-
Miniatur-Elektromotor Die Erfindung betrifft einen Min.iatur-Elektromotor
und bezieht sich insbesondere auf einen solchen Miniatur-Elektromotor, der einen
Rotor aus einem weichen magnetischen Material aufweist, der Polzähne hat, von denen
jeweils zwei benachbarte gleichzeitig mit abwechselnd entgegengesetzten magnetischen
Polaritäten magnetisiert werden, wen eine Erreger spule eingeschaltet wird, wodurch
der Wirkungsgrad in der Leistung und das Frequenzverhalten stark verbessert werden.
-
Mit dem Wirkungsgrad in der Leistung ist ein Wirkungsgrad zur Umwandlung
einer elektrischen Eingangsenergie in eine mechanische Ausgangsenergie angesprochen.
Ein hoher Wirkungsgrad in der Leistung könnte den Energieverbrauch eines Motors
vermindern, erleichtert eine geringe Baugröße des Motors und bringt die Erzeugung
von Wärme auf ein Minimum, indem die Verluste weitgehend vermindert werden. Ein
Frequenzverhalten zeigt an, wie gut ein Motor mit der Frequenz einer Versorgungsspannung
synchronisiert werden kann und ist ein Anzeichen der Betriebsstabilität des Motors.
-
In einem herkömmlichen Niniatur-Elektromotor mit einem permanentmagnetischen
Rotor ist es außerordentlich schwierig, ein Trägheitsmoment zu verkleinern, und
es besteht weiterhin ein Problem im Frequenzverhalten, weil die Formgebung des Rotors
aufgrund der begrenzten Verarbeitbarkeit des Materials eines permanentmagnetischen
Rotors wie eines Rotors aus Bariumferrit, Alnico usw. begrenzt ist. Eine weitere
Begrenzung kann sich auch aus dem spezifischen Gewicht eines solchen Materials ergeben.
-
Selbst dann, wenn das Trägheitsmoment in bestimmtem Ausmaß vermindert
werden kann, ist das Ausgangsdrehmoment vermindert und folglich ist der Wirkungsgrad
in der Leistung entsprechend verringert. Somit ist ein Motor dieser Art nur als
ein Motor mit geringem Drehmoment verwendbar. Mit anderen Worten, der Wirkungsgrad
in der Leistung und das Frequenzverhalten sind bei einem herkömmlichen Elektromotor
dieser Art miteinander konkurrierende Eigenschaften. Andererseits hat ein herkömmlicher
Elektromotor mit einem Rotor, welcher Polzähne aus einem weichen magnetischen Material
aufweist, einen weiteren Nachteil im magnetischen Wirkungsgrad, weil die Polzähne
gleichzeitig in einer einzigen Richtung bzw. Polarität (Nord oder Süd) magnetisiert
sind, wodurch der Wirkungsgrad in der Leistung und das Frequenzverhalten unbefriedigend
bleiben.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Miniatur-Elektromotor der oben
näher erläuterten Art zu schaffen, bei welchem sowohl der
Wirkungsgrad
in der Leistung als auch zugleich das Frequenzverhalten außerordentlich gut sind.
-
Zur lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Rotor einen
kreisförmigen Abschnitt hat, welcher in einer radialen Ebene durch die Welle liegt,
welcher der magnetisierten Flache des permanentmagnetischen Stators gegenübersteht
und welcher in Umfangsrichtung in eine Vielzahl von Pol zähnen durch eine Einrichtung
mit hoher magnetischer Reluktanz unterteilt ist, welche die Polzähne von den jeweils
benachbarten Polxahnen trennt, um die benachbarten Polzähne gleichzeitig mit entgegengesetzter
magnetischer Polarität zu magnetisieren, wobei die Polaritäten alternieren und zwar
aufgrund des Magnetfeldes, welches durch die ringförmige Erregerspule erzeugt wird.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen des
Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Gemäß der Erfindung wird ein wesentlicher Vorteil dadurch erreicht,
daß der erfindungsgemäße Miniatur-Elektromotor mit einem Rotor ausgestattet ist,
der Polzähne aufweist, welche bei der Erregung einer Erregerspule gleichzeitig in
entgegengesetzten Richtungen magnetisiert werden, indem nämlich dadurch die Möglichkeit
geschaffen wird, sowohl den Wirkungsgrad in der Leistung als auch das Frequenzverhalten
stark zu verbessern.
