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Kollektorloser mit Unterbrecherkontakten steuerbarer elektrischer
Gleichstrommotor mit einem Rotor aus Dauermagnetwerkstoff Die Erfindung bezieht
sich auf einen kollektorlosen mit Unterbrecherkontakten steuerbaren elektrischen
Gleichstrommotor mit einem Rotor aus Dauermagnetwerkstoff, der zwischen den elektromagnetisch
erregten Feldpolen eines Stators drehbar angeordnet ist. Diese Motoren arbeiten
nach dem Magnetmotorprinzip, das auf der Anziehung und Abstoßung von sich im Stator
und Rotor gegenüberstehenden ungleichnamigen und gleichnamigen Polen beruht.
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Es ist bereits bekannt, bei Sahrittschaltwerken, die durch elektrische
Impulse betätigt werden und als Antriebe von Zeitmeßgeräten, Impulszählern u. dgl.
Anwendung finden, im magnetischen Kreis des Stators einen Dauermagneten anzuordnen,
der eine Vormagnetisierung hervorruft, die dem von den Feldspulen erzeugten Fluß
entgegengerichtet ist. Wird eine derartige Vorrichtung mit Stromimpulsen gleicher
Richtung betrieben, so erfolgt eine schrittweise Drehbewegung des Rotors, die sich
aus einer Halbdrehung des Rotors, hervorgerufen durch den Stromimpuls, und einer
weiteren Halbdrehung, hervorgerufen durch die Vormagnetisierung des Dauermagneten,
zusammensetzt.
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Bei derartigen Antrieben sind zur Erzeugung der Stromimpulse komplizierte
Impulsgebevo:rrichtungen erforderlich. Eine bekannte Steuervorrichtung zur Erzeugung
des intermittierenden Stromes besteht beispielsweise aus einer schwingenden Zunge,
die auf einem Träger befestigt und an ihren freien Enden mit einem Permanentmagneten
versehen ist. Die Polenden des Magneten schwingen im Innern von hohlen Spulen aus
isoliertem Kupferdraht, wobei das eine Ende mit dem einen Pol einer Batterie und
zwei Transistoren verbunden ist, während das andere Ende der Feldspule mit dem anderen
Pol der Batterie und dem Kollektor der Transistoren in Verbindung steht.
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Diese Antriebe sind nicht universell anwendbar, da stets eine Vorrichtung
zur Verfügung stehen muß, die den intermittierenden Strom erzeugt. überdies sind
sie empfindlich und können kein nennenswertes Drehmoment entwickeln.
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Es ist auch ein nockengesteuerter Magnetmotor bekanntgeworden, bei
dem auf den aus Dauermagnetwerkstoff bestehenden Rotor außer dem elektromagnetisch
erzeugten Feld überdies ein Dauermagnet einwirkt. Dieser Dauermagnet hat die Aufgabe,
den Rotor in den stromlosen Pausen in eine solche Stellung hineinzuziehen, daß die
Unterbrecherkontakte geschlossen sind. Bei diesem Magnetmotor ist je nach der Stellung
des Rotors entweder nur der Fluß des Dauermagneten oder nur der von der Erregerspule
erzeugte Fluß wirksam. Eine Ummagnetisierung der Statorpole, die bei der bekannten
Ausführung nicht vormagnetisiert sind, tritt hierbei nicht ein, so daß nur die magnetischen
Anziehungskräfte wirksam sind. Ein derartig aufgebauter Motor ist nicht in der Lage,
ein großes Drehmoment zu erzeugen. Diese Motoren finden lediglich Anwendung als
Stromzerhacker, wobei der Motor praktisch im Leerlauf betrieben wird.
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Gegenüber den bekannten Anordnungen liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen robusten und betriebssicheren Gleichstrommotor zu schaffen,
der ein hohes Drehmoment erzeugt und deshalb zum Antrieb der verschiedensten Geräte
und Apparate Verwendung finden kann. überdies entwickelt der erfindungsgemäß vorgeschlagene
Motor eine hohe Drehzahl bei einfachem Aufbau. Erfindungsgemäß besteht die Lösung
dieser Aufgabe in einer Kombination, die dadurch gekennzeichnet isst, daß ein mit
P oder P+1 Polpaaren (P>1) diametral aufmagnetisierter Rotor im Luftspalt eines
mit P Polpaaren ausgebildeten Magnetjoches drehbar gelagert ist, wobei jeder Polschenkel
des Joches mit einer mit Gleichstrom erregbaren Wicklung versehen ist und der Querschnitt
des Polschenkels an dem dem Rotor abgewandten Ende auf mindestens das Dreifache
vergrößert ist und an diesem Ende jedes Polschenkels ein hochkoerzitiver Dauermagnet
anliegt, während die rückwärtigen Enden dieser Dauermagnete durch ein gemeinsames
Rückschlußjoch aus ferromagnetischem Werkstoff verbunden sind und die Dauermagnete
in radialer Richtung so magnetisiert sind, daßbenachbarte Polschenkel entgegengesetzte
Polarität aufweisen und daß die auf der Rotorwelle angebrachte Nockenacheibe, die
entsprechend der Anzahl der Polschenkel fest angeordneten
Unterbrecherkontakte
derart betätigt, daß die Erregerspulen polpaarweise abwechselnd in Umlaufrichtung
fortschreitend an die Gleichstromquelle geschaltet werden.
