DE2155268A1 - Synchronmotor, insbesondere Synchron motor mit Permanentmagneten - Google Patents

Description

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Karl A. "rose

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DBr/By München-Pullach, den 4.November 1971

Case 8-G

McGRAW-EDISON COMPANY, 333 West River Road, Elgin, Illinois, USA.

Synchronmotor, insbesondere Synchronmotor mit Permanentmagneten

Die Erfindung betrifft allgemein Synchronmotoren und insbesondere Synchronmotoren der Art, die einen Permanentmagneten in vielen Fällen als den drehenden Teil des Motors verwenden.

Motoren von dem Typ, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht, verwenden allgemein und üblicherweise einen Permanentmagneten nls Rotor, der mit einer V/echselstromerregerwicklung zusammenwirkt, wobei die Erregerwicklung den Rotor umfassend mit flussleitenden Foldpolen angeordnet ist, die um den Aussenumfang des permanentmagnetischen Rotors dazwischen angeordnet sind. Der Aussenumfang oder die Umfangsoberflache des Permanent-

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magneten ist mit abwechselnden Nord- und Südpolen ausgebildet, die mit den Feldpolen reagieren, wenn die Feld- oder Erregerpole ihre magnetische Polarität synchron mit der Frequenz des Wechselstromes ändern und dadurch die Rotorbewegung erzeugt.

Die charakteristischen Eigenschaften eines derartigen Synchronmotors verlassend und diese verbessernd liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Synchronmotor mit Permanentmagnet zu schaffen, der ein verbesse tes Rotorausgangsdrehmoment auf v/eist, während er gleichzeitig einen verbesserten elektrischen Wirkungsgrad des Motors zeigt.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, einen verbesserten Permanentmagnet-Synchronmotor des axialen Luftspalttypes zu schaffen, der ein verbessertes Ausgangsdrehmoment und einen hohen elektrischen Wirkungsgrad aufweist.

Zusätzlicher Gegenstand der Erfindung ist es, einen verbesserten Permanentmagnet-Synchronmotor zu schaffen, bei dem Permanentmagneten von dem gerichteten Typ Verwendung finden, um so einen Synchronmotor mit einer verbesserten Rotordrehmomentsabgabe, einem verbesserten Wirkungsgrad zu schaffen, der fernerhin in einer Vielzahl von Motorkonfigurationen gebaut werden kann.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, einen verbesserten Permanentmagnet-Synchronmotor zu schaffen, der sich durch niedrige Herstellungskosten, leichte Herstellungsgänge auszeichnet und eine lange Lebensdauer mit einem Minimum an Lagerverschleiss, Nachstellbedarf usw. aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in den Zeichnungen beispielhaft veranschaulichter Ausführungsformen näher erläutert.

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Es zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung,

in der schematisch ein Synchronmotor veranschaulicht ist, der einen Permanentmagnet-Rotor aufweist und in Übereinstimmung mit derjvorliegenden Erfindung angeordnet ist;

Fig. ? eine schematische und teilweise Endansicht des in Fig. 1 veranschaulichten Motors, in der die relativen magnetischen Ausrichtungen der Erregerpole und der Rotorpole veranschatilicht sind;

Fig. 3 eine vereinfachte schematische Ansicht des Motors nach Fig. 1, in der in der Statorschaltung Konduktoren mit parallelem Fluss verwendet sind;

Fig. h eine schematische Endansicht, in der die relativen Magnetpolausrichtungen des Motors nach Fig.3 veranschaulicht sind;

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Motors nach der Erfindung unter Verwendung einer geänderten Erregerpolanordnung ;

Fig. t eine Endansicht der Motorausbildung nach Fig.5, in der die Konfiguration der Magnetpole und ein gegebenenfalls zu verwendender magnetischer Rückflusskreis veranschaulicht ist;

Fig. 7 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, in

der eine komerzielle Form eines Axialluftspaltmotors nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist;

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Fig. O eine Ansicht des Vorder- oder Getriebegehäuseabschnitts des Motors nach Fig. 7;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht nes Mot er f. nrcb Fig. 7 in ausein-.mdergezogener Anordnung;

Fig. 10 eine Schenktische- Ansicht, v.^relche die momcntnnen Polaritäten der Erregerstruktrr in Zusammenv/irkung mit der Γotorstruktur veranschaulicht;

Fig. H £·τ. magnetische Gchaltungsd:'^grarnr. der. i-Totorr? nrch Fig. 7;

Fig. Λ? eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Motors noch Fig. 9 in puseinandergezogener Anordnung;

Fig.13 ein Diagramm ähnlich zu dem Diagramm nach Fig.10, in welchem die Polanordnung des Motors' nach Fig. 1? in schematischer Form veranschaulicht ist;

Fig.i^/} eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Motors mit einem radial durchmagnetisierten Rotor;

Fig.15 eine schematische Ansicht des Rotors des Motors nach Fig. 14;

Fig.1c eine teilweise geschnittene Ansicht einer abgewandelten Form des Motors nach Fig.14;

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Fig.17 eine teilweise geschnittene Ansicht einer

weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Rotor geringer Masse vorgesehen ist;und

Fig.18 eine schematische Ansicht der momentanen Polaritäten der Flusskonduktoren in Zusammenarbeit mit dem Permanentmagneten.

