DE1538976A1 - Elektromotor - Google Patents

Description

D-1984

Sanders Associates, Inc. Nashua, New Hampshire, U.S.A.

Elektromotor

Es gibt zahlreiche Fälle, in denen es wünschenswert ist, einen Elektromotor mit konstanter Drehzahl und hohem Trägheitsvermögen einzusetzen, der darüber hinaus ausserdem noch die dazu etwas im Widerspruch stehenden merkmale der Kompaktheit und eines verhältnismässig geringen Gesamtgewichtes aufweist. Ein typisches Anuiendungsbeispiel hierfür ist die für Tonbandgeräte benutzte Antriebsvorrichtung. Eine dauerhafte Drehzahlkonstanz erhält man mühelos mit einem Synchronmotor, der an eine Energiequelle mit verhältnismässig konstanter Frequenz angeschlossen ist. Kurzzeitige Schwankungen, die beispielsweise infolge plötzlicher Änderungen der Motorbelastung auftreten können» verlieren weitgehend an Wirkung, indem man den (TIotor so ausbildet, dass er im Vergleich zu den Belastungsschwankungen ein verhältnismässig hohes Trägheitsvermägen auf- meist. Tatsächlich erhält der Motor zu diesem Zweck mitunter ein Schwungrad.

Andererseits soll die den motor enthaltende Anordnung häufig als leichte und raumsparende Einheit ausgebildet sein» insbesondere wenn die Anordnung für ortsveränderliche pder Bordeinaätze gedacht ist.

Ein weiteres Problem bei Kleinmotoren besteht in dem Reibungswiderstand der Schleifbürsten, über die der rotierende Anker gespeist wird. Dieser Reibungswiderstand

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beeinträchtigt den Wirkungsgrad und ausserdem auch die Laufkonstanz.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kleinmotor zu schaffen, der sich speziell zum ti_naatz in einen IKlagnetbandantriabsv/orrichtung oder in anderen Vorrichtungen eignet, die Motoren mit ähnlichen Merkmalen erfordern, d. h. einen Elektromotor mit relativ kleiner Leistungsabgabe, der sich durch seinen relativ/ hohen Wirkungsgrad, seine grosse Massenträgheit sowie sein geringes Gewicht und ■ seine kompakte Grosse auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Synchronmotor mit feststehendem Anker und einem ein axial ausgerichtetes magnetfeld erzeugenden Polradaufbau gelöst, wobei die Feldmagnete des Polradaufbaue an sich gegenüberliegenden Enden des Motors angeordnet sind und der Anker zwischen den Feldmagneten angeordnet ist und vorzugsweise aus einer Anzahl von nach Art der gedruckten Schaltungsbechnik hergestellten Scheiben besteht.

Die Erfindung umfasst die konstruktionellen Massnah-

men sowie die Anordnung der Teile und deren Kombination, wie sie nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Motor gemäss der vorliegenden Erfindung in auseinandergezogener Darstellung)

Fig. 2 eine vergrösserte Ansicht einer der im iotor verwendeten Ankerscheiben}

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Rotor, der seinen Einsatz in einem tonbandantrieb verdeutlicht und

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Fig« 4 das Blockbild einer den motor enthaltenden ■

elektrischen Schaltungsanordnung.

Die vorliegende Erfindung besteht hauptsächlich in der speziellen-Konstruktion eines Motors mit feststehendem Anker und rotierendem Polrad. Die umlaufenden Feldmagnete, die gleichzeitig auch die Polstücke bilden, sind an entgegengesetzten Lnden des Motors angeordnet. Das Magnetfeld verlauft also parallel zur Motor achse und nicht -wie bei den meisten konventionellen Motoren - in Radialrichtung. Die Ankerwicklung wird vorzugsweise nach Art der gedruck- ä ten Schaltungstechnik in mehreren, auf dünnen Trägern geklebten Schichten hergestellt.

Bei feststehendem Anker werden keine Bürsten benötigt, so dass die mit ihrer Verwendung verbundenen Probleme entfallen. Ausserdem ist der gesamte Ankey, d. h. der feststehende Teil des Motor8, dadurch sehr dünn. Für dieses Bauelement wird also kein t-isen benötigt, so dass der Anker ein niedriges Gewicht hat. Die schweren Teile des fflotors sind somit alle den umlaufenden Feldmagneten zugeordnet, «odurch das Verhältnis von Trägheit zur Gesamtmotormasse sehr gross ist. Der erfLndungsgemässe Motor zeichnet sich also nicht nur durch infolge geringer Reibung und hoher Trägheit bewirkte Laufkonetanz aus, sondern auch durch Kompaktheit, wie noch aus der nachstehenden, detaillierten Beschreibung der Erfindung ersichtlich wird.