-
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform
eines elektrischen Miniaturmotors gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Darstellung zur
Erläuterung der magnetischen Arbeitsweise der Polzähne gemäß der Erfindung, Fig.
3 einen Grundriß der Polzähne, Fig. 4 einen Schnitt durch die Polzähne entlang der
Linie IV-IV Fig. 5 einen Grundriß eines permanentmagnetischen Stators gemäß der-Erfindung,
Fig. 6 ein Diagramm, welches die magnetische Arbeitsweise des Motors veranschaulicht,
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines elektrischen Miniaturmotors gemäß der
Erfindung, Fig. 8 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines elektrischen
Miniaturmotors gemäß der Erfindung, Fig. 9 ein Verdrahtungsdiagramm von Erregerspulen,
wie sie in dem Motor der Fig. 8 verwendet werden, der als Synchronmotor eingesetzt
wird, Fig. 10 ein Diagramm, welches die magnetische Arbeitsweise des Motors der
Fig. 8 veranschaulicht, welcher als Synchronmotor arbeitet,
Fig.
11 ein Verdrahtungsdiagramm von Erregerspulen, welche in dem Motor der Fig. 8 verwendet
werden, der als reversibler Motor arbeitet, Fig. 12 eine Wellenform eines Stroms,
welcher durch die åeweilige Erregerspule der Fig. 11 fließt, Fig. 13 ein Diagramm,
welches die magnetische Arbeitsweise des Motors der Fig. 8 veranschaulicht, der
als reversibler Motor arbeitet, Fig. 14 ein ähnliches Diagramm, welches die magnetische
Arbeitsweise des Motors der Fig. 8 veranschaulicht, der als reversibler Motor arbeitet,
Fig. 15 ein Verdrahtungsdiagramm der Erregerspulen, welche in dem-Motor der Fig.
8 verwendet werden, der als Impulsmotor bzw. Schrittmotor arbeitet, Fig. 16 Wellenformen
von Eingangssignalen, welche dem Motor der Fig. 8 zugeführt werden, der als Impulsmotor
bzw.
-
Schrittmotor arbeitet, Fig. 17 ein Diagramm, welches die magnetische
Arbeitsweise des Motors der Fig. 8 veranschaulicht, der als Impulsmotor bzw. Schrittmotor
arbeitet, Fig. 18 ein ähnliches Diagramm, welches die magnetische Arbeitsweise des
Motors der Fig. 8 veranschaulicht, der als Impulsmotor bzw. Schrittmotor arbeitet,
Fig. 19 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines elektrischen Miniaturmotors
gemäß der Erfindung,
Fig. 2C eine perspektivische Darstellung einer
Ausführungsform des Rotors, welcher in dem Motor gemäß Fig. 19 verwendbar ist, Fig.
21 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Rotors, welcher
in dem Motor gemäß Fig. 19 verwendbar ist, Fig. 22(a) eine perspektivische Darstellung
des permanentmagnetischen Stators, welcher in dem Motor der Fig. 19 verwendet wird,
Fig. 22(b) einen Schnitt durch den permanentmagnetischen Stator der Fig. 22(a),
Fig. 23 ein Verdrahtungsdiagramm der Erregerspulen, welche in dem Motor gemäß Fig.
19 verwendet werden, der als Synchronmotor arbeitet, Fig. 24 ein Verdrahtungsdiagramm
der Erregerspulen, welche in dem Motor der Fig. 19 verwendet werden, der als reversibler
Motor arbeitet, und Fig. 25 ein Verdrahtungsdiagramm der Erregerspulen, welche in
dem Motor der Fig. 19 verwendet werden, der als Impulsmotor bzw. Schrittmotor arbeitet.
