DE2416695A1

DE2416695A1 - Synchronmotor bzw. schrittmotor

Info

Publication number: DE2416695A1
Application number: DE2416695A
Authority: DE
Inventors: August Dipl Ing Spiesberger
Original assignee: GERHARD BERGER FABRIKATION ELE
Current assignee: GERHARD BERGER FABRIKATION ELE
Priority date: 1974-04-05
Filing date: 1974-04-05
Publication date: 1975-10-16

Description

Synchronmotor bzw. Schrittmotor Die Erfindung betrifft einen seibstanlaufenden Synchronmotor bzw. Schrittmotor mit Dauermagnetrotor, insbesondere der Klauenpolbauart, bei dem die Anzahl der Stator- und Rotorpole nicht übereinstimmt.
Motoren dieser Bauart sind als langsamlaufende Vielpolmotoren des Gleichpoltyps mit zusammengefaßten Statorpolen z. B. nach DB Pat. 1488654 seit langer Zeit bekannt.
Die Nachteile dieser genannten Motoren sind ebenfalls bekannt. So ist zum Beispiel der Ausnutzungsfaktor der wirksamen Polfläche am Arbeitsluftspalt nur etwa = 50 %. Die Herstellungskosten, besonders bei kleinen Leistungstypen, sind sehr groß und mit wickeltechnischen Schwierigkeiten verbunden.
Die Erfindung soll dazu dienen, langsamlaufende Synchron- u. Schrittmotoren herzustellen, die außer einem guten Leistungsverhalten auch eine billige industrielle Herstellung ermöglichen.
Die Verbesserung eines derartigen Motors soll gezeigt werden im Vergleich mit einem seit 18 Jahren bewährten Zweiphasen-Synchronmotor nach dem eigenen DB-Patent Nr. 1021943.
Der Motor nach dem angegebenen älteren Patent besteht aus zwei Statoren mit Zentralspulen, deren Statorpolzahnkränze (4/5) und (40/50) so ineinander greifen, daß ein räumliches Drehfeld, bezogen auf den gemeinsamen Klauenpolrotor (11), entsteht.
Jeder der beiden Statorpolzahnkränze besitzt dabei ebensoviele Pole wie der gemeinsame Rotor, folglich stehen den Rotorpolen am Umfang die doppelte Anzahl von Statorpolen gegenüber. Die Polzahl 2p des Motors ist somit bei gegebenem Rotordurchmesser und Rotorzahnbreite zr aus fertigungstechnischen Gründen begrenzt, denn die Statorzahnbreite zs kann höchstens = 0, 6 x zr gemacht werden. Ein weiterer Nachteil ist dadurch gegeben, daß der vom Rotor erzeugte Magnetfluß ßr gleichzeitig sich p mal über beide Statorpolzahnkränze schließen kann.
Um die Herstellung zu erleichtern und die Eigenschaften eines derartigen Motors zu verbessern, wurde erfindungsgemäß ein anderer Aufbau des Motors entwickelt.
Bei bekannten Klein-Synchronmotoren und beim Motor nach Patent 1021943 ist das Verhältnis der Anzahl der Statorpole zu den Rotorpolen im allgemeinen Vz = 2. Bei dem neuen Motor wird das Verhältnis Vz im Mittel auf 0, 8 reduziert. Damit können die Statorpole stark verbreitert bzw. bei gleicher mechanischer Statorpolbreite und gleichem Rotordurchmesser die Polpaare des Rotors entsprechend vergrößert werden. Durch die letztere Maßnahme läßt sich, als Synchronmotor bei gleicher Frequenz betrieben, die Drehzahl entsprechend herabsetzen, als Schrittmotor eingesetzt, der Schrittwinkel um das Zweieinhalb- bis Dreifache verkleinern und gleichzeitig die maximale Schrittfrequenz erheblich heraufsetzen.
Das erfindungsgemäße Motorprtnzip wird anhand eines Beispiels für einen Motor mit 16 Statorpolzähnen und 2p = 20 Rotorpolen gezeigt.
Im Gegensatz zu der Anordnung nach Pat. 1488654, bei der immer Pole von Stator 1 mit den Polen von Stator 2 sich abwechseln, wird beim erfindungsgemäßen Motor in der Regel mindestens je ein Nord- und Südpol eines Polzahnkranzes zu einer Polgruppe zusammengefaßt. Die Statorpolteilung tp ist gleich der Rotorpolteilung Vr. Die Pole benachbarter Polgruppen verschiedener Phasen haben bei der zweiphasigen Ausführung in der Regel einen Abstand von 1,5 tp. Mit dieser Anordnung lassen sich, sofern jede Polgruppe aus a = 2 Statorzähnen besteht, bei zweiphasiger Ausführung Motoren mit p = 5 n Rotorpolpaaren herstellen, wobei n eine ganze Zahl > 1 sein muß.
Bei einem Motor nach Pat. 1488654 benötigt man beispielsweise für einen Motor mit 2p = 20 Rotorpolen insgesamt 40 schmale Statorpolzähne. Für den neuen Motor, wie man sieht, nur noch insgesamt 16 mindestens doppelt so breite Statorpolzähne, die natürlich leichter herstellbar und im Fertigungsablauf stabiler sind.
Bei der üblichen 90°-Phasenverschiebung der Erregerströme in Stator Stl und St2 zeigt die Stellung der Rotor- und Statorpole in jeder Erregungsphase ein geradezu ideales magnetisches Anzug- bzw. Abstoßverhalten.
