DE2243473B2 - Gleichstrommotor - Google Patents

Description

I +k

15

unterhalb der Grenze (z/a) ■ ρ · Φ, bei welcher der Motor in den Generatorzustand übergeht, geleg2 ist, wobei

k das MJM_n also Verlustmoment zu

Nennmoment,

ζ die Gesamtleiterzahl am Ankerumfang,
2a die Anzahl der parallelen Ankerzweige,
ρ die Polpaarzahl und
Φ denPolfluß

bedeuten.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polüberdeckung innerhalb einer Toleranz von ± 20% der Nutteilung liegt.

3. Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ^er Induktionsverlauf an den Polkanten spiegelbildlich symmetrisch zum halben Maximalwert der Induktiv .1 ausgebildet ist. y,

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sehnung der Wicklung zumindest annähernd gleich der Ankerpakethöhe ist.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polüberdeckung aus einem Segmentpaar von Permanentmagneten besteht.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrommotor mit einem Eisenrückschlußring, in dem einander gegenüberliegend wenigstens zwei ringsegmentförmige Dauermagnete angeordnet sind und einem in dem so gebildeten Magnetsystem umlaufenden bewickelten -,-> Anker mit geradzahliger Nutteilung.

Bei derartigen Motoren entstehen bei umlaufendem Anker Leitwert- und Flußschwankungen von vorwiegend einfacher und doppelter Nutfrequenz im magnetischen Kreis, so daß mechanische Motorbauteile in «i Schwingungen versetzt werden, welche zu Betriebsgeräuschen führen. Um diese Geräusche in bestimmten Grenzen zu halten, hat man seither den Motoranker mit einer ungeraden Anzahl von Leiternuten versehen, bei der Flußschwankungen in ihrer Amplitude kleiner _fi-, gehalten werden, jedoch mit der doppelten Nutfrequenz auftreten. Bei einem solchen Anker kommen fast in jeder Phase der Ankerdrehung unter jedem der einander gegenüberliegenden Pole eine unterschiedliche Anzahl von Ankerzähnen zu liegen. Durch diese Maßnahme konnte zwar eine gewisse Senkung des Geräuschpegels erreicht werden, doch ein in jedem Fall befriedigendes Ergebnis war nicht zu erreichen, so daß zu weiteren mechanischen Maßnahmen, wie z.B. Schwingungsdämpfern gegriffen werden mußte. Der ungradzahiig genutete Anker ist darüber hinaus fertigungstechnisch ungünstig herzustellen. E? wird deshalb nur dann verwendet, wenn mechanische Maßnahmen zur Geräuschdämmung alleine nicht ausreichen, um die Erfordernisse hinsichtlich des Betriebsgeräusches zu erfüllen.

Bei kostengünstiger herstellbaren geradzahlig genuteten Ankern treten jedoch die Leitwert- und Flußschwankungen spiegelbildlich und somit gleichphasig unter jedem Pol auf, so daß sich die Schwankungen addieren und dadurch besonders starke Flußpulsation durch den gesamten magnetischen Kreis entstehen lassen. Um die bei einem Motor mit geradzahlig genutetem Anker besonders starken Betriebsgeräusche einzudämmen, hat man versucht, durch einen cosinusförmigen Induktionsverlauf die magnetischen Kräfte zwischen Anker und Stator zu begrenzen. Dadurch konnte wohl auf Kosten eines schlechteren Wirkungsgrades die Radialkomponente der Ankerkraft aufgehoben werden, nicht dagegen die Tangentialkomponente der Ankerkraft, die als Klebemoment den Ankeranlauf erschwert

Zur Verbesserung des Winkelgrades sind verschiedene Maßnahmen, wie z. B. die Wahl einer großen Polüberdeckung, die Verwendung von hochremanentem Magnetwerkstoff, die Beschränkung des Luftspaltes auf das mechanisch noch erreichbare Minimum, möglichst geringe Sättigung der Eisenteile im magnetischen Kreis, möglichst streuungsarme Magnetsysteme und das Trennen des Rückschlußjoches über den Magnetpolen bekanntgeworden. Bei Berücksichtigung aller dieser Erkenntnisse kann narh wirtschaftlichen Gesichtspunkten nur ein bestimmtes Wirkungsgradoptimum erreicht werden, weil die einzelnen Faktoren teilweise wesentliche Kostensteigerungen erfordern.