Ulie Fig. 1 zeigt, enthält der motor zwischen den Polrädern 12 und 14 einen allgemein mit 10 bezeichneten

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Ankeraufbau. Die Polräder sitzen auf einer auf der lilelle 18 drehfest angeordneten Nabe 16.

Jedes Polrad 12, 14 enthält eine Anzahl von aus einer Platte 22 hervorstehenden Polstücken 20. Die Platte 22 besteht aus einem geeigneten magnetischen Material geringen magnetischen Uliderstandes oder hoher Permeabilität, wie beispielsweise Eisen. In dem bevorzugten Ausführungebeispiel des motors sind die sich nach innen, also parallel zur Iflotorachse erstreckenden Polstücke als Dauermagnete ausgebildet, so dass sie das unveränderliche Feld des filotors bilden. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, sind die aufeinander ausgerichteten Polstücke der Polräder 12 und 14 jeweils gleichsinnig gepalt.

Zum Ankeraufbau 10 gehören die Ankerkarten 24, 26 und 28, auf denen nach Art der Ätztechnik hergestellte Ankerwicklungen vorgesehen sind, ÜJie am besten aus Fig. 2 zu ersehen ist, bestehen die einzelnen Karten jeweils aus einem Träger 30, auf den ursprünglich eine (nicht gezeigte) Kupferfolie aufgeklebt ist. Die Folie wird weggeätzt, um eine Wicklung 32 zu bilden, deren Form und Breit· den die einzelnen Polstücke 20 umgebenden Zwischenräumen entspricht. Auf der Karte 24 stellt die Wicklung 32 einen Leiter dar, der am Anschlusspunkt 34 beginnt, dann zickzackförmig mehrere IDaIe vollständig um die Karte herumläuft und schliesslich am Anschlusspunkt 36 endet. Die Wicklungen 32 sind in Reihe geschaltet, wobei die Zusammenschaltung so erfolgt, dass der Ankeretrom durch alle Wicklungen jeweils in derselben Richtung flieset*

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Fig. 3 zeigt den montierten Motor in seinen Einzelheiten. Der motor befindet sich in einem allgemein mit 38 bezeichneten Gehäuse, das ein oberes Gehäuseteil 40

sowie ein unteres Gehäuseteil 42 aufweist. Zwischen den neiden Gehäuseteilen 40 und 42 sind zwei Paar Befestigungselemente 44, 46 eingeklemmt, die sich nach innen erstrekken und ihrerseits den Ankeraufbau 10 zwischen den beiden Polrädern 12 und 14 des Motors festklemmen.

Wie Fig. 3 ferner zeigt, besteht der Nabenaufbau 16

aus einer mittleren Nabe 48 und zwei Aussenf!ansehen 50 ™

und 52. Aussenflansch 50 und Nabe 48 bestehen aus einem Stück. Dagegen lässt sich der Aussenflansch 52 abnehmen, um den Motor besser zusammenbauen und zerlegen zu können. Das Polrad 12 istmit durch die Platte 32 des Polrades hindurchragenden Schrauben 54 am Aussenflansch 50 angeschraubt. Auf ähnliche Weise ist das Polrad 14 mit HiIfB der durch die Platte 22 dieses Polrades hindurchragenden Schrauben 56 befestigt, wobei diese Schrauben gleichzeitig auch

zur Befestigung des Aussenflansches 52 an der Nabe 48 i

dienen. Die Nabe 48 sitzt unter Zuiischenschaltung einer Büchse 58 drehfest auf der liJelle 18, die ihrerseits in Edelsteinlagern 60, 62 drehbar- gelagert. ist..

Die UJeIIe. 18 ist an ihren Enden aufgebohrt, um die Layersteine 64 und 66 aufzunehmen, zwischen denen Zapfen 68, 70 angeordnet sind. Der untere Zapfen 70 ist in einer Scheibe 72 eingelassen, die in einer mit der Bodenplatte 76 des unteren Geheuseteiis 42 aus einem Stück bestehenden Schale 74 sitzt. Der obere Zapfen 68 sitzt in einem Befe-

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stigungswinkel 7Β, der mit Hilfe einer Schraube 82 an der Deckplatte Θ0 des oberen Gehäuseteils 40 befestigt ist. Wie die Zeichnung zeigt, -wird der aus den Polrridern 12 und 14, dem Nabenaufbau 16 und dur Uelle 18 bestehende Rotor uon· der Schraube 82 und dem Btfestigung3u/inkel 78 so gehalten, dass er um die Achse der Uelle rotieron kann. Die Uelle meist eine Verjüngung 84 auf, so dass sie in einem konventionell angetriebenen Tonbandgerät gleichzeitig als Tonuielle (Capstan) dienen kann. Tonband und Spulen

P des Tonbandgerätes sind allgemein mit 86 bezeichnat.