Ehe auf die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wie sie in den Zeichnungen veranschaulicht sind genauer Bezug ge- * nommen wird, wird es als nützlich angenommen, einen Überblick über den Stand der Technik auf dem Gebiet, der Permanentmagneten vom keramischen Typ zu geben. Derartige Magneten sind seit lan ger Zeit erhältlich und sind bei Fortschreiten der Technik erheblich stärker in vorhandener magnetischer Kraft geworden und wurden bereits verwendet, um verbesserte Synchronmotoren vom Permanentmagnettyp herzustellen. In den vergangenen Jahren jedoch wurde entwickelt, v/as allgemein mit "gerichtete Permanentmagneten" bezeichnet wird, die erheblich kräftiger in vorhandenen EMK sind als die vom bekannten nichtausgerichteten Typ. Obwohl die Bauweise derartiger Magnete keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, trägt die Verwendung derartiger * gerichteter Magnete nichtsdestoweniger einen Teil zu den Vorteilen der vorliegenden Erfindung bei und es ist folglich nützlich, kurz ihre Bauweise zu erwähnen. Während der Herstellung der keramischen Mixtur und ihres Brennens während des Herstellvorganges werden die gerichteten Magnete einem magnetischen Feld auegesetzt, von dem angenommen wird, dass es die ferromagnetischen Teilchen der' keramischen Mixtur derart ausrichtet, dass nach Beendigung der Herstellvorgänge Magnete vorhanden sind, die einem magnetisierenden Feld ausgesetzt werden können und danach eine wesentlich höhere vorhandene EMK aufweisen als die bei nicht ausgerichteten Magneten bisher vorhanden war. Derartige Magnete jedoch waren bisher nicht geeignet, um in Synchron- * EMK bezeichnet die mapjnetomotorische Kraft

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motoren vom Permanentmagnettyp Verwendung zu finden, da Schwierigkeiten darin bestanden, die Orientierung der Teilchen auf den gewünschten Kurvenzügen konventioneller Permanentmagnetfeldaufbaue zu erzeugen. Die Permanentmagneten nach der vorliegenden Erfindung sind nahezu ideal zur Ausnutzung der erheblich verbesserten EMK, die von orientierten oder ausgerichteten Magneten erhältlich ist, geeignet.

Zur Erleichterung des Verständnisses des Grundprinzipes der vorliegenden Erfindung wird im folgenden zunächst auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, in denen ein Motor veranschaulicht ist, der eine ferromagnetische Feld- oder Erregerstruktur 10 von im wesentlichen C-förmigem Querschnitt auf v/eist, um einen ersten elektromagnetischen Pol 11 und einen zweiten elektromagnetischen Pol 12 zu bilden. Eine Wechselstromerregerwicklung 13 umfasst einen Zweig der Feldstruktur 10 zur Erregung von einer zweckdienlichen Wechselstromquelle 15, um eine zweipolige Statorstruktur zu bilden, in der die Hagnetpole 11, 12 ihre magnetische Polarität in Übereinstimmung mit der Frequenz der Wechselstromquelle 15 ändern. Der Rotor 20 ist prinzipiell dadurch charakterisiert, dass er aus einem im wesentlichen ringförmigen Permanentmagneten 21 besteht, der auf einer zweckdienlichen Nabe 22 mit einer Rotorwelle 23 abgestützt ist, die in einem zweckdienlichen Lager 24 in einer Lage drehbar gelagert ist, um den permanentmagnetischen Ring zwischen die Pole 11, 12 zu bringen. Falls gewünscht kann der Rotor aus einer einstückigen Scheibe bestehen, jedoch da der mittlere Bereich oder der ITabenbereich des Rotors nicht mit den Wechselstrompolen 11, 12 zusammenwirkt, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Nabe aus einem Material niedriger Masse und geringer Kosten wie beispielsweise Plastik herzustellen. Der Rotor ist in Richtung des Pfeiles 26 magnetisiert oder, wie dies am besten aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Rotor in einer "durchgehenden Weise" magnetisiert, d.h.

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in rich I ung re'.ι er Dicke durchgehend magnetisiert, um einen üovdpol auf einer /.xi alfläcne und einen Südpol auf der gegenüho^l legenden i\y. ic If I;.³ ehe auszubilden, wobei doc- nebeneinander liegenden Pole en'gegengerichtet sind. Bei der in Fig.? ver;n- rc^.i iilichten 'Orientierung des permanentmagnet: sehen Eotorr ist -■r richtlich, dass foils die Erregorspule 1? erregt wird, um pofort eiii^n magnetischen Nordpol am Pol 11 und einen mrgneti- ^c'zo:: ΓΛ'.άρ^Λ-1 --ei Pol 1Γ zu erzeugen, der permanentmagnet; rohe Pr¹I, d^y moment,1¹I sw:⁵, rchen den elektromagnetischen Polen befindlich irt, sich entweder nach link? oder nach recht? bewegt, um den nächr^t daneben liegenden Pol in die ausgerichtete Lpge unter die Polflächen zu bringen. Während pich die Wechselstromquelle in ihrerPolaritat mit der Speisungsfrequenz ändert, kehren rieh die elektromagnetischen Pole 11 \md 12 um, um somit bei 11 einen L'üdpol und bei 1? einen Nordpol zu erzeugen und i--duvch die bewegung des Potors fortzusetzen, die nachdem sie einmal in i be?"einstimmung mit den bekannten Theorien angefangen hat, synchron mit dem Wechselstrom fällt, die Bewegung fortsetzt.

