DE2900893C2 - Gleichstromreihenschlußmotor - Google Patents

Description

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Fig.4 eine der Fig.2 entsprechende Ansicht eines Stators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In F i g. 3 erkennt man einen schematisch dargestellten Elektromotor M in Form eines Gleichstromreihenschlußmotors, der von einem Zerhacker Cher mit einem diskontinuierlichen Gleichstrom gespeist wird, wobei der Zerhacker selbst von einer Gleichstromquelle S gespeist wird, die beispielsweise aus Akkumulatoren besteht. Ein derartiger Elektromotor M wird häufig zum Antrieb eines Fahrzeuges verwendet In diesem Fall wird dor Zerhacker C durch nicht dargestellte Mittel in der Weise gesteuert, daß er Stromimpulse liefert, deren Dauer und/oder Frequenz von den Betriebsbedingungen abhängt Zwischen die Klemmen des Elektromotors M ist in herkömmlicher Weise eine Freilaufdiode D geschaltet, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist

Gemäß der Darstellung in F i g. 2 umfaßt der Elektromotor M einen Rotor 1, der den Anker bildet und innerhalb eines Stators 2 drehbar gelagert ist, welcher die Erregerwicklung trägt und Pole 3 aufweist Bei der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform sind der Pole vorhanden, wobei jedoch lediglich die obere Hälfte des Stators und des Rotors dargestellt ist Der nicht dargestellte untere Abschnitt des Elektromotors ist symmetrisch zu dem oberhalb der unteren strichpunktierten Linie liegenden oberen Abschnitt des Elektromotors ausgebildet mit Ausnahme einer Nut a, die in dem Rotor für eine Keilverzahnung ausgebildet ist

Der Zwischenraum e zwischen dem Rotor 1 und den Polen 3 bildet einen Luftspalt der von dem Magnetfluß Φ jedes Poles 3 des Stators 2 durchsetzt wird. Der Magnetfluß Φ hängt von den Amperewindungen des jeweiligen Poles ab, d. h. von dem Produkt N ■ i, wobei Λ/die Zahl der den jeweiligen Pol 3 umgebenden Leiterwindungen und / die Stärke des diese Leiterwindungen durchfließenden Stromes bezeichnet

Die Kurve G, welche den einen Pol 3 des Stators 2 durchsetzenden Magnetfluß Φ in Abhängigkeit der Amperewindungen dieses Poles 3 darstellt, weist einen linearen Anfangsabschnitt B (Fig. 1) auf, der bei geringen Stromstärken einer niedrigeren Sättigung des Statoreisens entspricht An diesen linearen Anfangsabschnitt B schließt sich ein gekrümmter Abschnitt oder ein Knick an, welcher dem Beginn einer stärkeren Sättigung des Eisens entspricht

Wie man in F i g. 1 erkennt, ist der erfindungsgemäße Motor in der Weise ausgebildet, daß der Beginn des gekrümmten Abschnittes der Kurve C, welche den Magnetfluß Φ in Abhängigkeit der Amperewindungen N · /darstellt, annähernd in der Mitte des Arbeitsbereiches F des Elektromotors M liegt. Die radiale Abmessung Λ ties Luftspaltes e (F i g. 2) ist hinreichend groß, so daß die Zunahme des Magnetflusses in Abhängigkeit der Amperewindungen über den Beginn j des gekrümmten Abschnittes hinaus mindestens gleich annähernd einem Drittel der Zunahme des Magnetflusses innerhalb des linearen Kurvenabschnittes B ist, welcher dem gekrümmten Abschnitt vorausgeht.

Der mittlere Anstieg des Magnetflusses rechts (in F1 g. i betrachtet) von dem Punkt j, d. h. die Zunahme des Magnetflusses in Abhängigkeit der Amperewindungen über den Punkt j hinaus, ist entsprechend der graphischen Darstellung in F i g. 1 gleich dem Verhältnis der Strecken qn/jn

Der mittlere Anstieg oder die Zunahme des Magnetflusses in Abhängigkeit der Amperewindungen des linearen Abschnittes B ist gleich dem Verhältnis der Strecken jt/Ot. Man kann daher sagen, daß qn/jn gleich V₃ · jt/Ot ist

Um die Gedankengänge zu veranschaulichen, sind auf der Ordinate und der Abszisse der graphischen Darstellung in Fig. 1 die numerischen Werte aufgetragen, die einer Ausführungsform eines Antriebsmotors mit einer Leistung der Größenordnung von 15 kW entsprechen. Der Magnetfluß Φ ist in Milliweber (mWb) auf der Ordinate aufgetragen. Man sieht daß der maximale Magnetfluß von 7 mWb bei ungefähr 2700 Amperewindungen erreicht wird. Der Beginn j des gekrümmten Abschnittes der Kurve hat einen Abzissenwert von ungefähr 1100 Amperewindungen, was bedeutet daß er unterhalb des mittleren Abszissenwertes (1350 Amperewindüngen) des 2700 Amperewindungen umfassenden Betriebsintervalles des Elektromotors liegt