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Durch die Erfindung ist es gelungen, einen Gleichstrommotor zu schaffen,
bei dem die Richtung des in den Feldspulen fließenden Stromes immer gleichbleibend
ist. Es ist nicht mehr erforderlich, durch einen Polwender die Felderregung in dem
geeigneten Augenblick, bezogen auf die Stellung des Rotors, umzupolen, sondern es
sind nur einfach ausgebildete Schaltkontakte angeordnet, welche die Spannung polrichtig
an die Feldspulen anlegen. Durch den Fortfall des Stromwenders mit dem häufig auftretenden
Bürstenfeuer wird eine hohe Betriebssicherheit erreicht. Ein besonderer Vorteil
der erfindungsgemäßen Ausführung besteht darin, daß der Motor mit einer sehr hohen
Drehzahl läuft. Diese ist neben den mechanischen Erfordernissen nur durch die Induktivität
der Statorspulen und die Schaltgeschwindigkeit der Unterbrecherkäntakte begrenzt.
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Nach dem erfindungsgemäßen Prinzip sind verschiedene Ausführungsformen
möglich. Wird der vorgeschlagene Motor zweipolig ausgeführt, so wird man, um einen
eindeutigen Drehsinn zu erhalten, die Statorpole unsymmetrisch ausbilden, z. B.
durch Anbringung eines sogenannten Polhornes. Um jedoch über den gesamten Winkelbereich
von 360° ein gleichmäßiges Drehmoment zu erzielen, ist es empfehlenswert, den Rotor
und Stator mehrpolig auszubilden. Man wird hierbei vorzugsweise auf dem Rotor ein
Polpaar mehr vorsehen, als auf dem Stator. Diese mehrpolige Ausführungsform ist
für die verschiedensten Anwendungszwecke besonders vorteilhaft. Bei vergrößerter
Polzahl des Ständers muß natürlich auch die Zahl der Schaltkontakte vergrößert werden,
wobei die auf den Polschenkeln angebrachten Erregerspulen nacheinander geschaltet
werden. In Kombination mit der auf der Rotorwelle angebrachten Nockenscheibe, welche
die Schaltkontakte zur Zu-und Abschaltung der Erregerspule betätigt, sind zwischen
den Enden der Polschenkel und dem Rückschlußjoch Dauermagnete aus hochkoerzitivem
Dauermagnetmaterial angeordnet, die in radialer Richtung so magnetisiert sind, daß
die benachbarten Polschenkel entgegengesetze Polarität aufweisen. Die Vormagnetisierung
der Polschenkel, die der Felderregung entgegengerichtet ist, kann auch durch gesonderte,
gleichstromgespeiste Wicklungen erzeugt werden. Letztere ist dann zweckmäßig, wenn
starke Spannungsschwankungen auftreten, da in diesem Falle sowohl der ständig fließende
Vormagnetisierungsstrom als auch der über den Schalter zugeführte Felderregerstrom
in gleicher Weise mit der Spannung schwanken.
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Die Steuerung des Feldstromes kann auch durch elektronische Schalter,
wie Stromtore, Transistoren öd. dgl., bewirkt werden, welche ihre Steuerspannung
von der Erregerwicklung bzw. von gesonderten, vom umlaufenden Dauermagnetanker erregten
Hilfspolen beziehen. Dabei können die Hilfspole so angeordnet sein, daß sie nach
Art der Bürstenanordnung bei einer Gleichstrommaschine gegenüber dem Feldmagneten
verdrehbar sind. Auf diese Weise ist eine saubere Einstellung des Schaltzeitpunktes,
bezogen auf die Stellung des Läufers, möglich. Diese Ausführungsform ist besonders
dann von Vorteil, wenn der Motor für eine höhere Leistung bzw. für hohe Drehzahlen
ausgelegt wird. Auch bei Verwendung dieser Anordnung als Generator bietet: diese
Art der Steuerung Vorteile.
