DE2132477B2 - Elektromotor - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Permanentmagnetläufer mit ρ Polen, mit einem Ständer mit q ausgeprägten Polen und q auf die Pole aufgewickelten Ständerspulen, die so zusammengeschaltet sind, daß eine /n-phasige Ständerwicklung gebildet wird, wobei die Zahl q ein Vielfaches der Zahl m und kleiner als die Zahl ρ ist.

Bei einem derartigen bekannten Elektromotor (DE-PS 92 958) wird die Beziehung zwischen der Zahl der Ständerspulen und der Zahl der Läuferpole als s = ρ ± fangenommen, wobei »Meine kleine Zahl, d. h. gleich 1 oder 2, sein soll, obgleich der Permanentmagnet des Läufers viele Pole aufweist, d. h. ρ = 14 oder 34 ist. Wird nun z. B. der Motor als Dreiphasenmotor betrieben, so vermag nicht jede Spule des Ständers die zur gleichen Phase gehört, elektromagnetisch jedem Pol des Permanentmagneten des Läufers gegenüberliegen. Es kann somit nicht jede Ständerspule wirksam mit dem von jedem Pol des Permanentmagneten des Läufers ausgehenden magnetischen Fluß verkettet sein. Ein derartiger Motor weist eine geringe Bremskraft auf, so daß der Einfluß letzterer auf die Schwankung der Umlaufgeschwindigkeit des Läufers auf Grund der Unwirksamkeit des Motors kein zu lösendes Problem darstellt.

Bei einem langsam laufenden Elektromotor ist ein vielpoliger Aufbau unerläßlich trotz der Schwierigkeiten bei dessen Herstellung. Abgesehen davon, daß ein vielpoliger permanentmagnetischer Läufer angefertigt werden muß, ist auch die Anfertigung des Ständers mit w> dessen Wicklungen schwierig. Bei einem vielpoligen Motor weist der Ständer eine Vielzahl von Zähnen und Nuten auf, die immer schmaler bemessen werden müssen, wenn die Anzahl der Pole erhöht wird. Das rasche Aufsetzen der Wicklungen direkt auf die Zähne ·>-> ist daher mit Schwierigkeiten verbunden und kann kaum mechanisiert werden.

Bei der Schleifen- oder Parallelwicklung beträgt die Anzahl der Ständernuten ein Vielfaches der Anzahl der Pole des permanentmagnetisierten Läufers. Sollen alle Ständernuten mit Wicklungen versehen werden, so ist eine große Anzahl von Wicklungen erforderlich. Nachdem die Spulen zuvor gewickelt und geformt worden sind, werden sie in Abhängigkeit von der Polteilung in die Nuten eingelegt und miteinander so verbunden, daß sie mit dem permanentmagnetischen Läufer zusammenwirken können. Bei der Schleifenwicklung weisen die Spulenköpfe eine erhebliche Länge auf, da sich die Spulen über mehrere Nuten hinweg erstrecken, wobei alle Spulen in den gleichen Abständen angeordnet sind. Aus diesen Gründen stellt die bei dieser Anordnung benötigte große Menge Kupferdraht einen Verlust dar, der die Leistung eines Elektromotors beeinträchtigt Weiterhin entstehen größere Verluste aus der Hysteresis und der Wirbelströme, da eine Anzahl schmaler Zähne den eine hohe Dichte aufweisenden Magnetfluß aus dem permanentmagnetischen Läufer aufnimmt. Ferner tritt eine nachteilige Vibration auf als Folge der starken Anziehungskräfte, die durch das Zusammenwirken des Eisenkerns des Ständers mit dem permanentmagnetischen Läufer erzeugt worden.

Diese wechselseitige Beeinflussung wird später noch ausführlich beschrieben. Um diese hemmende Kraft zu vermindern, werden die Nuten am Ständer üblicherweise abgeschrägt, wodurch jedoch das Aufbringen der Ständerwicklungen erschwert wird.