Die bekannte und angenommene Motortheorie liefert die folgende Beziehung bezüglich der Kotorgeschwindigkeit zu den magnetischen Polen:

Anzahl der Pole des _ Wechselstromfrequenz χ 2

Permanentmagneten ~ angestrebte Hotorgeschwindigkeit

(Umdrehungen prc Sekunde)

Eine derartige Beziehung oder Gleichling kann in der Druckschrift Alternating Current Machinery von L.V.Bewley, veröffentlicht bei The Macmillan Company Λ3^9, Seite 235» gefunden werden.

Im Gegensatz zu dieser Druckschrift wurde ermittelt, dass die folgende Beziehung die Kotorgeschwindigkeit nach der vorliegen-

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den Erfindung bestimmt:

Anzahl der Rotor- _ Wechselstromfrequenz (CPS) χ Α

P^{0 e} Rotorgeschwindigkeit (Umdrehun

gen pro Sekunde;

Somit kann bei der in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsform, falls acht Nordpol-Südpol-Paare gleichmässig um den magnetischen Ring ?1 verteilt sind und falls die Wechselstromzufuhrfrequenz 60 CPS beträgt, die Rotorgeschwindigkeit aus der obigen Gleichung auf 15 Umdrehungen pro Sekunde oder 900 Umdrehungen pro Minute bestimmt werden. Somit ist mit der zweipoligen Wechselstromstruktur, dem in Richtung der Rotationsachse gradlinig durchmagnetisierten Magneten um abwechselnde Nord-Südpole um die axiale Peripherie verteilt auszubilden,bei dem schematischen Motor nach Fig. 1 eine arbeitende Vorrichtung geschaffen, welche eine Polkonfiguration in dem Permanentmagnetmotor bedingt, die leicht aus orient/magnetischem Material hergestellt werden kann, um dadurch die verbesserten Charakteristiken derartiger Magnete zu verwenden, ohne eine unzumutbar komplizierte Statorstruktur zu bedingen. In Übereinstimmung mit der bekannten Motortheorie erfolgt eine relative Drehung zwischen dem Rotor und dem Stator und der Permanentmagnet kann als Stator betrachtet v/erden, wenn zweckdienliche Vorkehrungen getroffen sind, um das Rotieren der elektromagnetischen Polstruktur zu ermöglichen.

Als weiteres schematisches Beispiel nach der vorliegenden Erfindung dient die in Fig. 3 veranschaulichte Ausführungsform, die einen elektromagnetischen Stator,allgemein mit 30 bezeichnet,aufweist, der im Abstand angeordnete Pole 3?, 33 und 3^ und 35 aufweist, deren Enden einen Luftspalt zwischen ihnen auszubilden, wobei der Magnetfluss von einer zweckdienlichen Erregerspule 36 geliefert wird, die an eine Wechsel-

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selstromquelle 39 angeschlossen ist. Die Konfiguration des Rotors 30 ist im wesentlichen identisch zu der des Rotors 20, wobei er zur Vereinfachung der Beschreibung mit 8 Paaren abwechselnden Magnetpolen ausgebildet ist, die in einer gradlinigen, diirchmagnetisierten Richtung angeordnet sind, wobei der Rotor im wesentlichen ringförmiger Bauweise ist und auf einer Nabe 4? gelagert ist, welche wiederum auf einer Welle 43 angeordnet ist, die in zweckdienlichen Lagern 44 gelagert ist. Das Polpaar 32, 33 weist die gleiche momentane Wechselstrompolarität wie das Polpaar 34, 35 auf und kann daher als parallele Polanordnung aufgefasst werden. In Fig. 4 gewährleistet der Abstand D zwisehen den Polen 32, 34 und 33, 35 eine magnetische Polbreitentrennung, die derart ist, dass jeder Pol des elektromagnetischen Paares mit gleichen permanentmagnetischen Polen an dem Rotor zusammenarbeitet. Beim Betrieb ist die Funktion identisch der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen, die Rotorgeschv.'indigkeit ist die gleiche und wird durch die gleiche Beziehung bestimmt. Der einzige signifikante Unterschied zwischen dem Motor gemäss Fig. 3 und dem gemäss Fig.1 ist ein vergrössertes Abgabsdrehmoment an der Welle des Motors nach Fig. 3, da hier zwei parallele FeldvorSprünge auf die Permanentmagnetpolkonfiguration wirken.

Um noch vollständiger die grosse verschiedene Anzahl von Motorkonfigurationen zu veranschaulichen, die möglich sind, wenn die Lehre der vorliegenden Erfindung berücksichtigt wird, ist der Motor gemäss Fig. 5 in seiner Bauweise unter Verwendung des identischen Rotors des Motors der Fig. 1 und 3 veranschaulicht, mit einem im wesentlichen ringförmigen Magneten, der in gradliniger Richtung durchmagnetisiert ist, um abwechselnde Nord- und Südpole zu bilden, wobei der Rotor 50 auf einer Nabe 51 ^rigeordnet ist, welche wiederum auf einer Welle 52 befestigt ist, die in zweckdienlichen Lagern 53 gelagert ist. Die Statorr.truktur de« Motors m^jch Fig. 5 weicht von der dor Motoren nach