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Die erfindungsgemäße Anordnung bietet auch die Möglichkeit, daß die
Steuerung des Feldstromes durch Kontakteinrichtungen vorgenommen wird, die unabhängig
von der Läuferwelle arbeiten. Durch diese Steuerung des. Feldstromes läuft der Motor
synchron mit der Welle, welche die Kontakteinrichtung antreibt. Auf diese Weise
können drehzahlgenaue Fernantriebe, beispielsweise zum Zwecke der Drehzahlmessung,
gebaut werden. Bei derartigen Anordnungen ergibt sich aber auch die Möglichkeit,
das Drehzahlverhältnis zwischen der die Kontakteinrichtung antreibenden Welle und
:dem Motor anders als 1 zu wählen, so daß sowohl über- als auch Untersetzungen durchführbar
sind.
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Der Vorteil der konstanten Drehzahl, verbunden mit der Möglichkeit,
bei dem erfindungsgemäßen Motor höchste Drehzahlen zu erzielen, erschließt ein neues
Anwendungsgebiet für Kreiselgeräte. Aber auch als Kraftmaschine für hochtourig arbeitende
Werkzeugmaschinen und ähnliche Zwecke ist die neue Maschine besonders, geeignet.
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An Hand der in den Zeichnungen und dem Schaltschema dargestellten
Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachstehend beschrieben, und zwar zeigt
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Motor mit zweipoligem Stator und zweipoligem
Rotor, Fig.2 in schematischer Darstellung einen Motor mit vierpoligem Stator und
sechspoligem Rotor, Fig. 3 ein Schaltschema, aus dem entnommen werden kann, in welcher
zeitlichen Reihenfolge die vier Statorspulen des Motors gemäß Fig. 2 für eine Drehung
im Uhrzeigersinn eingeschaltet sind, Fig.4 die auf der Rotorwelle befestigte Nockenscheibe
mit den entsprechenden Schaltkontakten für das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel.
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Der Magnetmotor gemäß Fig. 1 besteht aus einem Stator und einem Rotor
2. Der magnetische Kreis des Stators ist aus dem Rückschlußjoch 1 aus ferromagnetischem
Werkstoff und den beiden Polschuhen 4 und 5, ebenfalls aus ferromagnetischem Werkstoff,
gebildet. Sowohl das Rückschlußjoch 1 als auch die Polschuhe 4 und 5 werden zweckmäßig
aus lamellierten Blechen, wie sie bei Wechselstrommotoren bekannt sind, hergestellt.
Zwischen dem Rückschlußjoch 1 und den Polschuhen 4 und 5 sind Dauermagnete 6 bzw.
7 aus hochkoerzitivem Dauermagnetwerkstoff vorgesehen, deren Polarität durch die
Buchstaben "N" und "S" angedeutet ist. Die Polschuhe 4 und 5 weisen eichelartige
Verlängerungen 8 und 9 auf, durch die in bekannter Weise ein eindeutiger Drehsinn
des Rotors festgelegt wird. Auf den Polschenkeln sind Erregerwicklungen 10 und 11
angebracht, die aus einer Gleichstrombatterie 12 über Leitungen 13, 14 gespeist
werden.
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Der Rotor 2, der aus Dauermagnetwerkstoff besteht, ist in Richtung
seines Durchmessers magnetisiert, wie durch die Buchstaben "N" und "S" gekennzeichnet
ist. Er ist auf der Welle 15 drehbar gelagert. Auf der Welle 15 befindet sich ferner
eine Nockenscheibe 16, die den Kontakt 17 bei jeder Umdrehung einmal betätigt. Die
beim Öffnen dieses Kontaktes entstehenden Funken können durch einen Kondensator
18 gelöscht werden.
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Bei offenem Erregerstromkreis: sind lediglich die durch Vormagnetisierung
erzeugten Pole wirksam. Der Rotor wird sich hierbei so einstellen, daß ungleichnamige
Pole
gegenüberliegen. Hierbei ist der Unterbrecherkontakt 17 durch die Nockenscheibe
16 stets geschlossen. Wird nun die Gleichstromquelle 12 zugeschaltet, so wird ein
der Vormagnetisierung entgegengesetzt gerichtetes Feld erzeugt, so daß an den Polschuhen
entgegengesetzte Pole entstehen. Einem Südpol des Rotors steht jetzt ein Südpol
des einen Polschuhes gegenüber, während auf der anderen Seite einem Nordpol des
Rotors ein Nordpol des Polschuhes benachbart ist. Diese gleichnamigen Pole stoßen
sich gegenseitig ab, so daß eine halbe Umdrehung des Rotors in der dargestellten
Pfeilrichtung erfolgt. Wenig später wird die anziehende Kraft des anderen Polschuhes
wirksam, da sich der Pol des Rotors auf diesen zu bewegt. Bevor sich jedoch die
ungleichnamigen Pole gegenüberstehen, öffnet der Schaltkontakt 17 mittels der sich
mitdrehenden Scheibe 16. Dadurch wird das Erregerfeld abgeschaltet und das durch
Vormagnetisierung erzeugte Feld wiederum wirksam. Die Pole in den Polschuhen kehren
sich um, so daß den Polen des Rotors nach der zurückgelegten halben Umdrehung wiederum
gleichnamige Pole gegenüberstehen. Diese versetzen durch ihre abstoßende Wirkung
den Rotor in weitere Drehung. Durch geeignete Zu- und Abschaltung des Erregerfeldes
mit Hilfe der Nockescheibe 17 wird ein kontinuierlicher Umlauf des Rotors erzielt.
