DE2115405A1

DE2115405A1 - Elektromotor

Info

Publication number: DE2115405A1
Application number: DE19712115405
Authority: DE
Inventors: Toyoshi Gifu; Hinachi Matatoyo Nagoya Aichi; Mori (Japan)
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 1970-04-07
Filing date: 1971-03-30
Publication date: 1971-10-28
Also published as: US3684907A; DE2115405B2; FR2092558A5; GB1349577A; JPS5228969B1; DE2115405C3

Description

Kabushiki Kaislia Tokai Rika Denki Seisakusho, No. 1, Aza-kamisunairi, Oaza-Shimoodai, NisMbiwajima-cho, Nishikasugai-gun Aichi Prefecture, Japan

Elektromotor

Die Erfindung "bezieht sich auf einen Elektromotor.

Ea ist ein Elektromotor mit einem Permanentmägent und einer Erregerspule bekannt. Ein Beispiel eines derartigen Elektromotors ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Eine Erregerspule 2 ist an einem Gehäuse 1 befestigt. Ein an einem Rotor angeordneter Permanentmagnet 4 ist so magnetisiert, daß sich an dessen Umfang Nord- und Oüdpole abwechseln. V/eiterhin sind feste Polschuhe 3 vorgesehen, die zeitweise

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durch einen Erregerstrom, der der Erreger£;pule 2 zugeführt wird, magnetisierbar sind. Die Polschuhe sind konzentrisch zu dem Rotor aus Permanentmagnet 4- angeordnet und durch einen Luftspalt getrennt. Ferner ist bei einem derartigen herkömmlichen Elektromotor eine Nabe 5 &^us nichtmagnetischem Material vorgesehen, um den Permanentmagnet 4- auf einer Welle 6 55U halten. Ein Lager 7? das an dem Gehäuse 1 befestigt ist, dient dazu, die Welle 6 zu lagern.

Die Arbeitsweise eines derartigen bekannten Elektromotors sei im folgenden anhand der Pig. 3 beschrieben.

Wenn die Erregerspule 2 außer Strom gesetzt wird, wird der Rotor aus Permanentmagnet 4- angehalten, wobei er eine Stellung einnimmt, bei der die Grenzlinie zwischen zwei Nord- und Südpolen radial mit der Mittellinie eines Pblschuhes

3 fluchtet. Wenn der Erregerspule 2 dann ein Strom zugeführt wird, entsteht ein Magnetfluß jzL, der in Richtung des Pfeiles A fließt und ein weiterer Magnetfluß ^L,, der sich von einem Nordpol des Permanentmagneten 4- zu dessen Südpol über einen Polschuh 3a, das Gehäuse 1 und einen Polschuh 3b zu dessen Südpol erstreckt. Dadurch erhält der Permanentmagnet

4 ein Drehmoment, das in Fig. 3 nach rechts gerichtet ist. Allgemein betrachtet stammen 80 % des Magnetflusses, der durch das Gehäuse 1 fließt, aus dem Magnetfluß ^t, der durch die Erregerspule 2 erzeugt wird, die nur dazu dient, die Polschuhe 3 zu sättigen. Der Rest des Magnetflusses von 20 %, der seinen Weg über das Gehäuse 1 nimmt, ist ein Magnetfluß ^_M, der dem Rotor aus Permanentmagnet 4- ein Drehmoment verleiht. Ein derartiger Elektromotor kann also dem Permanentmagnet 4· nur ein sehr kleines Drehmoment übertragen und hat demnach geringe Leistung und einen niedrigen Wirkungsgrad.

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Der Erfindung lief;b die Aufgabe 2«u gründe, einen Elektromotor dec genannten Typs mit erhöhtem Wirkungsgrad anzugeben. Iriübesoi-.idere soll auch das Verhältnis aus Drehnoment und Trägheitskraft des Rotors im Vergleich mit dem beschriebenen herkömmlichen Elektromotor vergrößert werden.