Ulie F ig. 3 ferner zeigt, wird zwecks Verringerung won Streuuerlusten der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Polstücken 20 der beiden Polräder 12 und 14 so schmal ujie möglich bemessen, indem man die Dicke des Ankeraufbaus 10 sou/ie den Spalt zwischen dem Ankeraufbau und den Polstücken möglichst klein hält.

Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausbildung der Ankerwicklungen arbeitet der Motor als Einphasen-

^ Synchronmotor. Somit entfällt das bei Blehrphasenerregung auftretende Drehfeld und damit das Anlaufmoment, wenn der zu Beginn in die Ankerwicklung geleitete Strom eine Frequenz aufweist, die der gewünschten Betriebsdrehzahl des IDotors entspricht. Der Motor utird daher vorzugsweise an finer frequenzv/eränderbaren energiequelle betrieben. Diese Energiequelle wird auf eine niedrige Frequenz eingestellt und der Motor uon Hand oder mit Hilfe einer (nicht gezeigten) unter Federspannung stehenden Einrichtung angeworfen, worauf er in Synchronisation mit der Energiequelle gelangt,

deren Frequenz dann anschliessend auf den Betriebswert erhöht wird, wobei die Klotordrehzahl entsprechend zunimmt. Eine Anordnung dieser Art zeigt Fig. 4, bei der der liiotor BB des in Fig. 1 und 3 gezeigten T_ypa ah einer frequenzveränderbaren Energiequelle 90 betrieben wird.

Die Erhöhung der Frequenz der Energiequelle 90 kann automatisch erfolgen, indem eine den Ankerwicklungen ahnliche Hückkopplungswicklung benutzt wird. Beispielsweise kann die auf der Ankerkarte 28 vorgesehene Wicklung 32 dazu benutzt werden, der Energiequelle 90 ein Rückkopplungssignal zuzuleiten, dessen Frequenz der Drehzahl der Polräder 12 und 14 entspricht. Die Energiequelle 90 wertet dann dieaes Signal aus, um den Ankerwicklungen der Ankerkarten 24 und 26 einen solchen Antriebsstrom zuzuführen, dass sich die Drehzahl des Motors etwas erhöht. Durch diesen geschlossenen Schleifenbetrieb erreicht der Iflotor rasch seine Betriebsdrehzahl.

Der vorstehend beschriebene bürstenlose Synchronmotor u/eist einen grossen Wirkungsgrad sowie ein hohes Verhältnis von,Trägheit zu Gesamtmasse auf und zeichnet sich somit durch eine für einen motor seiner Grosse relativ grosse Laufkonstanz bei kurzzeitigen Belastungsechwankungen

aus. Erreicht wird dies dadurch, dass als Rotor ein schwerer Polradaufbau und als Ständer ein kompakter, leichter Anker benutzt wird. Die axiale Feldanordnung trägt aueserdem wesentlich zu einer raumsparenden ^Mnordnung mit bei, wie sie im Falle von tragbaren Wlotorkonstruktionen erwünscht ist. Die hier dargestellte spezielle Konstruktion

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erleichtert die Herstellung sowie den Zusammenbau der IiIotorteile. Als Tatsache ist ferner nicht zu übersehen, dass der Motor im Synchronbetrieb wirkungsvoll arbeitet und bei kleinen Drehzahlen ein uerhältnismässig hohes Drehmoment abgibt, so dass die bei Kleinmotoren häufig erforderlichen Untersetzungsvorrichtungen in vielen Fällen wegfallen können. Ebenfalls vorstehend beschrieben wurde ein Bandantriebsystem mit einem motor des obengenannten Typs.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Elektromotor, gekennzeichnet durch zwei Polräder, die zwecks Rotierens zusammen auf einer Drehachse im Abstand voneinander so angeordnet und ausgebildet sind , dass sie einen Spalt bilden, der in einem von ihnen ausgehenden, im wesentlichen konstanten magnetfeld liegt, und einen Ankeraufbau, der in dem Spalt angeordnet und gegen Umlauf mit den Polrädern gesichert ist und der mindestens eine Wicklung aufweist, die aus einem mehr oder weniger spiralförmigen Leiter besteht und so ausgebildet ä

   ist, dass zwischen ihr und dem magnetfeld eine Wechselwirkung auftritt, wenn durch den Leiter Strom geschickt wird, wodurch die Polräder umlaufen.

   2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung aus einem Leiter aus auf einen scheibenförmigen Träger aufgeklebter metallfolie besteht.

   3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl dieser Wicklungen in Reihe geschaltet ist.