Aus den DE-AS 10 78 218, FR-PS 15 00 275 und US-PS 36 43 118 sind bereits elektrische Maschinen bekannt geworden, bei denen die mechanische Polüberdeckung ein ganzzahliges Vielfaches der geradzahligen Nutteilung zu sein scheint. Bei Aussagen über die Polfühligkeit, d. h. über den Energiegehalt der Luftspaltfelder muß vom Inüuktionsverlauf und damit von der magnetischen Polüberdeckung ausgegangen werden. Da die magnetische Polüberdeckung zumindest bei permanentmagnetisch erregten Gleichstrommotoren stets kleiner ist als die geometrische mechanische Überdeckung, ist davon auszugehen, daß bei den in den obengenannten Druckschriften abgebildeten Maschinen die magnetische Polüberdeckung nicht erfüllt ist. Zudem können die Verhältnisse beim elektrisch erregten Motor (US-PS 36 43 118) nicht auf den Permanentmagnetmotor übertragen werden, weil das Permanentmagnetmaterial eine Permeabilität wie Luft besitzt und das Ankerqucrfcid sich daiiiii kaum noch auswirkt. Damit konnte der Durchschnittsfachmann von den bekannten Maschinen einen Hinweis auf die erfindungsgemäße Lehre kaum ableiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der sowohl magnetisch als auch elektrisch eine optimale Auslegung aufweist, so daß ein Minimum an Betriebsge-

rauschen und im Betrieb ein möglichst großer Wirkungsgrad gewährleistet ist, ohne daß dadurch erhöhte Fertigungskosten entstehen.

Gemäß der Erfindung ist dies Aufgabe dadurch gelöst, daß zunächst die magnetische Polaberdeckung ein ganzzahlig Vielfaches der geradzahligen Nutteilung beträgt und daß sodann der Wert (z/a) ■ ρ · Φ um den Faktor

'-7ΤΪ

unterhalb der Grenze (z/a) ■ ρ -Φ, bei welcher der Motor in den Generatorzustand übergeht, gelegt ist

Dabei ist es höchst vorteilhaft, wenn die Polüberdekkung innerhalb einer Toleranz von ±2OP/o der Nutteilung liegt

Im Hinblick auf die Minderung der Betriebsgeräusche des Motors ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß der Induktionsverlauf an den Polkanten spiegelbildlich symmetrisch zum halben Maximalwert der Induktion ausgebildet ist

Zur weiteren Wirkungsgradsteigerung ist nach der Erfindung vorgesehen, daß die Sehnung der Wicklung zumindest annähernd gleich der Ankerpakethöhe ist

Wenn die Moiiorauslegung eine besonders große Polüberdeckung erfordert, kann es von Vorteil sein, wenn die Polüberdeckung aus einem Segmentpaar von Permanentmagneten besteht

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand von Prinzipskizzen und Verlaufsdiagrammen näher erläutert Es zeigen

Fig. la und Ib die beiden extremen Stellungen des Ankers in Bezug auf die Feldpole bei willkürlich gewählter Polüberdeckung,

F i g. 2 einen cosinusförmigen Induktionsverlauf, wie er zur Geräuschminderung seither angestrebt worden ist,

F i g. 3 einen Induktionsverlauf, wie er beim erfindungsgemäPen Motor gegeben ist,

F i g. 4 den Induktionsverlauf nach F i g. 3, der an den Polkanten spiegelbildlich symmetrisch zum halben Maximalwert ausgebildet ist,

Fig. 5 die Abhängigkeit des Wirkungsgerades und der abgegebenen Leistung vom Motordrehmoment,

F i g. 6 den Drehzahl- und Stromv?rlauf in Abhängigkeit vom Motordrehmoment

F i g. 7 den Verlauf des Wirkungsgradmaximums und den Verlauf des optimalen z/a ■ ρ ■ Φ-Wertes in Abhängigkeit vom Verlustfaktor.