Diese .Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen mit einem Permanentmagneten versehenen Stator, bei dem Nord- und Südpole am Umfang einander abwechselnd verteilt sind, einen Rotor -und Polschuhe aus weichmagnetischem Ma- ^ terial, die konzentrisch zu dem Permanentmagnetstator angeordnet und durch einen Luftspalt von diesem getrennt sind, wobei die Anzahl der Nord- und Südpole ein gerades Vielfaches der Anzahl dieser Polschuhe ist, ein Joch mit vorstehenden Polen, deren Anzahl gleich der Anzahl der Pole des Permanentmagnetstators ist und die so angeordnet sind, daß sie entsprechenden Polschuhen gegenüberliegen, ein aus magnetischem Material bestehendes Gehäuse, das susammen mit dem Joch und den Polschuhen einen Magnetkreis bildet eine konzentrisch zu dem Permanentmagnetstator angeordnete und mit dem durch die Polschuhe, das Joch und das Gehäuse gebildeten Magnetkreis verkettete Erregerspule, wodurch der i magnetische Widerst arid zwischen den Polschuhen und den vorstehenden Polen auf dem Joch in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors veränderbar ist.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittzeichnung eines herkömmlichen Elektromotors mit einem Permanentmagnet als Rotor;

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Fig. 2 eine Schnittzeichnung eines erfindimgsgemäßen Aus führungsbe i sp i e1s;

Fig. 3 eine weitere Darstellung des Elektromotors nach Fig. 1, bei der die Verteilung des Magnetflusses auf Rotor und Stator ersichtlich ist;

Fig. 4 eine vv^reitere Darstellung des Elektromotors nach Fig. 2, bei der die Verteilung des Magnetflusses auf Rotor und Stator sichtbar ist;

Fig. 5 Vergleichsdiagramme, die die von dem Magnetfluß erzeugten Drehkräfte bei Erregen der Spulen eines herkömmlichen und eines erfdndungsgemäßen Elektromotors zeigen;

Fig. 6a und 6b Diagramme eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Elektromotors vom Typ eines Stufenmotors, und

Fig. 7 ein Vergleichsdiagramm, mit den charakterisitisclien Kurven der Drehmomente eines herkömmlichen und eines erfindungsgemäßen Elektromotors.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispie1 in Form eines Zweiphasen-Stufenmotors (two-phase step motor) dargestellt. Ein Gehäuse 11 dient als Hauptjoch. Joche und 13 und ein Zwischenjoch 14 dienen dazu, nacheinander einen magnetischen Kreis aufzubauen. Am Gehäuse 11 sind Erregerspiilen 15 und 16 innerhalb von Abschnitten, die durch das Zwischenjoch 14 gebildet werden, befestigt. Eine Nabe 17 aus nichtmagentischem Material ist an dem Zwischenjoch 14 befestigt. Auf dieser Nabe 17 sitzen Permanentmagnete

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und 19· Diese v/eisen jeweils einen Nora- und Südpol auf, die sich am Umfang abwechseln. Die Anzahl der Ford- und Südpole ist ein geradzahliges Vielfaches der Anzahl der erwähnten. Polschuhe. An den Jochen 12 und 13 sind Lager "befestigt, die eine Welle 22 aus ni chtm agne t is chem Material aufnehmen. Auf dieser Welle 22 aus nichtmagnetischem Material sitzen Rotorkörper 23 und 24. Diese Rotorkörper 23 und 24 haben jeweils Polschuhe 25 und 26 aus weichmagentischem Material, die sich gegen ihre freien Enden ver~ . jungen. Diese Polschuhe 25 und 26 sind so angeordnet, daß ' ein Phasennachlauf von 90° eines elektrischen Winkels gegeneinander aufrechterhalten wird. Vorstehende Pole 27 und 28, deren Anzahl ein geradzahliges Vielfaches der Anzahl der Polschuhe 25 und 26 ist, sind an die Joche 12, 13 und 14 derart angeformt, daß sie entsprechenden Polschuhen und 26 auf den Rotorkörpern 23 und 24 jeweils gegenüberliegen. Auf dem nach außen stehenden Teil der Welle 22 befindet sich ein Treibrad oder Ritzel 29·