-
In der-Zeichnung und in der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche
Bauteile oder Teile mit gleichen Bezugszahlen oder Bezugszeichen versehen.
-
In den Fig. 1 bis 7 ist eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der
Erfindung beschrieben. Mit 1 ist eine drehbare Welle bezeichnet. Ein erstes Lager
2 und ein zweites Lager 3 sind auf der
drehbaren Welle an deren
einander gegenüberliegenden Enden angeordnet. Ein dazwischen angeordnetes Joch 4,
welches aus weichem magnetischem Material hergestellt ist, ist an dem zweiten Lager
3 befestigt. Zwischen diesem Zwischenjoch 4 und dem ersten Lager 2 ist ein Nabenelement
7 angeordnet, welches aus einem magnetischen Material hergestellt ist und über Scheiben
5 und 6 an der drehbaren Welle 1 angebracht ist.
-
Ein erstes Gehäuseelement 8 ist aus einem weichen magnetischen Material
hergestellt und hat ein inneres Ende an dem Zwischenaoch 4befestigt, während ein
äußeres Ende derart gebogen ist, daß es sich in axialer Richtung zur drehbaren Welle
1 erstreckt.
-
In dem Gehäuseelement 8 ist eine ringförmige Erregerspule 9 untergebracht
und an dem Zwischenjoch 4 befestigt. Ein zweites Gehäuseelement 10 aus einem nicht-magnetischen
Material ist mit seinem inneren Ende an dem ersten Lager 2 angebracht und mit seinem
äußeren Ende derart gebogen, daß es um das erste Gehäuseelement 8 herum paßt. Innerhalb
des zweiten Gehäuseelementes 10 ist ein Permanentmagnet 11 befestigt, der aus Bariumferrit
und so weiter hergestellt ist. Dieser Permanentmagnet 11 ist ringformig ausgebildet
und auf seiner Oberfläche radial magnetisiert, um auf gleichen Winkelabständen gemäß
Fig.5 abwechselnd Nord- und Südpole zu erzeugen.
-
Ein Rotorl2 ist aus einem kreisförmigen Eisenteil gebildet, und zwar
aus einem weichen magnetischen Material, wobei sein inneres und sein äußeres Ende
jeweils gebogen sind, daß sie sich entlang der drehbaren Welle 1 erstrecken. Dieser
Rotor 1.2 ist mit seinem Innenumfang an dem Nabenelement 7 angebracht, um eine drehbare
Anordnung zu bilden. Ein kreisförmiges Korperelement, welches in einer radialen
Ebene durch die drehbare Welle 1 liegt und der magnetisierten Seite des permanentmagnetischen
Stators 11 gegenüberliegt, hat eine Vielzahl von Schlitzen oder stuten 12a mit hoher
magnetischer Reluktanz, welche L-förmig
ausgebildet sind und radial
angeordnet sind, so daß sie in Umfangsrichtung jeweils alternierend umgekehrt sind,
um Polzähne 12d und 12e zu bilden. Diese Polzähne 12d sind am Außenumfang des Rotors
12 integral und erstrecken sich in der Ebene nach innen, während die Polzähne 12e
an dem inneren Ende des Rotors 12 integral ausgebildet sind und sich in der -Ebene
gemäß Flg. 3 nach außen erstrecken. Brücken 12b und 12c welche sich über die Enden
der jeweils benachbarten Nuten 12a erstrecken, sind hinreichend schmal ausgebildet,
um einen möglichen Kurzschluß des mangetischen Flusses durch diese Nuten vernachlässigen
zu können (um eine hohe magnetische Reluktanz zwischen den benachbarten Polzähnen
12d und 12e zu bilden), während eine ausreichende mechanische Festigkeit zur Uberbrückung
der benachbarten Polzähne 12d und 12e erhalten bleibt. Die Anzahl der Polzähne 12d
und 12e entspricht derjenigen Pole des permanentmagnetischen Stators 11, wie es
in den Fig. 3 und 5 dargestellt ist.