In den meisten Fällen können bei den bekannten Motoren hei willkürlicher Wahl der Nutzahl und der Polteilung zwei Ankerstellungen je Nutteilung gefunden werden, bei denen der magnetische Leitwert zwischen Erregerpol und Anker ein Maximum und ein Minimum annimmt (F ig. la und Ib). In diesen beiden Figuren sind schematisch die beiden Ankerstellungen für die Leitwertextreme dargestellt; man erkennt, daß bei Vernachlässigung des Stirnfeldes im Falle nach der Fig. la der Leitwert durch drei Ankerzähne, im Falle wie in Fig. Ib dargestellt durch zwei Ankerzähne bestimmt ist. Bei Drehung des Ankers werden also Flußschwankungen unter dem Pol auftreten, die zu einer wechselseitigen Kräftebeanspruchung zwischen Pol und Anker führen und Kraftkomponenten in radialer und tangentialer Richtung liefern.

Bei einer rein cosinu.^cförmigen Induktionsverteilung, wie sie seither zur Geräuschverminderung benutz» wurde, und wie sie in F i g. 2 dargestellt ist, beträgt die Polüberdeckung

ι Γ _, ι . r 2

π.·ι = — icosλολ = — sint\ ι = —

Demnach ist es also nicht möglich, eine Nutteilung zu finden, die sowohl in der Zahl zwei als auch in dem

ίο Ankeruinfang 2 π ganzzahlig enthalten ist

Um die Polüberdeckung ßn zu erreichen, bei der die Polkräfte verschwinden, muß der cosinusförmige Induktionsverlauf entweder abgeflacht oder ausgeweitet werden (Fig.2). Dabei zeigt es sich, daß bei cosinusförmigem Induktionsverlauf die Radialkräfte nur bei geraden Nutzahlen verschwinden. Die Tangentialkräfte wirken sich als Klebemomer.t aus, erschweren häufig bei den kleineren Motoren den Anlauf und führen zu einem unruhigen Motorlauf.

Für den erfindungsgemäßen Motor, bei dem die Polüberdeckung ein ganzzahlig Vieji^ches der geradzahligen Nutteilung beträgt ist der Induktionsverlauf in Fig.3 dargestellt Gemäß dieser Darstellung ist die Forderung der ganzzahligen Nutteilung als Polübc;-dekkung erfüllt und ein Ausgleich der Radialkomponenten herbeigeführt. Trotzdem werden sich bei derartig ausgelegten Motoren noch Klebemomente bemerkbar machen. Erst bei einem Induktionsverlauf nach Fig.4, bei dem die magnetische Polüberdeckung auch in einem

jo ganzzahlig Vielfachen zur Nutteilung steht können auch die Tangentialkomponenten zum Verschwinden gebracht werden. Die Ausgestaltung der Polkanten könnte beispielsweise experimentell erfolgen. In den F i g. 3 und 4 sind die Ankerzähne ebenfalls mit den Bezugszeichen

j5 10 versehen und die Strecke ß, entspricht den jeweiligen Polüberdeckungen. Wenn der Motor in seinem Grundaufbau (Nutzahl, Polüberdeckung, Induktionsverlauf im Luftspalt) wie in Fig.4 dargestellt und beschrieben, dimensioniert ist, ist die Gewähr gegeben, daß ein Minimum an magnetischen Geräuschen Klebemomenten >ind Vibrationen im Betrieb des Motors auftreten.

Bei einer elektrisch günstigeren Auslegung ist auch darauf zu achten, daß es bei zunehmendem Drehmoment eine Momentengröße der Motoren gibt bei der die Auslegung des Gleichstrommotors :iur noch nach thermischen und nicht mehr nach magnetischen Gesichtspunkten zu erfolgen hat.