Arbeitsweise

Bei Beschicken der Erregerspulen 15 und 16 auf eine Weise, wie es in Fig. 6a dargestellt ist, arbeiten die Rotoren 23 * und 24, wie es Fig. 6b zeigt. Anhand von Fig. 4 sei die magnetische Arbeitsweise pro Phase eines Elektromotors im folgenden näher dargestellt.

Wenn die Erregerspule 15 stromlos wird, bleibt der Polschuh 25 zwischen entsprechenden Nord- und Südpolen des Permanentmagneten 18 stehen. Wenn der Erregerspule 15 dann Strom z\\- geführt wird, breitet sich ein von der Erregerspule erzeugter Magnetfluß aus, wie er durch den Pfeil C gekennzeichnet ist. Dieser Magnetfluß fließt über das Joch 12 und den Polschuh 25 des Rotorkörpers 23 in das Zwischenjoch 14. Der

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magnetische Widerstand in dem Magnetkreis des Magnetflusses φJ^ Gin Luftspalt zwischen den freien Enden des Polschuhs 25 und des Zwischen j ochs 14- wird in Zusammenarbeit mit den vorstehenden Polen 28 auf dem Zwischenjoch 14 herabgesetzt, wenn sich der Rotor bezüglich der Darstellung in Fig. 4 nach rechts bewegt. Die Polschuhe 25 werden von den vorstehenden Polen 28 auf dem Zwischenjoch 14 angezogen. Andererseits fließt ein Magnetfluß jzL·, wie er durch den Pfeil D gekennzeichnet ist. Dieser Magnetfluß entspringt an den Nordpolen des Permanentmagneten 18, fließt über den Luftspalt in das Zwischenjoch. 14, vom Joch 12 in die Polschuhe 25 und über den Luftspalt zurück zu den Südpolen des Permanentmagneten. Der magnetische Widerstand des Magnetkreises an dem Luftspalt zwischen den Polschuhen 25 und den Südpolen des Permanentmagneten 18 wird herabgesetzt, wenn sich der Rotor bezüglich Fig. 4 nach rechts bewegt«, Die Polschuhe 25 werden von den Zentren entsprechender Südpole angezogen. Da sich der magnetische Widerstand R des von der Eiregerspule erzeugten Magnetflusses φ ^ in Bezug auf den Drehwinkel 0 des Rotors in der Ungleichung

dR < dO < 0

aus drückt, kann der Magnetkreis dieses Magnetflusses jzC ein Drehmoment auf die Polschuhe 25 entsprechend der Variation des magnetischen Widerstandes R übertragen. Es wird also auf den Rotor 23 nicht nur ein Drehmoment übertragen, das durch den Magnetfluß φ-^ aus dem Permanentmagneten 18 hervorgerufen wird, sondern auch durch den Magnetfluß φ-r , der durch die Erregerspule I5 erzeugt wird.

In Fig. 5 sind zwei charakteristische, auf die Phase bezogenene Drehmomentenkurven dargestellt. Die mit oL bezeichnete Kurve rührt von einem Magnetfluß φ_τ her und die mit ß bezeichnete Kurve geht auf einen Magnetfluß φ_τ „„

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rück, der durch die Erregorspule eines herkömmlichen Elektromotors erzeugt ist. Eine charakteristische Kurve der raagtietischen Anziehung in einein Elektromotor, in dem ein Permanentmagnet als Stator gemäß der Erfindung "benutzt ist, ist in einer mit S "bezeichneten Kurve in Fig. 7 dargestellt. Die in diese Figur ebenfalls eingezeichnete, mit £~ "bezeichnete Kurve gibt die magnetische Anziehungskraft in einem herkömmlichen Elektromotor wieder. Aus den Vergleichskurven ist ersichtlich, daß die auf den erfindungsgemaßen Elektromotor zurückgehende Kurve bei weitem günstiger als die bei \ einem herkömmlichen Elektromotor ist.