-
Eine Buchse 13 ist in eine Öffnung des ersten Gehäuseelementes 8 eingesetzt,
und eine Leitung der ringförmigen Erregungsspule 9 ist hindurchgeführt. Mit 14 ist
ein Abtriebszahnrad bezeichnet, welches auf der Drehwelle 1 befestigt ist.
-
Bei dem auf diese Weise aufgebauten Motor ist ersichtlich, daß dann,
wenn eine technische Wechselspannung der Erregerspule 9 zugeführt wird, ein alternerierender
magnetischer Fluß durch einen durch die Spule fließenden Strom erzeugt wird. Dieser
magnetische Fluß bildet einen Kreis über das erste Gehäuseelement 8, das Zwischenåoch
4 und den Rotor 12, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Demgemäß werden in einem
vorgegebenen Halbzyklus der Versorgungsspannung die Polzähne 12d und 12e des Rotors
12 gleichzeitig als Südpol und als Nordpol jeweils in der Weise magnetisiert, wie
es in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist.
-
Wenn die Erregerspule 9 nicht erregt ist, bleiben die Polzähne 12e
und 12d des Rotors 12 in einer Stellung, in welcher der magnetische Flußpfad vom
Südpol zum Nordpol des Permanentmagneten 11 einen geringsten magnetischen Reluktanzwert
hat, d. h.
-
in einer Stellung in der Mitte zwischen einem benachbarten Nordpol
und Südpol des Permanentmagneten 11, wie es in der Fig. 6(a) dargestellt ist. Wenn
unter dieser Bedingung eine technische Wechselspannung an die Erregerspule 9 angelegt
wird, wobei die Polzähne 12d gemäß Fig. 2 als Süd- und als Nordpolzähne 12e magnetisiert
sind, und zwar durch den magnetischen Fluß, welcher durch den Strom erzeugt wird,
der durch die Erregerspule 9 fließt, und den oben näher bezeichneten magnetischen
Kreis bildet, dann werden die Polzähne 12d durch die jeweiligen Südpole des Permanentmagneten
11 abgestoßen und durch die Nordpole angezogen, welche dazu benachbart liegen.
-
In ähnlicher Weise werden die Polzähne 12e durch die jeweiligen Nordpole
abgestoßen und durch die dazu benachbarten Südpole angezogen. Somit beginnt der
Rotor 12, sich in der durch einen Pfeil (r--) ) markierten Richtung gemäß Fig. 6(a)
zu drehen.
-
Bevor der vorgegebene Halb zyklus der Versorgungsspannung zu Ende
ist, dreht sich der Rotor 12 in die in der Fig. 6(b) dargestellte Stellung weiter,
und zwar aufgrund seines Trägheitsmomentes. Im folgenden Halbkzylus der Versorgungsspannung
ändern die Polyzähne 12d und 12e ihre Polaritäten jeweils in Nord und Süd, wie es
in der Fig. 6(c) dargestellt ist. Der Rotor 12 dreht sich dann in die Stellung weiter,
wie sie in der Fig.
-
6(d-) dargestellt ist, und zwar aufgrund ähnlicher magnetischer Wechselwirkungen
zwischen den magnetisierten Flächen, und der Motor läuft synchron mit der Frequenz
der Versorgungsspannung weiter. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß der
Rotor 12 beginnt, sich in eine Richtung zu drehen, wie es in der Fig. 6(a) durch
einen Pfeil (--y) markiert ist, falls die
Versorgungsspannung sich
in dem anderen Halb zyklus befinde-t als dem oben erwähnten Halbzyklus, wenn der
Betrieb beginnt.
-
In der vorliegenden Ausführungsform können die Schlitze oder Nuten
12a des Rotors 12 mit einem Material großer magnetischer Reluktanz wie einem Plastikmaterial
ausgefüllt sein. Bei diesem Aufbau sind die Brückenelemente 12b und 12c nicht unbedingt
erforderlich.