Aus den beiden Abhängigkeiten des Wirkungsgrades und der abgegebenen Leistung vom Motormoment

ίο können, wie in F i g. 5 gezeigt ist, diese unterschiedlichen Auslegungsrichtlinkn weiter verdeutlicht werden. Es zeigt sich dabei, daß das Maximum des Wirkungsgrades (Punkt I) nicht mit dem Maximum der abgegebenen Leistung (Punkt II) zusammenfällt, d. h. wenn der Motor

ν, im Wirkungsgradmaximum (η\) arbeitet, wäre dieser Motor für M\ auszulegen und würde die Leistung P^ abgeben.

Rein der magnetischen Voraussetzung nach wäre aber dieses MoIu-volumen imstande, wenn man den

Mi Motor für das Leistungsmaximum dimensionieren würde (Punkt II), die Leistung Pm abzugeben. Der Wirkungsgrad tjm wäre aber auch in diesen/ Betriebspunkt sehr niedrig und die Verluste groß. Aufgrund der Abhängigkeit der Verlustleistung und der effektiven

,-> Kühlfläche von de) Ankerabmessungen wird man gerade bei kleineren Motoren, wenn die wirtschaftliche Seite im Vordergrund steht, den Punkt II anstatt P₂\ anstreben. Von einer bestimmten Motorgröße an fällt

das thermisch vertretbare Leistungsmaximum ins Wirkungsgradmaximum und entspricht demnach auch dem wirtschaftlichen Optimum. Anhand der Strom- und Drehzahlkennlinien l=f(M) und n = f(M), die die wesentlichen Kennlinien für die Motordimensionierungen liefern, lassen sich Optimierungsdiagramme aufbauen.

Die Strom- und Drehzahlabhängigkeit läßt sich wie folgt wiedergeben:

M differenziert, gleich Null gesetzt und nach M aufgelöst wild.
Man erhält

M₁

h.

+ I

κ,

Her maximale Wirkungsgrad in diesem Punkt wird

\.0h

-Z ti ■ P '/'/! I III

ζ u ■ ρ ■ Ί>

3.7 7 ■ R ,
[zap- '/

Ci ii,. ■ Mk

45X ■ U ■ Ii

* ι

Dabei ist / in (A), R, in (ß), Un in V, φ in Wb, η in

! I/rriin A/fini-'rnM pin?iicpt7pn

/?i = Ankerwiderstand,

Ub = Bürstenspannungsabfall an einer Bürste.

Es ergibt sich also ein gewisser z/a ■ ρ ■ Φ- Wert, der bei einem bestimmten R.\ und l/;i verwirklicht werden muß. wenn bestimmte Anforderungen an Moment und Drehzahl gestellt werden (Gleichung 1).

Aus Gleichung (2) ist ersichtlich, daß die Funktion

M = f(z/a ■ ρ Φ)

eine Parabel darstellt, die ein Maximum und zwei Nulldurchgänge aufweist. ji>

Ausgehend vom geradlinigen Verlauf der Drehzahl- und Stromabhängigkeit vom Moment und von der Konstanz der Verluste über dem Drehzahlbereich lassen sich bei Permanentmagnetniotoren Drehzahl und Storm aus den Kurzschlußwerten

Mk = Kurzschlußmoment
!κ = Kurzschlußstrom

und Leerlaufwerten

πι = Lccrlaufdrehzahl
/; = Leerlaufstrorn

des Motors darstellen (F i g. t).

Entsprechend dem Verlauf nach F i g. 6 gilt: Die Leerlauf- und Kurzschlußwerte ergeben sich aus Gle.'ch'JP" Ή und '2^ ^ηη'' M=* M. (Vrrluumnrnpnt) iinrl

I.VJiL·· 2V„)ztip'l·

no»

im

r . ρ ■ '/'

Af₁

Ml-il' - 2l/„)

K₁

, ■ Λ/,

ll.1l

ζ α ■ ρ ■ '/' [ζ α ■ ρ ■

)a^ Nennmoment Λ/_Β bei Nenndreh/ahl n„ wird

114)

/i = ii,.ti - M Λ

l?.9(l' - 2L^r _B)-r/ii- P-'l> R₁

26.4- IO ²{z ti ■ P ■ Φ)¹ n_n R,

Aus den Gleichungen (8), (10), (11) und (12) läßt sich ein bestimmter Ankerwiderstand R.\„_p, herleiten, wenn das theoretisch maximale Moment mit dem Nennmoment zusammenfallen soll.