Die Entwicklungsmuster zeigten, daß das Laufverhalten und das Drehmoment erheblich verbessert wurde. Im gezeigten Beispiel, Fig. 1 und Fig. 3, mit einem Rotor 2p = 20 ergeben sich je Phase u = 4 Polgruppen mit je zwei Statorpolen.
Die Statorpolgruppen 3, 5, 7 u. 9 bzw. 4, 6, 8 u. 10 gehören zu den entsprechenden Statorpolzahukränzen Fig. 3a (Phase 1) bzw. Fig. 3b (Phase 2). Da nach dem erfindungsgemåßen Motoraufbau (Fig. 1) bei jeder zweiten Polgruppe der gleichen Phase die Polaritätsfolge wechseln muß, wird je ein geprägtes Stanzteil, 11 u. 12, für den Innen- und Außenpolzahnkranz der beiden Statorpolzahnkränze, entsprechend Fig. 2a und 2b, benötigt. Die Winkel zwischen den Polzähnen müssen daher o(=2p+u. 1800 und ~ 2p - u . 1800 p.u p u betragen.
Außenpolzahnkranz (12), Innenpolzahnkranz (11), Spulenkern (13) und Erregerspule (14) zusammengefügt ergeben je einen Statorpolzahnkranz, Fig. 3a bis 3b.
Die beiden Statorpolzahnkränze 3a und 3b werden zusammen mit dem gemeinsamen Rotor auf die übliche Weise in einem zylindrischen Gehäuse (15) aus nichtferromagnetischem Material, z.B. Aluminium, entsprechend der Polzahnanordnung, Fig. 1, untergebracht.
Soll der Motor als Schrittmotor eingesetzt werden, dann können die Statorspulen je nach Ansteuerart in bekannter Weise als einfach- oder bifilargewickelte Doppelspulen (Mittelabgriff) ausgeführt werden.
Die Erfindung läßt sich auch auf größere Motoren mit bewickelten Statorpolen anwenden. Ein derartiger Motor, Fig. 4, benötigt beispielsweise für einen Rotor mit 2pr = 10 Polen und a = 2 insgesamt 8 Statorpole aus geschichteten Statorblechen. Im Gegensatz zu einer bekannten Ausführung sind erfindungsgemäß die Statorpolabstände p nicht gleich, sondern betragen hierbei abwechselnd 1,5zu.
Auf diese Weise können größere Motortypen mit einem einzigen Statorblechpaket hergestellt werden. Die richtige Polfolge kann hierbei durch entsprechende(n) Wicklungsschaltung bzw. Wickelsinn erreicht werden. Die Motoreigenschaften sind auch hierbei wesentlich besser als die bekannte Ausführungsform mit gleichen Polabständen, bei der teilweise negative Zugmomente und damit pulsierende Drehmomente und ungleiche Schrittwinkel auftreten. Macht man u = 4 und a = 1, dann wird 2pr= 12. Man erhält dann wieder einen Motor mit acht Statorpolen, Fig. 6.
Die Ausführung mit bewickelten Statorpolen läßt sich bei entsprechender Abwandlung der Polanordnung auch für drei und mehr Phasen verwenden.
Der Winkel zwischen den einzelnen Statorpolgruppen muß dann36=rpr (1 + 1/m betragen. Die allgemeine Bedingung für einen erfindungsgemäßen mehrphasigen Synchron- und Schrittmotor lautet: Rotorpolzahl: 2pr = m u (a + b + l/m) Statorpolzahl: ps = mua Damit erhält man beispielsweise für einen Dreiphasenmotor, Fig. 6, mit m = 3; u = 1; a = 3 Pole je Polgruppe und b = 0 eine Rotorpolzahl 2pr= 10 und eine Statorpolzahl ps = 9, wobei in bekannter Weise die Statorwicklung je Polgruppe auf alle Pole verteilt oder auf einen Teil der Pole aufgebracht sein kann.
Soll ein erfindungsgemäßer Motor an zwei Phasen eines Dreiphasennetzes angeschlossen werden, dann ist es zweckmäßig, einen Zweiphasenmotor, z. B. nach Fig. 3 oder 4, mit entsprechender Abwandlung der Polgruppenverschiebungswinkel, Fig. 7, einzusetzen. In diesem Fall muß t =Z1 2 = 3tp = 3#r = 540°/pr sein.
Um eine gute Laufruhe des Motors zu erhalten, ist es notwendig, die Winkel t p (1 + 2/3)° U.#2 =#p (1 + 1/3)0 zu machen.
Ein Statorblechschnitt ähnlich Fig. 7 ist auch für einen kondensatorlosen Einphasen-Synchron- bzw. Schrittmotor mit eindeutiger Drehrichtung geeignet, wenn die beiden Phasenwicklungen 14/1 und 14/2 direkt an die Stromquelle angeschlossen werden und eine der beiden Statorwicklungen eine zusätzliche Kurzschlußwicklung (16), Fig. 8, erhält. Diese Wicklung kann aus einem einzigen Ring oder einer mehr oder weniger kurzgeschlossenen mehrdrahtigen Wicklung bestehen.
Um einen ruhigen Lauf des Motors zu erhalten, ist nach der bekannten Bedingung für ein Kreisdrehfeld der Polversatzwinkelrl so zu wählen, daß der räumliche Polversatzwinkel ( p) p und der elektrische, durch i und i2 gegebene, Phasenverschiebungswinkel # sich zu 180° ergänzen.
Die Untersuchung der Entwicklungsmuster hat gezeigt, daß Motoren nach der vorliegenden Erfindung erhebliche Vorteile in fertigungstechnischer Hinsicht bringen und erheblich verbesserte elektro-mechanische Betriebseigenschaften aufweisen. Mit den angegebenen Gleichungen lassen sich für erfindungsgemäße Motoren die Anzahl der Rotor- und Statorpole exakt vorausbestimmen.