Der Anstieg des Magnetflusses in Abhängigkeit der Amperewindungen ist proportional der Induktivität des elektrischen Kreises des Statorpoles, da diese Induktivitat proportional der Ableitung des Magnetflusses nach dem Erregerstrom ist

Es zeigt sich daher, daß bei einem erfinuungsgemäßen Motor die Induktivität des Motors jenseits des Anfangspunktes/der Krümmung (d. h. in F i g. 1 rechts von dem

Punkt j) einen ausreichend hohen Wert besitzt

So weist der erfindungsgemäße Elektromotor in seinem gesamten Arbeitsbereich und insbesondere im Bereich des maximalen Stromes eine erhebliche Induktivität auf, die eine Glättung des diskontinuierlichen Speisestromes ermöglicht der von dem Zerhacker C geliefert wird.

Diese Induktivität ist ausreichend groß, um auf eine zusätzliche Glättungsinduktivität verzichten zu können, die üblicherweise am Ausgang des Zerhackers C in Reihe mit dem Motor geschaltet ist.

Es ist zu bemerken, daß aufgrund dieses Luftspaltes e erheblicher Größe eine größere Anzahl von Leiterschleifen an den Polen des Stators vorhanden sein müssen, um einen bestimmten Magnetfluß bei einer gegebenen Stromstärke zu erhalten. Es ist vorteilhaft, zumindes* für die Erregerwicklung elektrische Leiter aus Aluminium zu verwenden, um die Gewichtszunahme aufgrund der höheren Windungszahl so gering wie möglich zu halten.

Für einen Elektromotor mit einer Leistung vor. weniger als 20 kW, beispielsweise einen Elektromotor mit einer Leistung in der Größenordnung von 15 kW, ist die radiale Abmessung h des Luftspaltes größer als 1,2 mm und vorzugsweise gleich 13 mm.

Man kann einen Luftspalt e vorsehen, dessen radiale Abmessung h in eintm mittleren Bereich 4 des Luftspaltes einen Minimalwert aufweist der jedoch in jeder.i Falle gleich den oder größer als die oben genannten Werte ist Die radiale Abmessung h nimmt bei diesem

Luftspalt zu den Rändern 5 bzw. 6 des Poles hin zu.

In dem Luftspalt E ist eine schematisch dargestellte Hülle 7 angeordnet welche den Rotor 1 an seiner Außenmantslfläche umschließt und dazu bestimmt ist, die Leiter 8 an dem Rotor festzuhaken. Diese Hülle 7 kann aus getränkten Glasfasern bestehen.

Es ist zu bemerken, daß diese Anordnung der Hülle 7 in dem Luftspalt edank der ausreichenden Größe dieses Luftspaltes möglich ist und man dadurch auf die Herstellung einer Nut in dem Rotor zur Aufnahme der Hül-

Ie verzichten kann.

Um die Qualität der Induktivität des Motors zu erhalten und Störungen durch Wirbelströme zu vermeiden, bestehen der Rotor und der Stator aus Blechpaketen in

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der Weise, daß lamellenartig geschichtete magnetische Kreise entstehen.

Es ist vorteilhaft, wenn die für die Pakete, welche den Magnetkreis bilden, verwendeten Bleche aus kohlenstoffarmem Stahl bestehen und durch eine Oberflächenoxidation isoliert sind.

Dank der relativ großen Abmessung des Luftspaltes e ist es möglich, aus derselben Blechbahn durch denselben Standvorgang die Elemente des Rotors und des Stators ohne Materialverlust auszustanzen. Das Stanzwerkzeug ι ο kann nämlich in dem hinreichend großen Raum durch das Blech treten, der dem Luftspalt entspricht.

Die Nuten 9 des Rotors haben die vereinfachte Form eines U und sind vollständig mit Leitern 8 ausgefüllt, da sich die Hülle 7 an der Außenmantelfläche des Rotors befindet Der Durchtrittsquerschnitt für den Magnetfluß des Rotors ist ausreichend, da der Abstand ε (F i g. 2) zwischen den Nutengrundflächen zweier einan-

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trittsquerschnitt für den Magnetfluß bestimmt, ausreichend groß ist.

Die Breite Vdes Polrandes (F i g. 2) kann geringfügig verringert werden, da aufgrund der relativ großen Abmessung des Luftspaltes die aus dem Pol austretenden magnetischen Flußlinien sich in dem Luftspalt genügend verteilen. Die Verringerung der Breite V gegenüber einem herkömmlichen Elektromotor kann das Doppelte der radialen Abmessung des Luftspaltes betragen.