Es ist

R,,,., - h ± \h²- c. II?)

Die vom Motor -iufcenommerie Leistiins: wird

15)

Die an der Motorvvelle zur Verfügung stehende Leistung ist

I 5.9(L^: - 2 L'bI ■ ζ ti- p- '/>

M_n + -W,

I lfil

V ⁺ 2M_r(M_n + M_r)J

253(1/- 2If₈)² -12/a- p1>)²

_ J FJ f I ItJ '.1 1*1 .'t

^{2 =} "958' ⁼ 958~~"

Der Wirkungsgrad wird
P-, n, M - M² Mu

958

(6)

(7)

(M_n + M,.)²

60 ist.

■••κ

65

Das Moment M_op;, bei dem der Wirkungsgrad sein Maximum erreicht, ergibt sich, wenn Gleichung (7) nach Führt man als Abkürzung

^{k =} w_n

ein, so erhält man einen Wert für den Ankerwiderstand Ra op,, der aber auch den Zusammenhang nach Gleichung (14) befriedigen muß, damit der Motor bei

Nennmoment seine Nenndrehzahl behält. Aus Gleichung 14 wird die Bedingungsgleichung

\5})(U -2U_H)zUip<l> M_n(I +K)

/ zu-ρ-Φ η \

\ (U -2Uh)-H)J-

(IS)

Aus der Bedingungsgleichung erhält man schließlich κι den Ausdruck

r a ■ ρ ■ <l> !

fr al' '/'I.,,,,, ItK'

ι ι

Mit zunehmenden drehzahlabhängigen Verlusten muß der Motor immer weiter vom zweiten Nulldurchgang der Momentparabel entfernt ausgelegt und betrieben werden.

Der optimale Ankerwiderstand in diesem Pjnkt wird ;n dann

CO)

' M₁, (I t Kr

und tier ivKixirmil erreichbare Wirkungsgrad vv ί 111 U 2 U₁, I

Cl)

Fig. 7 zeigt das Verhältnis nach Gleichung (19) und das Wirkungsgradmaximum nach Gleichung (21) in Abhängigkeit vom Verlustfaktor k.

Damit ist erwiesen, daß ein Motor, wenn er in seinem Wirkungsgradmaximum betrieben werden soll, mit einem optimalen

z/a ■ ρ ■ 'Λ-VVcrt
ausgelegt werden muli, der um den ('iiklor

I
I ) K

vom /weiten Nulkkiichi^mg der Moinentenpniabel
{zap- '/'),„„,

Maximum entfernt ist. Besitzt /.. B. ein Motor ein drehzahlabhängiger Verlustmoment von 20% des Nennmomentes (k = 0,2) so muß er etwa 17% unterhalb des zweiten Nulldurchgangs des Momentenparabel ausgelegt werden. Vergleiche dazu Linie 15 in F i g. 7.

Anhand dieser vorstehenden Erläuterungen ist es also möglich, mit einem Minimum an Stoffeinsatz eine geräusch- und vibrationsarme Gestaltung des magnetischen Kreises bei maximalem Wirkungsgrad den Betriebspunkt zu erreichen.

I Ικί/ιι .■? HLiIt

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Gleichstrommotor mit einem Eisenrückschlußring, ir. dem einander gegenüberliegend wenigstens zwei ringsegmentförmige Dauermagnete angeordnet sind und einem in dem so gebildeten Magnetsystem umlaufenden bewickelten Anker mit geradzahliger Nutteilung, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die magnetische Polüberdeckung ein ganzzahlig Vielfaches der geradzahligen Nutxeilung beträgt und daß sodann der Wert (z/a) ■ ρ ■ Φ um den Faktor