Im vorliegenden Fall wird ein Ständerkern mit ausgeprägten Polen vorgesehen. Solche Ständerkerne werden oftmals bei einem Motor mit wenigen Polen verwendet, z. B. mit drei Ständerpolen und mit zwei Polen eines permanentmagnetischen Läufers, oder auch bei einem Motor mit vier Ständerpolen und mit einem zweipoligen permanentmagnetischen Läufer. Dieses Verhältnis der Anzahl der Ständerpole zur Anzahl der Läuferpole kann auch bei einem vielpoligen Motor verwendet werden. Ist jedoch die Anzahl der Ständerpole großer als die Anzahl der Läuferpole, so sind immer noch viele Ständerwicklungen erforderlich. Außerdem muß der Spalt zwischen den Ständerpolen genügend weit bemessen werden, damit die Wicklung des Ständers ohne Schwierigkeiten ausgeführt werden kann. Je mehr Pole ein Elektromotor aufweist, um so schmaler wird derjenige Teil der Ständerpole, der dem Läufer zugewandt ist. Aufgrund des sehr kleinen Abstandes der Ständerpole im Vergleich zu den Abständen der Läuferpole wird der Magnetfluß des permanentmagnetischen Läufers nicht genügend ausgenutzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor der eingangs erwähnten Art bei Gewährleistung eines wirksamen Betriebs desselben derart zu gestalten, daß der Einfluß der Bremskraft auf Drehgeschwindigkeit wirkungsvoll so verringert wird, daß beim Einsatz des Motors zum Betrieb eines Tonbandgerätes die langsamen und schnellen Tonhöhenschwankungen reduziert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die ausgeprägten Pole des Ständerkerns, die zur gleichen Phase gehören, im Abstand eines Vielfachen der Polteilung der Pole ρ des Permanentmagneten des Läufers angeordnet sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes des A 1 ergeben sich aus den Unteransprüchen. Wie aus der einzigen Figur hervorgeht, weist ein Läuferjoch 1 einen Permanentmagneten 2 auf, der an der einem der

Ständer zugewandten Innenseite so magnetisiert ist, daß 10 Magnetpolpaare oder 20 Magnetpole gebildet werden. Diese sind hiernach mit N^y und Sq) bezeichnet, wobei / = 1, 2, 3, 4, 5 und j — 1, 2 ist und wobei der Nordpoi mit Λ/und der Südpol mit S bezeichnet ist Der Ständerkern 3 weist 15 ausgeprägte Pole ^y, und s, auf, wobei / = 1, 2,3,4,5 ist Der dem Permanentmagneten des Läufers zugewandten Polköpfe sind breiter als der je eine Ständerwicklung tragenden Polschäfte. Die Ständerwicklungen sind mit Xj, Yj und Z, bezeichnet und i υ sind dementsprechend dreiphasig, wobei / = 1,2,3,4, 5 ist Fünf Ständerwicklungen gehören daher der gleichen Phase an, und zwar Xi (i = 1,2,3,4,5), Y₁ (i = 1,2,3,4,5) und Z, (i = 1, 2, 3, 4, 5). Die einzelnen Spulen sind natürlich entsprechend zusammengeschaltet und mit- π einander verbunden. Der elektrische Abstand der Phasenwicklungen voneinander beträgt 120°.

Nachstehend wird die Bremskraft behandelt, die durch wechselseitige Einwirkung zwischen dem permanentmagnetischen Läufer und derr. aus einem magnetisierbarer)! Material, z. B aus Eisen hergestellten Ständerkern erzeugt wird, selbst wenn der Ständer keinen Strom erhält. Der permanentmagnetische Läufer weist eine Anzahl von Magnetpolen auf, die den Ständerkern anziehen. Die zwischen dem Ständer und dem Läufer wirksame gesamte Kraft wird beeinflußt von der Form des Ständerkerns also im vorliegenden Fall auch von der Zahl der ausgeprägten Pole abhängigen Änderung des magnetischen Widerstandes längs des Ständerumfanges, und der Verteilung der ω magnetischen Kraft im Permanentmagneten des Läufers. Die magnetische Kraft an einem Punkt des permanentmagnetischen Läufers kann mit dem gesamten magnetischen Material des Ständerkerns in Wechselwirkung stehen. Daher kann die gesamte Wechselwirkungskraft zwischen Ständerkern und permanentmagnetischem Läufer durch das Integral der gesamten Verteilung der magnetischen Kraft des permanentmagnetischen Läufers ausgedrückt werden. Wenn sich der Läufer dreht, wird die gesamte Wechselwirkungskraft durch die relative Winkelstellung zwischen Ständer und Läufer variiert. Die Bremskraft muß dann in Übereinstimmung mit der relativen Winkelstellung zwischen ihnen errechnet werden und ist beim erfindungsgemäßen Motor, wie die 4 > mathematische Analyse zeigt, sehr gering.