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Fig. 1 und 3 dahingehend ab, dass beide elektromagnetischen Pole auf der gleichen Seite des Magneten angeordnet sind, d.h. der otctor 60 \«/eist zwei Pole 61, 62, und eine zweckdienliche Erregerspule 63, die von einer Wechelstromquelle C^- erregt wird, auf. Die Pole 61, 62 sind dicht nebeneinander angeordnet, so dass der Pol 62 direkt oberhalb des permenentmagnetischen Poles 6?A und das Polstück 61 direkt oberhalb der permanentmagnetischei. Poles 61A angeordnet ist, wobei die Abschnitte 62A und 61A nebeneinanderliegende, entgegengerichtete Pole des Rotors sind. Bei Erregung dreht sich der Rotor 50 mit einer Geschwindigkeit, die durch die zuvor erwähnte Beziehung bestimmt wird, in der:

Anzahl der Pole _ Wechselstromfrequenz (CPS) χ 4

des Rotors ~ Rotorgeschwindigkeit (Umdrehungen

pro Sekunde)

Falls gewünscht kann der Flussweg zwischen dem Südpol des Rotorsegmentes 62A zu dem Nordpol des Rotorsegmentes 61A (vgl.Fig.6) in einer magnetisch wirkungsvolleren Weise durch Verwendung einer ferromagnetischen Magnetflussrückkehrscheibe erfolgen (die schematisch bei 65 in gestrichelten Linien veranschaulicht ist), welche auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors bezüglich der Wechselstrompole angeordnet ist. Diese Scheibe kmn an dem Rotor selbst oder alternativ in einer Lage nahe im Bereich des Rotors befestigt sein.

Aus der vorangegangenen Beschreibung der drei aLternativen und illustrativen schematischen Ansichten von Motoren, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert sind, ist ersichtlich, dass eine Vielzahl verschiedener Statorkonfigurationen mit einem Rotor erzielbar ist, welcher eine Permanentmagnetkonfiguration aufweist, die derart ist, dass der Rotor in gradliniger Richtung durchmagnetisiert ist, um abwechselnde magnetische Mord- und Südpole längs gegenüberliegenden Arbeitsflächen

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zvi bilden. Die Geschwindigkeit des Motors wird durch die Anzahl der permanentmagnetischen Pole in Übereinstimmung mit der angegebenen Beziehung bestimmt.

Im folgenden wird auf eine etwas kommerziellere Form der Erfindung Bezug genommen, die in den Fig. 7 bis 10 veranschaulicht ist. In diesen Figuren ist ein allgemein mit 70 bezeichneter Motor veranschaulicht, der ein Getriebegehäuse 71 und eine in einem Lager 73 gelagerte Ausgangswelle 72 auf v/eist. Das Getriebegehäuse oder Getriebeschale 71 wirkt mit einer Frontplatte 7k zusammen, um eine Vielzahl von Getrieberädern jeder gewünschten Zahl und Bauweise 75, 76 und 77 zu tragen, um dadurch die gewünschte Geschv.'indigkeitsbeziehung zwischen der Ausgangswelle 7? und der Rotorwelle 80 herzustellen, an der das Rotorritzel 81 befestigt ist. Die Hinterwandung 82 des Getriebegehäuses 71 trägt die Motorschale 85 und ist in zweckdienlicher Weise auf einen Lagerfussteil 85 aufgesteckt oder auf andere Weise befestigt, indem ein zweckdienliches Futter hoher Oberflächenschmierfähigkeit wie beispielsweise eine Teflonhülse 86, angeordnet ist, wobei die Lagerschale 85 zur Lagerung der Welle 80 dient. Die Platte 8r des Getriebegehäuses besteht aus schwerem Blattmaterial, welches eine feste Abstützung der Lagerschale bildet. Die Wechselstromerregerspule 90 ist auf einen Plastikspulenkörper °1 aufgewickelt, wobei der Spulenkörper die Lagerschale 85 dicht umfasst, und an seiner hinterer. Fläche 9? eine Spinne oder einen Flusskonduktor 93 angegossen aufweist. Ein derartiger Flusskonduktor trägt zu der Steifheit der Spule bei, p.v.f der die Wicklung aufgewickelt ist,und ermöglicht eine verringerte Wandungsdicke der Spule, wodurch mehr Windungen des Kupferdrahter- in dem gleichen ^riuer?chnittsbereich untergebrecht werden können. Im Bereich des Hinterendes der Welle 80 ist ein permanentmagnetischer Rotor angeordnet, der einen im wesentlichen ringförmigen Permanentmagneten 95 aufweist, welcher an einer Plastiknabe ?6 befestigt ist, welche wiederum formschlüssig mit