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Der Magnetmotor gemäß Fig. 2 besteht aus einem sechspoligen Rotor
20 und einem vierpoligen Stator. Der magnetische Kreis des Stators wird aus dem
Rückschlußring 22, den vier Polschuhen 23 aus ferromagnetischem Werkstoff, die ebenfalls
zweckmäßig aus einzelnen Blechen geschichtet sind, und den dazwischen angeordneten
vier Dauermagneten 24 aus hochkoerzitivem Dauermagnetwerkstoff, deren Polarität
durch die Buchstaben "N" und "S" angedeutet ist, gebildet.
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Die Polschuhe 23 tragen je eine Erregerwicklung 25, die aus einer
nicht dargestellten Gleichstromquelle gespeist werden. Der sechspolige Rotor 20
aus Dauermagnetwerkstoff ist auf der Welle 26 drehbar gelagert. Auf dieser Welle
ist eine nicht dargestellte Nockenscheibe angebracht. Diese Nockenscheibe betätigt
die einer jeden Erregerwicklung zugeordneten Schaltkontakte, welche die vier Erregerspulen
25 nacheinander an die Gleichstromquelle schalten. Wie die Schaltfolge der vier
zur Unterscheidung mit den Buchstaben a ... d gekennzeichneten
Spulen erfolgt, ist aus Fig. 3 ersichtlich. Dabei entspricht die Stellung Null dem
ausgeschalteten Zustand. In diesem Falle sind nur die durch die Vormagnetisierung
erzeugten Pole wirksam. Wird der Motor eingeschaltet, so werden nach jeweils 30°
Drehung zwei der Feldspulen a ... d zu- bzw. abgeschaltet. Im eingeschalteten
Zustand ändert sich die Polarität des jeweiligen Poles unter Einfluß der eingeschalteten
Erregerspule. Diese geänderten Polaritäten sind durch einen Kreis um den jeweiligen
Buchstaben "N" bzw. "S" der Tabelle gemäß Fig. 3 gekennzeichnet. Die nach
einer Drehung um jeweils 30° erreichten Stellungen sind mit 1 ... 12 bezeichnet.
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Durch die im Umlaufsinn fortschreitenden Zuschaltungen stoßen sich
die jeweils im Polschuh und im Rotor gegenüberstehenden Pole ab, während der nächstfolgende
Pol des Rotors angezogen wird. Bevor sich die beiden ungleichnamigen Pole gegenüberstehen,
kehrt sich durch die Betätigung des Schaltkontaktes die Polarität wieder um, so
daß der Rotor eine kontinuierliche Umlaufbewegung durchführt. Durch Änderung der
Schaltfolge kann bei der Ausführung nach Fig. 2 die Drehrichtung umgekehrt werden.
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Die in Fig. 3 dargestellte Schaltfolge wird mit Hilfe der in Fig.
4 gezeigten Schalteinrichtung erreicht. Den jeweils um 90° versetzten Polschenkeln
gemäß Fig. 2 sind die jeweils um 90° versetzten Schaltkontakte 28 zugeordnet. Diese
-Kontakte werden von der auf der Motorwelle sitzenden Nockenscheibe 27 betätigt.
Nach einer Drehung um 30° sind in Umlaufrichtung fortschreitend jeweils zwei Erregerspulen
zu- bzw. zwei abgeschaltet. Durch die Buchstaben a ... d ist
angegeben, welche der vier mit den gleichen Buchstaben gekennzeichneten Spulen von
dem jeweiligen Kontakt geschaltet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die beispielsweise dargestellten Ausführungen
beschränkt. Die Zahl der Polpaare kann noch vergrößert werden, wobei der Rotor die
gleiche Polpaarzahl oder ein Polpaar mehr als der Stator besitzt.