Claims

Patentansprüche

1) Selbstanlaufender Synchron- und Schrittmotor mit mehr als vier koaxial oder radial erregten Statorpolen für m Phasen und gemeinsamen Dauermagnet-Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole je Phase zu u Gruppen abwechselnder Polarität zusammengefaßt sind, die Polgruppen der einzelnen Phasen sich entlang des Arbeitsluftspaltes abwechseln, die Statorpole zentral oder einzeln erregt sind, die Anzahl der Stator- und Rotorpole nicht übereinstimmt, der Polteilungswinkel zwischen den Statorpolen innerhalb der Polgruppe einer Phase gleich dem Rotor-PolteilungswinkeleLr und uns der Winkelabstand zwischen den Polen verschiedener Phasen r='Cp (1 + l/m) gemacht wird.

2) Selbstanlaufender Synchron- und Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) an seinem Umfang abwechselnd Nord- und Südpole gleicher Polteilung besitzt.

3) Selbstanlaufender Synchron- und Schrittmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor bevorzugt aus einer unmagnetischen Welle und einem oder mehreren axialmagnetisierten Dauermagnet(en) (17) mit zwei oder mehreren gezahnten Polstücken (18) aus weichmagnetischem Material, insbesondere Reineisen, besteht.

4) Selbstanlaufender Synchron- und Schrittmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polgruppen gleich groß sind und insgesamt mindestens m x 1 Polgruppen vorhanden sind.

5) Selbstanlaufender Synchron- und Schrittmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polgruppen verschieden groß sind und insgesamt mindestens m x 2 Polgruppen vorhanden sind.

6) Selbstanlaufender Synchron- und Schrittmotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei Polen je Polgruppe der Polversatzwinkel Fig. 2a, b 0t = 3600/u + (a - 1) 180/p undn= 3600/u - (a - 1) 180/p ist.

7) Selbstanlaufender Synchron- und Schrittmotor nach Anspruch 1 bis 4, Fig. 2a, b, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem einzigen Pol je Polgruppe der Polversatzwinkel zwischen den Statorpolen gleicher Polarität eines Stators olZ 3 = 3600/u ist.

8) Selbstanlaufender Synchron- und Schrittmotor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Rotorpole 2pr der allgemeinen Gleichung 2pr = mu (a + b + l/m) und die maximale Anzahl der Statorpole der Gleichung p5 = mua genügt und Pr > 3 ist.

9) Selbstanlaufender Synchron- und Schrittmotor nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Pole je Polgruppe a eine ganze Zahl >= 1 und b = 0 oder <= 1 ist.

10) Selbstanlaufender Synchron- und Schrittmotor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Phasenwicklung aus zwei symmetrischen Wicklungshälften besteht und alle Anfänge und Enden der Wicklungshälften für den Stromanschluß zur Verfügung stehen.

11) Selbstanlaufender Synchron- und Schrittmotor nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Nord- und Südpole einer Phase durch eine koaxiale Zentralspule (14), Fig. 3, erregt werden.

12) Selbstanlaufender Synchron- und Schrittmotor nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei radialer Einzelpolanordnung nach Fig. 4 mindestens ein Pol je Polgruppe eine Erregerwicklung 14/m besitzt.

13) Selbstanlaufender Synchron- und Schrittmotor nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für spezielle Anwendungen, Fig. 7, die Summe der Polgruppenversatzwinkel #1 +#2 = 2#r (1 + 1/2) und das Verhältnis #2/#1 = 2 bzw. 1/2 gemacht wird.

14) Selbstanlaufender Synchron- und Schrittmotor nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei eindeutiger Drehrichtung alle Polgruppen gemeinsam erregt werden, ein Teil davon zum Aufspalten des Stator-Magnetilusses eine Kupferbelastung (16) erhält, Fig. 8, und der Polgruppenversatzwinkelt #1 von von der Phasenverschiebung der beiden Wicklungsströme il u. i2 abhängig ist.