Die Bremskraft kann mathematisch analysiert werden durch das Integral des Produktes der Ständerfunktion, die von der Form des Ständers bestimmt wird, und der magnetischen Verteilungsfunktion des Läufers, die >o zu der magnetischen Kraft des permanentmagnetischen Läufers in Beziehung steht. Weist bei einem Elektromotor z. B. der Ständerkern 60 Nuten und der Permanentmagnet des Läufers 20 Pole auf, so kann die Ständerformfunktion als eine Funktion mit einer 60 einzelne Schwingungen pro Umdrehung aufweisenden Periode dargestellt wenden, während die magnetische Verteilungsfunktion des Läufers als eine periodische Funktion mit einer zwanzig einzelne Schwingungen pro Umdrehung aufweisenden Periode dargestellt werden < kann. Jede Ständerformfunktion wird in Fourierschen Reihen zu einer Fundamentalkomponente mit einer Periode von sechzig Zyklen pro Umdrehung und deren harmonischen Komponenten entwickelt, während die magnetische Verteilungsfunktion des Läufers zu einer Fundamentalkomponente mit einer Periode von zwanzig Zyklen pro Umdrehung und deren harmonischen Komponenten entwickelt wird. Entsprechend den Merkmalen der orthogonalen Funktion stellt die Entwicklung der genannten beiden Funktionen eine lineare Kombination von Sinuswellenkomponenten dar, deren Perioden aus einem gemeinsamen Vielfachen der Fundamentalperioden in den genannten beiden Funktionen bestehen. Die Bremskraft kann daher dargestellt werden durch eine Fundamentalkornponente mit einer Periode von sechzig Zyklen pro Umdrehung und deren harmonischen Komponenten. Die Func'amentalkomponente der Bremskraft ist sinuswellenförmig mit einer Periode von sechzig Zyklen. Die Amplitude der Fundamentalkomponente in der Bremskraft ist ein Produkt aus den Amplituden in der Bremskraft ist ein Produkt aus den Amplituden der Fundamentalkomponente der Ständerformfunktion und der dritten harmonischen Komponente der magnetischen Verteilungsfunktion des Läufers. Die Zahl 60 stimmt mit der der Fundamentalperiode in der Ständerfunktion überein, und die dritte harmonische Komponente der magnetischen Verteilungsfunktion des Läufers mit einer Periode von sechzig Zyklen ist unvermeidbar, da die Magnetisierung eines Permanentmagneten nicht genau bestimmt werden kann. Danach wird die Amplitude der Fundamentalkomponente der Bremskraft, die sinuswellenförmig mit einer Periode von sechzig Zyklen ist, groß. Infolgedessen wird bei einer Umdrehung des Läufers sechzigmal eine verhältnismäßig große Bremskraft erzeugt.

Nachstehend wird die Konstruktion des erfindungsgemäßen Motors gemäß der einzigen Figur näher erläutert. Bei diesem Motor, dessen Ständerkern fünfzehn vorstehende Pole und dessen permanentmagnetischer· Läufer zwanzig Pole aufweist, besteht die Ständerformfunktion aus einer Fundamentalkomponente mit einer Periode von fünfzehn Zykien pro Umdrehung und deren harmonischen Komponenten, während die magnetische Verteilungsfunktion des Läufers aus einer Fundamentalkomponente mit einer Periode von zwanzig Zyklen pro Umdrehung und deren harmonischen Komponenten besteht. Das gemeinsame Vielfache der Perioden der genannten beiden Funktionen ist 60 und das Vielfache dieses Wertes. Danach weist die Fundamentalkomponente der Bremskraft eine Periode mit 60 Zyklen pro Umdrehung auf. Die Amplitude der Fundamentalkomponente in der Bremskraft ist jedoch das Vielfache der Amplituden der vierten harmonischen Komponente der Ständerformfunktion und der dritten harmonischen Komponente der magnetischen Verteilungsfunktion des Läufers. Die Fundamentalkomponente von sechzig Zyklen in der Bremskraft weist überhaupt keine Beziehung zur Fundamentalkomponente von fünfzehn Zyklen der Ständerformfunktion auf. Die Fundamentalbremskraft ist nicht eine Folge der Fundamentalkomponente der Ständerformfunktion, da die Anzahl der vorstehenden Ständerpole kleiner ist als die Anzahl der Pole des permanentmagnetischen Läufers. Der erfindungsgemäße Elektromotor erzeugt daher eine geringere Bremskraft und läuft gleichmäßig. Da beim Lauf dieses Motors praktisch keine Unregelmäßigkeiten auftreten, so ist dieser Motor besonders gut geeignet für Tonbandgeräte, Plattenspieler und dgl.

