DE2132477B2 - Elektromotor - Google Patents
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- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
- H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
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Description
30
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)
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.
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