, einen Generator mit grosser Polzahl oder Übersetzungsgetrieben zu verwenden, um die gewünschte Frequenz zu erzielen. Nach der Erfindung ist es jedoch bei einer Antriebskraft von 2CO Umdrehungen pro Minute zur Erzeugung von oOperiodigem Wechselstrom erforderlich. einen Rotor mit fünf Polen und einen Stator mit sechs Polen zu verwenden, während bei den bekannten Anordnungen 30 Pole erforderlich sind. Für die Erzeugung von hochfrequenten Wechselströmen, wie sie beispielsweise für Versuchszwecke und für drahtlose Übertragungen erforderlich sind. sind daher die Stromerzeuger nach der Erfindung besonders geeignet.
Bei den Vorrichtungen nach der Erfindung können mehrere Zwisehenrotoren in Tandemanordnung verwendet werden, wodurch besondere Synchronrehzahlen erzielt werden können.
Die Verwendung eines Generators mit einem Motor nach der Erfindung ergibt eine besonders zweck-
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dargestellt, miteinander verbunden werden. Wenn der Rotor des einen Motors M mittels eines Hebels 17 gedreht wird, so würde sich der Hebel 18 des Rotors des zweiten Motors 16 um den gleichen Betrag drehen wie der Hebel 17. Es ist jedoch in diesem Falle erforderlich, dass alle Bewegungen des Hebels 17 in der gleichen Richtung stattfinden. Auch ist es nur möglich, eine Bewegung des Hebels 18 hervorzurufen, die dem durch einen Impuls erzeugten Bewegungswinkel oder einem Vielfachen desselben entspricht.
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tritt, wenn der Hebel 17 mit einer geringeren als einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit bewegt wird, da die durch den Generator 14 erzeugte elektromotorische Kraft von der Bewegungsgeschwindigkeit des
Rotors abhängt.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung ist in Fig. 9 dargestellt, die einen Doppelmotor veranschaulicht, zwischen dessen Hälften eine Trennwand 19 vorgesehen ist, so dass jede Hälfte des Motors in sich abgeschlossen ist. Die erste Hälfte ist mit einer Wicklung 4, die zweite Hälfte mit einer Wicklung- versehen. Wenn ein derartiger Motor mit einem entsprechenden Motor, wie in Fig. 10 A dargestellt, verbunden wird, in der 20 den ersten Motor und 21 den zweiten Motor darstellt, und ein Wechselstrom an die beiden Klemmen 22 und 23 gelegt wird, sowie die Selbstanlaufanordnung der Rotoren der Motoren derart ist, dass die Hälften bestrebt sind, sich in entgegengesetzter Richtung zu drehen, so tritt keine Bewegung der Rotoren ein.
Wird ein Rotor bewegt, so wird eine abweichende Frequenz in der Wicklung- gegenüber der Wicklung 4a erzeugt, die auf ähnliche Wicklungen eines entfernten Motors 21 einwirkt und den Rotor von 21 dreht. Diese Wirkung ergibt sich auf Grund der Tatsache, dass in einer Spule eine erhöhte Frequenz und in der andern eine verringerte Frequenz erzeugt wird.
Anstatt eine Wechselstromfrequenz an die Klemmen 22 und 2J zu legen, können zwei verschiedene Frequenzen aufgedrückt werden, u. zw. eine auf die Klemmen 22 und 27 und die andere auf die Klemmen 2 : ; und 27. Die beiden Hälften des Motors nach Fig. 9 sind dann mit derartigen Polzahlen versehen, dass jede Hälfte bestrebt ist, sich in entgegengesetzter Richtung gegenüber der ändern mit gleicher Dreh-
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des Rotors von 21 hervorrufen.
In Fig. 10 B sind weitere Schaltungsmöglichkeiten für die Motoren 20 und 21 angegeben, die an Stelle der Anordnung nach Fig. 10 A verwendet werden können.
Fig. 10 C zeigt eine weitere Schaltungsanordnung mit zwei verschiedenen Erregerfrequenzen und nur zwei Verbindungsleitungen zwischen den Motoren 20 und 21. An die Wicklungen der Motoren 20 und 21 sind Vouichtungen 24 angeschlossen, deren jede aus zwei Stromzweigen besteht. Die Zweige, die an die Spulen 4 angeschlossen sind, enthalten je eine Induktanz, und die andern Zweige, die an die Spulen 4a angeschlossen sind, je einen Kondensator. Die beiden Erregerfrequenzen werden wie bei dem andern Ausführungsbeispiel an die Klemmen 22, 27 und 23 gelegt.
Durch geeignete Auswahl der Induk- tanzen und Kapazitäten der Vorrichtungen 24 ergibt sich eine Vorherrschaft einer der beiden Erregerfrequenzen in dem Stromkreis von 4 und eine Vorherrschaft der ändern Erregerfrequenz in dem Stromkreis von 4a,. Wenn der Rotor von 20 gedreht wird, so werden, wie beschrieben, verschiedene Frequenzen
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