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der Welle 80 verbunden ist. Die Motorschale 83 ist an der Hinterwandung 82 der Getriebeschale durch zweckdienliche Befestigungseinrichtungen wie beispielsweise Nieten 98 befestigt, wobei in der Hinterfläche der Schale 83 eine Anzahl von Öffnungen 99 vorgesehen ist, welche Flusskonduktoren 100 definieren, wobei diese Flusskonduktoren vorzugsweise in gleicher Anzahl zu den in dem Spulenkörper der Erregerspule ausgebildeten FIu?; skonduktoren 93 vorgesehen und ungefähr mit diesen ausgerichtet sind. Der Mittelteil 102 der Schale ist bei 103 mit einer Öff- W nung versehen, um den Stutzen 105 einer Staubhaube 106 aufzunehmen. Die Staubhaube ist in ihrer Lage mit Schanppverschlüssen 107 befestigt, die an dem Aussenumfang der Schale drei der Öffnungen 99 umschliessend angreifen, wobei der Stutzen 105 zweckdienlich abgeflacht ist, um als ein hinteres Drucklager für die Welle 80 zu wirken, wobei des vordere Drucklager durch eine Verlängerung 86A der Hülse 86 gebildet wird, welche an d..e Habe 96 des Rotors angreift. Der Motor noch Fig. 7 ist ähnlich dem Schenktischen Motor ncch Fig. ? mit der /usm-hme, d-ass hier neun (9) Flusskond^ktorpaare vorgesehen sind, die einen Spalt definieren und mit neun (9) zweckdienlich angeordneten Perm°- nentmagnetbereichen an dem Rotor in dem Spalt angeordnet zusymmenwirken, wobei der Rotor in einer Richtung parallel zur Achse der Welle 80 durchgehend und in gradliniger Richtung magnetisiert ist, um abwechselnde Uord- und Südpole um den Umftng auszubilden. Zur,Vervollständigung wird erklärt, dass die neun Permanentmagnetbereiche 18 Permanentmagnetpole bilden, die zweckdienlich an dem Rotor dieser Ausführungsform angeordnet sind. In den Fig. 10 und 11, in denen in schematischer V/eise der magnetische Kreis des Motors nach den Fig. 7 und 9 veranschaulicht ist, ist ersichtlich, dass die Erregerspule 90 zu einem speziellen Moment einen elektromagnetischen Fluss liefert, der die Wandung 82 des Getriebegehäuses, der Lagerschale 85, der Spinne oder des Flusskonduktors 93 über die Luftspalte und den Rotor 95 und die Motorschale 83 einschliesslich der Fluss-

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konduktoren 100 durchdringt. Die Verteilung der Flusskonduktoren ist derart getroffen, dass zu jedem gegebenen Moment der Magnetisierung (wie z.B. wenn die Flusskonduktoren 93 eine Nord-Polarität und die Flusskondiiktoren 100 eine Süd-Polarität aufweisen, wobei der Rotor in der veranschaulichten Lage befindlich ist),

O *t~ f\ ο C! OVJ

gleiche Pole einander ab/und aer Rotor wird in Drehung versetzt. Während das nächst danebenliegende Paar von Permanentmagnetpolen des Rotors sich den Polstücken 93 und 100 nähert, wechselt die momentane Polarität der elektromagnetischen Polstücke und kehrt sich um und folglich wird eine fortgesetzte Reaktionsbewegung des Rotors synchron mit der Feldfrequenz des Wechselstromfeldes aufrecht erhalten. Die Geschwindigkeit der Ausgangswelle wird durch die zuvor erwähnte Gleichung bestimmt, d.h.: Anzahl der Pole des Rotors =

Wechselstromfrequenz ( CPS) χ 4 Rotorgeschwindigkeit (Umdrehun- gen pro Sekunde)

Wie es am besten aus Fig. 7 ersichtlich ist, ermöglicht ein gegebener Aussendurchmesser des Motorgehäuses 83, dass der erfindnngsgemässe Motor die maximale Anzahl von Windungen auf der Errege^r.nule ermöglicht, um somit die maximale Anzahl von Amperewinclimgen zu schaffen und folglich auch die EhK für eine gegebene- Motorkonfiguration. Die Axiallänge des Motors v/ird lediglich geringfügig vergrössert, um die Dicke des Rotors aufzunehmen, während gleichzeitig der maximale Rotordurchmesser und die maximale Ilotorpolflächenausdehnung, die den Polstücken des Wechselstromfeldes dargeboten wird, gewährleistet ist. Die gleiche Motorkonfiguration ermöglicht die Verwendung eines ferritischen anstelle eines nichtferritischen Lagerteiles oder Lagerschale für die Motorwelle, wodurch die Robustheit, die Wellenausrichtung und die Wellensteifheit erheblich verbessert wird, während gleichzeitig ein leichtes Einfügen von Drucklagern gewährleistet ist, um den genauen Abstand des Rotors in dem Luftspalt zwisehen den Polstücken sicherzustellen. Die effektive

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SAD ORfGIMAt

Verringerung von Streufeldern in den ferromagnetischen Teilen wird durch Verwendung von Flusspfaden erreicht, für die strukturelle Bauteile keinen magnetischen Kurzschluss oder Leckweg bilden und die Luftspalte können derart gesteuert und bemessen werden, dass sie den angestrebten Zuständen des Motors entsprechen.

Um die vielen alternativen Ausführungsformen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich sind, noch besser zu veranschaulichen, ist in den Fig. 12, 13 und 14 eine Ausführungsform in kommerzieller Form eines Motors ähnlich dem zuvor in Beziehung auf die Fig. 5 und'6 beschriebenen veranschaulicht. Die allgemeine Bauweise und Konstruktion dieser alternativen Ausführungsform ist auf den ersten Blick gleich der in Fig. 9 veranschaulichten und zwar dahingehend, dass die gleiche Lagerspule und Magnetkonfiguration verwendet sind, um einen Flusskonduktorteil 12.0 zu bilden, der mit der Lagernabe 121 verbunden ist, durch welchen die Welle 122 des Rotors 123 geführt und befestigt ist, wie auch bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die Motorschale 119 jedoch anstelle sich zu der aussenllegenden Seite des permanentmagnetischen Rotors wie bei der Ausführungsform nach Fig. 7 zu erstrecken, endet in einer Anzahl von Flusskonduktoren 125, die zwischen den Flusskonduktoren 120 mit diesen im wesentlichen koplanar angeordnet sind.