Entsprechend den Darstellungen in den F i g. 2 und 4 sind die Pole 3 vorzugsweise gerade ausgebildet, das heißt ohne Breitendifferenz zwischen der Polbasis und dem Polrand derart, daß das Aufsetzen von vorgeformten flachen, auf ebenen Oberflächen P aufliegenden Spulen 12 auf diese Pole erleichtert wird.

Um das Gewicht des Motors zu verringern, kann man insbesondere in dem Magnetkreis des Stators Aussparungen IO (Fig.4) vorsehen-, die so ceformt sind, daß nur der für den Durchtritt des Magnetflusses ausnützbare Eisenquerschnitt erhalten bleibt und daß der Einfluß der Ankerrückwirkung verringert wird, was die Kornmutation verbessert.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 sind anstelle der bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 vorgesehenen Aussparung 10 in den Polen 3 U-förmige Nuten 11 ausgebildet

Es ist zu bemerken, daß zur Verringerung des Motorgewichtes das für den Eisenkern des Stators und des Rotors verwendete Eisen im Zustande magnetischer Sättigung verwendet wird. Der Einfluß dieser Sättigung bleibt jedoch aufgrund der Größe des Luftspaltes vernachlässigbar, wit man aus F i g. 1 erkennt Die Variation des Magnetflusses wird durch diese Sättigung verändert, bleibt jedoch ausreichend groß, damit der Motor eine zur Glättung des diskontinuierlichen oder pulsierenden Gleichstromes geeignete Induktivität behalt

Da der Motor im Zustand erheblicher Sättigung arbeitet, ist eine nicht dargestellte Kühlung für den Elektromotor vorgesehen, die ständig in Betrieb ist

Ein Motor der erfmdungsgemäßen Art ist dank seiner für diese Art der Verwendung vorteilhaften Drehmomentkennlinie und seines durch die Sättigung des Eisens erreichten geringen Gewichtes besonders gut für den Antrieb eines Fahrzeuges geeignet Die Eigenschaften des Motors werden durch die Linearisierung der den Magnetfluß wiedergebenden Kurve verbessert.

Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen, durch einen diskontinuierlichen oder pulsierenden Gleichstrom gespeisten Motors ist besser als der Wirkungsgrad einer aus einem herkömmlichen Motor und einer Glättungsinduktivität bestehenden Anordnung, die ebenfalls durch pulsierenden Gleichstrom gespeist wird. Bei einer derartigen Anordnung wird der Wirkungsgrad gegenüber dem erfindungsgemäßen Motor insbesondere aufgrund der ohmschen Verluste in der Glättungsinduktivität verringert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

29 OO 893 1 2 Die Erfindung betrifft einen Gleichstromreihen- Patentansprflche: schlußmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solcher Motor ist aus Proceedings IEE, Bd. 117,

1. Gleichstromreihenschlußmotor für einen Be- Nr. 2, Febr. 1970, S. 369 bis 376 bekannt

trieb mit pulsierendem Gleichstrom und mit einer 5 Eine Ausgestaltung betrifft ein Verfahren zur Her-Leistung in der Größenordnung von 15 kW, bei dem stellung der Bleche für einen Rotor und einen Stator die Kurve, welche den Verlauf des einen Pol des eines Gleichstromreihenschlußmotors nach Anspruch 1. Stators durchsetzenden Magnetflusses in Abhängig- Der im Anspruch 1 verwendete Ausdruck »pulsierenkeit der Amperewindungen dieses Poles wiedergibt, der Gleichstrom« bezeichnet Stromimpulse, die in ihrer einen linearen Anfangsabschnitt und einen sich an 10 Frequenz und/oder Dauer variieren können. Derartige diesen anschließenden gekrümmten Abschnitt auf- Impulse können beispielsweise von einer Gleichstromwsist, dadurch gekennzeichnet, daß der queile, wie elektrochemischen Generatoren mit Hilfe Gleichstrommotor derart ausgebildet ist daß der einer Zerhackerschaltung erhalten werden. Eingangs Anfangspunkt Q) des gekrümmten Abschnittes der genannte Elektromotoren werden häufig zum Antrieb den Verlauf des Magnetflusses (Φ) in Abhängigkeit 15 von Fahrzeugen verwendet

der Amperewindungszahl (N · i) beschreibenden Um bei Motoren dieser Art das Betriebsverhalten

Kurve (G) annähernd in der Mitte des Arbeitsberei- über den gesamten Arbeitsbereich zu verbessern, wird

ches (F) des Gleichstrommotors liegt und daß die üblicherweise eine Glättungsdrossel verwende» Der Er-

radiäle Abmessung (h) des Luftspaltes (e) etwas grö- findung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor der im

ßer als 1,2 pm, vorzugsweise 1,5 mm ist 20 Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art dahin-