   4. fflotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Polrad einen Träger und eine Anzahl von Polstücken aufweist, die auf dem Träger sitzin und sich in dessen Axialrichtung erstrecken, wobei die einzelnen Polstucke jeweils einem Polstück des anderen Polrades gegenüberliegen und jedes Paar einander gegenüberliegender Polstücke im axialen Abstand voneinander angeordnet ist und ein im wesentlichen konstantes Magnetfeld erzeugt, in welchem der von ihm -.gebildete Spalt liegt, dass der Ankerauf-

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   bau einen als Scheibe ausgebildeten, senkrecht zur Drehachse angeordneten Träger und eine folienartige Wicklung aufweist, die mit dem Träger verklebt ist und eine mehr oder weniger spiralförmige Form hat, und dass die Wicklung einen gewundenen Pfad bildet, der den um und zwischen den Polstücken vorhandenen Zwischenräumen entspricht.

   5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Ankerwicklungen in Reihe geschaltet ist.

   6.-motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gehäuse, vom Gehäuse getragene Lager, eine innerhalb des Gehäuses in den Lagern zwecks Drehung um eine Drehachse yelagerte Welle, eine auf der UJeIlB drehfest angeordnete Nabe, die an der Aussenseite eines zentralen Rohrstückes zwei Radialflanschen aufweist, zwei Polräder, die jeweils eine an einem der Radialflanschen befestigte Platte und eine Anzahl von Feldmagneten enthalten, die sich von der Platte in Richtung zum anderen Polrad erstrecken und auf einem zur Drehachse konzentrisch verlaufenden Kreisbogen liegen und Flächen aufweisen, die den Flächen der Feldmagnete des anderen Polrades gegenüberliegen, wodurch zwischen den beiden Polrädern ein Spalt gebildet wird, wobei die Polräder ein im wesentlichen konstantes Magnetfeld abstrahlen, in welchem der Spalt liegt, und die Richtung des Magnetfeldes zwischen den einzelnen Paaren einander gegenüberliegender fflagnetfliehen sich abwechselnd ändert, einen Ankeraufbau, der im Spalt angeordnet und am Gehäuse befestigt ist, um ein Umlaufen mit den Polrädern zu verhindern,

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   und der mindestens einen scheibenförmigen Träger aufweist, der im wesentlichen senkrecht zur Druhachse angeordnet ist, ferner einen Flachleiter, der mit dem Träger verklebt ist und die Form einer aus einer Anzahl Windungen bestehenden Spirale hat, wobei jedB Windung des Leiters einem gewundenen, den zwischen und um die Feldmagne- te eines Poirades vorhandenen Zwischenräumen entsprechenden Pfad folgt und dabei eine Teilwindung bildet, die jeweils einem Paar einander gegenüberliegender Feldmagnete entspricht, wobei aufeinanderfolgende Teilwindungen entgegengesetzte Polarität aufweisen.

   7, Bandantriebsystem mit einem Band, einer Ab- und einer Aufwickelvorrichtung für das Band und einem Motor, um das Band zwischen der Abwickel- und der Aufwickelvorrichtung zu transportieren, dadurch gekennzeichnet, dass der , Motor zuei Polräder enthält, die zwecks Rotierens zusammen auf einer Drehachse im Abstand voneinander so angeordnet und ausgebildet sind, dass sie einen Spalt bilden, der in einem von ihnen ausgehenden, im wesentlichen konstanten Magnetfeld liegt,, und einen Ankeraufbau, der in dem SpAt angeordnet und gegen Umlauf mit den Polrädern gesichert ist.und der mindestens eine Wicklung aufweist, die aus einem mehr oder weniger spiralförmigen Leiter besteht und so ausgebildet ist, dass zwischen ihr und dem magnetfeld eine Wechselwirkung auftritt, wenn durch den Leiter Strom geschickt wird, wodurch die PoIrader umlaufen.

   Θ. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der fllotor eine um eine Achse drehbar angeordnete Welle

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   aufweist, ferner zuiei drehfest auf der Welle sitzende Polräder, die jeweils einen Träger und eine Anzahl von Polstücken enthalten, die auf dem Träger sitzen und sich in dessen Axialrichtung erstrecken, wobei die einzelnen Polstücke jeweils einem Polstück des anderen Polrades gegenüberliegen und jedes Paar einander gegenüberliegender Polstücke im axialen Abstand voneinander angeordnet ist und ein im wesentlichen konstantes magnetfeld erzeugt, in uiel-

   _fc ehern der von ihm gebildete Spalt liegt, einen im Spalt angeordneten und gegen Umlauf mit den Polrädern gesicherten Ankeraufbau, der einen scheibenförmigen und senkrecht zur Drehachse angeordneten Träger und eine folienartige Wicklung aufweist, die mit dem Träger verklebt ist und eine mehr oder weniger spiralförmige Form hat und einen gewundenen Pfad bildet, der um und zwischen den Polstücken vorhanden Zwischenräumen entspricht.

   9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die UIeHe eine Verjüngung aufweist, gegen die das

   \ Band zwecks direkten Antriebes durch den motor anliegt.

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