Bei Erregung der Erregerspule 126 von einer Wechselstromquelle, die an die Leitungen 12bA angeschlossen ist, werden momentan nebeneinander liegende Mord- und Südpole ausgebildet, die in einer ineinander geschachtelten koplanaren ϊ/eise angeordnet sind, welche mit den Permanentmagnetpolen an dem Rotor 123 zusammenwirken, wobei der Rotor im wesentlichen identisch zu dem des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels nach Fig. 9 ist. Eine typische momentane Magnetpolverteilung ist schematisch in Fig.13 veranschaulicht, wobei nebeneinander liegende elektromagnetische

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- und. Süd-Pole in Ausrichtung mit den permanentmagnetischen !Jord- und Südpolen angeordnet ist, wobei eine derartige Anordnung um den Umfang der Magneten aufrecht erholten ist, um dadurch die ZUVOi* beschriebene Rotorbewegung bei einer Geschwindigkeit zu erzeugen, die in Übereinstimmung, nit der mehrfach erwähnten Beziehung bestimmt ist.

Im Bedf-rfsfolle k-=nn der magnetirche Wirkungsgrad des Motors nach Fig. 12 dadurch vergrössert werden, dass eine magnetische ntickleitun/r vorgesehen ist, die zum Zwecke dieser Ausführungsform als eine ferromagnetische Schale 1?4 beschrieben ist, die koaxial zu der IlDtorschale 119 über diese befestigt ist. Eine derartige magnetische. Rückleitung führt in der gleichen Weise wie zuvoi* in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben,in-dem ein magnetischer Fluj-.spf-d zwischen nebeneinander liegenden Nord- und Südpolen auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors von den elektromagnetischen Polen geschaffen wird. Wie zuvor beschrieben, wird die Geschwindigkeit des Motors in der Ausführungsform geiüäss Fig. 1"¹ durch die angegebene Beziehung bestimmt.

Die Konzipierung der Motoren der vorliegenden Erfindung gewährleistet eine grosse Flexibilität der Bauweise, um so beispielsweise Spezialzweckmotoren atjrpischer Konfigurationen herzustellen. Bei Betrachtung des Motors nach den Fig. 14 und 15» in denen die äutsere Stütz- und Gehäusestruktur zum Zwecke der besseren Beschreibung weggelassen wurde, ist hier ein Motor r-:sge."procheii kurzer axialer Länge,eine sog. "Pfannkuchen"-Konfiguration, veranschaulicht, bei dem eine ringförmige Erregerspule 140 innerhalb einer ferromagnetisehen Statorstruktur, die allgemein mit 141 bezeichnet ist, angeordnet ist, welche zwei im wesentlichen parallele Sätze von axial verlaufenden Polvorsprüngen 14? und 145 aufweist. Gegenüberliegende VorSprünge wie bei 142A und 143A sind entsprechend radial in allgemein gegenüberliegender Beziehung zueinrnder derart ausgerichtet,

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dass die Erregung der Spule 140 durch die Leitungen 14OA von einer zweckdienlichen Wechselstromquelle einen momentanen magnetischen Nordpol an dem einen Satz von Vorsprüngen und einem magnetischen Cüdpol an dem anderen Satz von VorSprüngen erzeugt. Der Rotor 147 v/eist einen Permanentmagneten 148 auf, der auf einer axialen Kante auf einer Scheibe 149 abgestützt ist, welche wiederum an der Welle 150 befestigt ist, die drehbar in Lagern 151 aufgenommen ist, um eine relative Drehung zwischen dem Rotor 147 und der Statorstruktur 141 zu ermöglichen. Der Permanentmagnet ist in radialer Richtung wie in Fig. 15 veranschaulicht, durchmngnetisiert und wirkt mit den an den Polvorsprüngen 142, 143 ausgebildeten momentanen elektromagnetischen Polen zusammen, um eine Drehung zu erzeugen, die bei einer Geschwindigkeit erfolgt, wie sie durch die angegebene Beziehung definiert wird.

In Fig. 16 ist eine abgewandelte Form des Motors nach Fig. 14 veranschaulicht, wobei der Permanentmagnet 160 in der gleichen Weise wie beim Motor mch Fig. 14 magnetisiert und an dem Statorteil 161 befestigt ist, welcher elektromagnetische Polvorsprünge 162 aufweist. Der Teil I63 mit den PolvorSprüngen 16J3A ist auf der Welle 164 angeordnet, welche wiederum drehbar in Lagern 165 gelagert ist. Die Spule 166 und der Teil 161 sind W auf der Nabe des Lagers 165 derart abgestützt, dass bei Erregung der Spule 166 von einer zweckdienlichen Wechselstromquelle die Drehung des Teiles 163 erzeugt wird. Die MomentanbeZiehung von PolvorSprüngen und Permanentmagnetpolen ist in Fig. 15 veranschaulicht und die Rotorgeschwindigkeit wird durch die angegebene Beziehung bestimmt.