2. GleicSisirommotor nach. Anspruch 1. mit einer gehend zu verbessern, daß sich im gesamten Arbeitsbezum Festhalten der Leiter in dem Rotor bestimmten reich eine Glättungsdrossel erübrigt

Hülle, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (7) in Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des

dem Luftspalt (3) angeordnet ist und den Rotor (1) Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst Mit der

längs seiner Umfangsmantelfläche umgibt 25 erfindungsgemäßen Konstruktion wird eine optimale

3. Gleichstrommotor nach Anspmch 2, dadurch Form der den Verlauf des Magnetflusses in Abhängiggekennzeichnet daß die Hühe (7) aus getränkten keit der Amperewfctdungszahl beschreibenden Kurve Glasfasern besteht erreicht Bei einem kleineren Luftspalt wie er bei her-

4. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 kömmlichen Motoren der eingangs genannten Art übbis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Muten (9) des 30 Hch ist hat der Magnetfluß bereits zu Beginn der Sätti-Rotors (1) rechteckförmig ausgebildet und vollstän- gungskurve annähernd den Maximalwert erreicht Diedig mit Leitern (8) gefüllt sind. . ser Maximalwert wird für eine relativ kleine Ampere-

5. Gleichstrommotor nach tönern der Ansprüche 1 windungszahl erreicht jedoch ist der Anstieg des Sättibis 4, wobei die Poie eine vereinfachte gerade Form gungsabschnittes der Kurve sehr klein und somit auch ohne eine Änderung der Polbrei.e aufweisen, welche 35 die Induktivität für einen Betrieb mit pulsierendem das Aufsetzen vorgefertigter ebener Spulen ermög- Gleichstrom zu gering. Ist der Luftspalt dagegen zu licht, dadurch gekennzeichnet daß die Breite der groß, wird die für eine Erreichung des maximalen Ma-PoIe (3) gegenüber der Breite der Pole eines her- gnetflusses erforderliche Amperewindungszahl zu groß, kömmlichen Gleichstrommotors verringert, insbe- als daß diese Lösung in der Praxis «n Frage käme. Der sondere um das Doppelte der radialen Abmessung 40 erfindungsgemäße Motor liefert insbesondere bei der (h) des Luftspaltes (e) verringert ist Verwendung für einen Fahrzeugantrieb eine bessere

6. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 Drehmomentkennlinie für verschiedene Betriebsgebis 5, dadurch gekennzeichnet daß die Erregerwick- schwindigkeiten des Fahrzeuges.

lung (12) aus Aluminium besteht Vorzugsweise ist eine Hülle, die zum Festhalten der

7. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 45 Leiter in dem Rotor bestimmt ist, in dem Luftspalt angebis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische ordnet und umgibt den Rotor längs seiner umlaufenden Kreis aus einem Blechpaket besteht dessen Bleche Mantelfläche. Diese Hülle kann aus getränkten Glasfaaus kohlenstoffarmem oder -freiem Stahl bestehen sern bestehen.

, und durch eine Oberflächenoxidation isoliert sind. Die Nuten des Rotors haben vorzugsweise ein recht-

8. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 st eckförmiges Profil und sind vollständig mit Leitern ausbis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische gefüllt.

Kreis, insbesondere die Statorspulen (2) Aussparun- Der Rotor und der Stator bestehen vorzugsweise aus

gen (10) aufweisen, die derart geformt sind, daß der Paketen von Blechlamellen. Dank der relativ großen

für das Erregerfeld zur Verfügung stehende Eisen- Abmessung des Luftspaltes ist es möglich, die Bleche

querschnitt im wesentlichen erhalten bleibt, daß der 55 des Stators und des Rotors durch einen einzigen Stanz-

Einfluß der Ankerrückwirkung jedoch vermindert Vorgang aus demselben Blech auszuschneiden,

wird. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich

9. Verfahren zur Herstellung der Bleche für einen aus den Unteransprüchen. Die Beschreibung erläutert in Rotor und einen Stator nach einem der Ansprüche 1 Verbindung mit den Figuren die Erfindung anhand bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche des 60 zweier Ausführungsbeispiele. Es zeigt

Rotors (1) und des Stators (2) durch denselben F i g. 1 eine graphische Darstellung der Änderung des

Stanzvorgang aus derselben Bahn oder demselben einen Pol des Stators durchsetzenden Magnetflusses in

Blech ausgestanzt werden, indem das Stanzwerk- Abhängigkeit der Amperewindungen dieses Poles in ei-

zeug in dem dem Luftspalt fo/entsprechenden Raum nem erfindungsgemäßen Motor,

durch das Material hindurchtritt. 65 F i g. 2 eine Teilansicht des Rotors und des Stators

eines erfindungsgemäßen Motors in Achsrichtung,

Fig.3 ein vereinfachtes Schaltschema des erfindungsgemäßen Motors, und