Die vorliegende Erfindung kann weiterhin auch in einem Kehrphasen-Synchron-Elektromotor mit einem Permanentmagnet als Stator verwendet werden. Bei einem derartigen Mehrphasen-Synchron-Elektrcmotor kann die magnetische Anziehungskraft, wie sie in der mit & bezeichneten Kurve in Fig. 5 dargestellt ist, dadurch weit erhöht werden, daß der Erregerspule 16 ein Strom zugeführt wird, der gegenüber dem der Erregerspule 15 zugeführten Strom um einen elektrischen Winkel von 90° verzögert wird. Dadurch wird das Ausgangsdrehmoment und das Verhältnis des Drehmoments zu den Trägheitskräften gegenüber i einem herkömmlichen Mehrphasen-Synchron-Motor mit einem Permanentmagnet als Rotor erhöht, was insbesondere die Anlaufcharakteristik verbessert.

Der erfindungsgemäße Elektromotor kann als Einphasen-Synchron-Elektromotor ausgeführt werden, wenn eine der beiden in Fig. 2 dargestellten Phasen abgetrennt wird. Auch in diesem Fall ist die Anlaufcharskteristik, wie sie bei einem Mehrphasen-Synchron-Hotor beschrieben wurde oder die Aucgangsdrehmomenten-Charakteristik gegenüber einem herkömmlichen Synchron-Hotor wesentlich günstiger.

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Wie"aus dem Vorhergehenden ersichtlich ist, ist der Rotor gemäß der Erfindung mit Polschuhe/i aus weichmagnetischem Material aufgebaut. Der Magnetfluß wird durch eine Erregerspulc erzeugt und diesen Polschuhen zugleitet. Den Polschuhen gegenüberliegend sind vorstehende Pole an die Joche angeformt, um den magnetischen Widerstand für den in der Erregerspule erzeugten Magnetfluß zu variieren. Dadurch wird auf den Rotor ein Drehmoment übertragen. Weiterhin läßt sich das Verhältnis von Drehmoment zu Trägheitskraft dadurch weitgehend verbessern, daß Polschuhe mit kleinerem Trägerheitsmoment als Rotor statt eines Permanentmagneten verwendet werden.

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Claims

Patentanspruch

Elektromotor, gekennzeichnet durch einen mit einem Permanentmagneten (18, 19) versehenen Stator, "bei dem Kord-- und Südpole am Umfang einander abwechselnd verteilt sind, einen Botor (23, 24) und Polschuhe (25, 26) aus weicbmagnetischem Material» die konzentrisch zu dem Permanentmagnetstator angeordnet und durch einen Luftspalt von diesem getrennt sind, wobei die Anzahl der Nord- und Südpole ein gerades Vielfaches der Anzahl dieser Polschuhe ist, ein Joch (12, 15, 14) mit vorstehenden Polen (27, 28), deren Anzahl gleich der Anzahl der Pole des Permanentmagnetstators ist und die so angeordnet sind, daß sie entsprechenden Po!schuhen gegenüberliegen, ein aus magnetischem Material bestehendes Gehäuse (11), das zusammen mit dem Joch und den Polschuhen einen Magnetkreis bildet, eine konzentrisch zu dem Permanentmagnetstator angeordnete und mit dem durch die Polschuhe, das Joch und das Gehäuse gebildeten Magnetkreis verkettete Erregerspule (15, 16), wodurch der magnetische Widerstand zwischen den Polschuhen und den vorstehenden Polen auf dem Joch in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors veränderbar ist.

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