Bei der in Fig. 17 veranschaulichten Ausführungsform wird ein Rotor geringer Masse dadurch geschaffen, dass gezahnte Flusskonduktorscheiben 170 und 171 auf einer ferromagnetischen Nabe 172 befestigt sind, welche wiederum an der VielIe 173 festgelegt sind, die in Lagern 174 drehbar gelagert ist. Ein nichtmagneti-

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schee Gehäuse 175 trägt die Lager 174 und dient gleichfalls als Abstützung für den Permanentmagneten 176, wobei dieser Magnet eine Ringform aufweist und in einer Richtung parallel zur Drehachse der Welle 173 durchmagnetisiert ist, um abwechselnde Hord- und Südpole längs jeder Fläche auszubilden, wie bei dem Magneten in der in den Fig. 9 und 10 veranschaulichten Ausführungsform» Eine ringförmige Spule 177 ist längs des Innenumfanges des Magnetes 176 angeordnet und wird durch Leitungen 177A von einer zweckdienlichen Wechselstromquelle erregt, wobei diese Leitungen dtirch entsprechende Durchlässe in den Magneten 176 geführt sind. Bei Erregung der Spule bewirken die momentanen Polaritäten, wie sie in Fig. 18 veranschaulicht sind, die Drehung der Fltu-:skonduktoren 170 und 171, wobei die Drehung fortgesetzt wird, während sich die momentanen elektromagnetischen Polaritäten synchron mit der Frequenz der Wechselstromquelle ändern. Die Drehgeschwindigkeit wird durch die angegebene Beziehung definiert.

Bei allen zuvor beschriebenen /.usführrngs formen wurde der erfindungsgemässe Synchronmotor dadurch gekennzeichnet, dass er zwei Wechselstrompole aufwies, obwohl eine grössere Anzahl elektromagnetischer Pole im Bedarfsfalle vorgesehen sein können. Gleichfalls kann eine Wahl getroffen werden, ob der Permanentmagnet der Rotor oder ob ein anderer Bauteil des magnetischen Kreise?; den Rotor bildet, vorausgesetzt, dass die Drehung immer in einer Richtung stattfindet, dass sie die Richtung der Flusslinien in dem Luftspalt kreuzt. Es wurde in der vorangegangenen Beschreibung sehr wenig über die relativen Breiten der Wechselstrompole und der Permanentmagnetpole erwähnt, da derartige Bemessungen für die Einstellung von gewünschten Motorcharakteristiken zweckdienlich sind, wie "usgangsdrehmoment, Anlaufdrehmoment usw. und es wird nicht angenommen, dass diese Bemessungen einen Teil der vorliegenden Erfindung bilden.

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Aus eier vorangegangenen Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung ist ersichtlich, dass durch die Erfindung eine I-Iotorbauwei.se möglich ist_f die eine vergrösserte Drehmomentsabgabe mit einen verbesserten z.'irkungsgrad einschliesslich dem innewohnenden Wirkungsgrad der Verwendung von billigen gerichteten Permanentmagneten gewährleistet.

Dem Fachmrnn auf diesem Gebiet ist aus dem Vorangegangenen offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen, Anpassungen und Abänderungen der speziellen Ausführungsbeispiele möglichst sind, ohne vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Sämtliche der in der Beschreibung erwähnten und in den Zeichnungen erkennbaren technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   (^Λ·) Synchronmotor nit ein^r Stator- und ilotoranordirung, dr=dui-ch f_: ο k e η η r. e i c h η e t , dr.ee die Anordnung einen V/icklimgsteil zur Erregung von einer V/echr-el stromquelle, einen permanentmngiietischen Teil und einen Flusskonduktorteil zum Leiten de.·= Fli:sses von der Winden" in einen Bereich nehe dem re:-r.vnentin:-pietenteil aufv.^reist, v;obei mindestens ein Teil der Einzelteile der Anordnung relati\^r zu mindertens einem Teil der -nderen Bestandteile der Anordnung drehbar gelagert ist, der Fern--nentm:-;£Tiet in einen gradlinigen V/eg durchmagnetisiert ist, um diskret verteilte nr.-gnetische ITord- und Süd-Pole in abwechselnd nebeneinander liegender Beziehung auszubilden, und wobei die Anzahl der .^uf dem Permanentmagneten vorgesehenen Pole durc'i die Gleichung:

   Anzahl der _ Wechselstromfrequenz (CPS) χ 4 FoIe ~ angestrebte Motorgeschwindigkeit (Umdrehun-

   {•en pro Sekunde)

   bestimmt wird.

   2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung und die Flusskonduktoren den Stator bilden, der Permanentmagnet drehbar gelagert ist, wobei seine Magnetisierunpsachse parallel zur Drehachse liegt und dass die Flusskondukt or en in axial im Abstand angeordneten Vorsprüngen enden, um einen Luftspalt auszubilden, in dem der permanentmagnetische Rotor verläuft.

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   3. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Anteil des Flusskonduktorteiles wie der Rotor auf einer Welle aufgenommen ist, und dass die Wicklung und der Permanentmagnet den Stator bilden.

   h. Synchronmotor noch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flusskonduktoren auf einer Seite des Permanentmagneten angeordnet sind, und dass der Permanentmagnet drehbar gelagert ist.

   5. Synchronmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein ferromagnetisches Flussrückführungsteil auf der gegenüberliegenden Seite des Permanentmagneten vorgesehen ist.