Da der Ständer nur wenige vorstehende Pole auiweist, so kann der Spalt zwischen den Polen verhältnismäßig weit bemessen werden, so daß weniger Ständerspulen vorgesehen zu werden brauchen. Die Ständerspule kann auf jeden Ständerpol leicht und direkt aufgewickelt werden. Da der untere Teil des die

Wicklung tragenden Ständerpoles schmaler sein kann als der obere Teil, ohne daß eine Sättigung des Magnetflusses erfolgt, so werden die zum Lauf des Motors keine Beziehung aufweisenden Spulenenden kürzer, so daß auch die Kupferverluste kleiner werden. Weiterhin werden auch wegen der nur wenigen vorstehenden Pole des Ständers die vom Magnetfluß aus dem permanentmagnetischen Läufer verursachten Eisenverluste kleiner.

In der Figur sind die beiden Seiten des Polbogens des Ständerpols Z₅ mit 5 und 6 und die Mitte mit 7 bezeichnet. Der Spalt zwischen den Ständerpolen und dem Permanentmagneten ist an den beiden Seiten 5 und 6 des Ständerpoles größer als in der Mitte 7. Wie aus der einzigen Figur zu ersehen ist, sind die zu einer Ständerphasenwicklung gehörenden Ständerspulen um den Ständerkern herum in den gleichen Abständen angeordnet. Im Verlauf der Drehung des Läufers wiederholt sich die Flußverkettung zwischen einer Ständerphasenwicklung und einen Läuferpol nach räumlich 360°/5, bzw. elektrisch um 2 χ 360° mit anderen Worten, die Ständerphasenwicklung X mit den Ständerspulen λ", wirkt mit den Magnetpolen /V,(i) des Läufers zusammen, und nach einer Drehung des Läufers um 360°/5 wirkt die genannte Ständerphasenwicklung

X mit den Magnetpolen Λ/,₊ φ) zusammen. Außerdem entspricht der Abstand von zwei Magnetpolpaaren (TV₁(I), 5,(i) (Ni(2), 5,(2)) im permanentmagnetischen Läufer dem Winkelabstand derjenigen Ständerpole, die zu derselben Ständerphase gehören, wie z. B. zwischen Xi und Xi + i. Während der Läufer sich um 360°/5 dreht, wird die Ständerphasenwicklung von zwei Magnetpolpaaren des Läufers, d.h. von vier Magnetpolen, überquert. Die Ständerphasenwicklung wirkt andererseits nur mit Polpaargruppen des permanentmagnetischen Läufers zusammen, wenn der Motor läuft. Des besseren Verständnisses wegen wurden bei den Läufermagnetpolen (7Sfy> S^j) die Werte 1 und 2 für j angenommen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß der gesamte Permanentmagnet des Läufers in zwei Gruppen aufgeteilt ist. Die Ständerphasenwicklungen wirken daher abwechselnd mit nur zwei Gruppen des Permanentmagneten des Läufers zusammen. Die Anzahl der Gruppen des Permanentmagneten des Läufers wird hiernach als Anzahl der »Zustände« bezeichnet. In dem oben beschriebenen Falle weist der Motor zwei Zustände auf. Die Schwankungen des erzeugten Drehmomentes vermindern sich mit der Anzahl der Zustände.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektromotor mit einem Permanentmagnetläufer mit ρ Polen, mit einem Ständer mit q ausgeprägten Polen und q auf die Pole aufgewickelten Ständerspulen, die so zusammengeschaltet sind, daß eine m-phasige Ständerwicklung gebildet wird, wobei die Zahl q ein Vielfaches der Zahl m und kleiner als die Zahl ρ ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgeprägten Pole des to Ständerkerns (3), die zur gleichen Phase gehören, im Abstand eines Vielfachen der Polteilung ρ des Permanentmagneten (2) des Läufers angeordnet sind

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklung (X, Y, Z) für (2/7 + 1) Phasen eingerichtet ist, wobei π eine ganze Zahl ist, und daß das Verhältnis der Pule des Permanentmagneten (2) des Läufers zur Anzahl der Pole des Ständers (2n + 2): (2n + 1) beträgt

3. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklung (X, Y, Z) für 2n Phasen eingerichtet ist, und daß das Verhältnis der Anzahl der Pole des Permanentmagneten (2) des Läufers zur Anzahl der Pole der Ständer (n + \):n beträgt.