   6. Synchronmotor, gekennzeichnet durch eine Feldstruktur einschliesslich erster und zweiter Pole, deren flussleitende Abschnitte in parallel im Abstand zueinander angeordneter Beziehung vorgesehen sind, um dazwischen einen Luftspalt auszubilden, eine die Feldstruktur umgreifende Erregerspule, um bei Erregung von einer Wechselstromquelle entgegengerichtete Momentanpolsritäten zwischen den ersten Polvorsprüngen und den zweiten Polvorsprünfren auszubilden, einen Permaneiitmagnetteil, der in den Spalt zwischen den Polvorsprüngen angeordnet ist, wobei der Magnet in einer Richtung, die sich über den Sprit erstreckt, polarisiert ist, und die Pole des Permanentmagneten entgegengesetzt gerichtet sind, und durch Einrichtungen, die den Permanentmagneten und mindestens einen der Polvorsprünge relativ zueinander drehbar tragen, wobei die Anzahl der auf dem Permanentmagnet vorgesehenen Pole durch die Beziehung:

   /-JiZalil der _ Wechselstromfrequenz (CPS) χ ^4 ^________

   Pole ~ angestrebte Motorge.Tchwindigkeit (Umdrehungen pro Sekunde)

   bestimmt wird.

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   7. Synchronmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ^rregerspule koaxial zu dem Permanentmagneten angeordnet ist.

   S. Synchronmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet auf einem Ende einer Welle angeordnet ist, und dass die Welle in einem Lager gelagert ist, welches in der Nabe der Abstützung für die Erregerspule angeordnet ist.

   9. Synchronmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass " einer der Pole in der Endwandung eines Schalenteiles ausgebildet ist, welches einen Teil der Feldstruktur bildet, die Feldspule auf einem Spulenkörper aufgenommen ist, der zweite Pol auf einem Flansch des Spulenkörpers getragen ist und dass die Achse des permanentmagnet!sehen Rotors drehbar in der Habe des Spulenkörpers gelagert ist, wobei die Schale und der Spulenkörper an einer Kontageplatte befestigt sind, die einen Teil der Feldstruktur bildet, um dadurch den Rotor tragarmähnlich zwischen den ersten und zweiten Polen zu halten.

   10. Synchronmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass

   ein nichtmagnetisches schalenförmiges Teil an dem Ende der Pol- λ schale befestigt ist, um dadurch eine Staubabdeckung für diese zu bilden, der nichtmagnetische Teil einen zentral angeordneten Abschnitt aufweist, der durch die Schale der Polstruktur vorsteht, um in Eingriff mit der Achse als Drucklager für dieselbe zu kommen.

   11. Synchronmotor nach 'nspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dftfs der Permanentmagnet ringförmiger Konfiguration mit einem AussendvrchmesEor ausgebildet ist, der grosser als der Innendurchmesser der Erregersimle ist, um dadurch einen Permanentmagneten zu schaffen, der im Vergleich zu der Erregerspule gross ist, v/obei der Permanentmagnet in einer Richtung parallel zu " " : seiner Drehnchr.e polarisiert ist, die nahe der Feldpolstruktur

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   angeordnet ist.

   12. Synchronmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Permanentmagnet auf eine:·' Nabe niedriger Ilasse abgestützt ist, welche 'auf einer koaxial zu dor Erregerspule angeordneten V.'elle befestigt ist.

   13. Synchronmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse des beweglichen Elementes senkrecht zu der Magnetisierungsachse des Permanentmagneten steht.

   14. Synchronmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet den Rotor des Motors bildet.

   15. Synchronmotor, gekennzeichnet durch eine ?eldstruktur einschliesslich erster und zweiter Pole, die in flussleitenden Abschnitten enden, welche in abwechselnder koplanaror Beziehung mit daneben liegenden flussleitenden Abschnitten im radialen Abstand liegen, eine Feldspule, die die Feldstruktur umfassend angeordnet ist, um bei Erregung von einer Wechselstromquelle entgegengesetzt gerichtete Momentanpolaritäten zwischen den

   fe ersten Polvorsprüngen und den zweiten Polvorsprüngen zu erzeugen, einen Permanentmagnetrotor, der von der Feldstruktur drehbar in einer Ebene im Bereich der Ebene der Flusskonduktoren abgestützt ist, wobei der Magnet in einer Richtung parallel zur Drehachse polarisiert ist und wobei nebeneinander liegende Pole de? Permanentmagneten entgegengesetzt gerichtet sind und der Permanentmagnet durchmagnetisiert ist.

   16. Synchronmotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der auf dem Permanentmagneten vorgesehenen Pole durch die Beziehung:

   Anzahl der _ Wechselstromfrequenz (CPo) χ 4

   Pole ~ angestrebte Motorgeschwindigkeit (Umdrehungen _;, pro Sekunde)

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   bestimmt wird.

   17. Synchronmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, d"BF ein ferromagnetische!- Teil auf der den Fliisskonduktoren gegenüber liegenden Seite des Permanentmagneten angeordnet ist, um einen magnetischen Rückweg mit geringem magnetischen Widerstand zu bilden.

   18. Synchronmotor n-ach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,

   dass ein schrlenähnliches Gehäuse an der Feldstruktur befestigt i ist und den Permanentmagneten umschliesst.

   1?. Synchronmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet ringförmig ist und en der¹ Feldstruktur befestigt ist, und mindestens ein Anteil eines der Polteile drehbar bezüglich des Permanentmagneten un eine zu dem Permanentmagneten ko-xiale Achse gelagert ist.

   20. Synchronmotor nach Anspruch C, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet ringförmig ist und an der Feldstruktur befestigt ist, und dass besagte erste Polversprünge und zv/eite Folvorscprünge auf gegenüberliegenden Seiten des Permaner.tmrgneten zu diesem drehbar um eine mit dem Permanentmagneten ko- ™ r.xirle Achse gelagert sind.

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