-
Obwohl die gebogenen Abschnitte des Rotors 12 an seinem inneren und
seinem äußeren Ende bei der oben beschriebenen Ausführungsform vorgesehen sind,
um die Bereiche zu vergrößern, welche dem Zwischenjoch 4 gegenüberstehen sowie dem
ersten Gehäuseelement 8, damit der magnetische Wirkungsgrad erhöht wird, sei darauf
hingewiesen, daß sie nicht unbedingt benötigt werden, weil der magnetische Wirkungsgrad
von der relativen Ausbildung des-Zwischenjoches 4 und des ersten Gehäuses 8 abhängt.
-
Obwohl das Zwischenåoch 4 dazu dient, das erste Gehäuseelement 8 in
der axialen Richtung der drehbaren Welle 1 zu halten, und weiterhin dazu beiträgt,
den magnetischen Kreis bei dem Rotor 12 und dem Gehäuseelement 8 in der Ausführungsform
zu bilden, kann das Gehäuseelement 8 auch auf andere Weise gehalten werden, beispielsweise
durch Befestigung am Lager usw., und der magnetische Kreis kann ohne Zwischenjoch
4 gebildet werden, indem der innere gebogene Abschnitt des Rotors 2 länger ausgebildet
wird. Weiterhin braucht die Anzahl der Polzähne, welche auf dem Rotor 12 ausgebildet
sind, nicht notwendigerweise 59 groß zu sein wie diejenige der Pole des Permanentmagneten
11, vielmehr können einige entfallen, solange der beabsichtigte Zweck noch erreicht
wird.
-
In der Fig. 7 ist ein 2-Phasen-Elektromotor gemäß der Erf indung dargestellt,
welcher einen permanentmagnetischen Stator 11', einen Rotor'121 und ein Zwischenjoch
4' aufweist, und zwar
gegenüber einem permanentmagnetischen Stator
11, ? , einem Rotor 12 und einem Zwischenjoch 4, welche jeweils mit den entsprechenden
Bauteilen der oben beschriebenen Ausführungsform identisch sind, und zwar in bezug
auf eine ringförmige Erregerspule 9.
-
Der permanentmagnetische Stator 11' ist gegenüber dem permanentmagnetischen
Stator 11 um einen elektrischen Winkel von 1800 versetzt angeordnet.
-
Eine weitere Ausführungsform eines 2-Phasen-Elektromotors gemäß der
Erfindung ist in der Fig. 8 dargestellt. Mit 1 ist eine drehbare Welle bezeichnet,
an welcher ein Abtriebszahnrad 14 angebracht ist. Ein erstes Lager 2 und ein zweites
Lager 3 sind an der Welle 1 befestigt. Ein erstes Zwischenjochelement 4 und ein
zweites Zwischenjochelement 4', welche aus einem weichen magnetischen Material bestehen,
sind an dem ersten Lager 2 und dem zweiten Lager 3 jeweils angebracht. Ein Nabenelement
7 einer Rotoranordnung ist an der drehbaren Welle 1 zwischen dem ersten und dem
zweiten Zwischenjochelement 4 bzw. 4' über eine erste Scheibe 5 und eine zweite
Scheibe 6 angebracht. Die Bezugszeichen 8 und 8' bezeichnen jeweils ein erstes und
ein zweites Gehäuseelement aus einem weichen magnetischen Material.
-
Die Gehäuseelemente 8 und 8' sind magnetisch mit entsprechenden äußeren
Enden miteinander verbunden und an ihren inneren Enden jeweils mit dem ersten Zwischenjochelement
4 und dem zweiten Zwischenjochelement 4' verbunden. Eine erste ringförmige Erregerspule
9 und eine zweite ringförmige Erregerspule 9' sind konzentrisch zu der drehbaren
Welle 1 angeordnet und jeweils an dem ersten Gehäuseelement 8 und dem zweiten Gehäuseelement
8' angebracht. Ein scheibenförmiger Permanentmagnet 11 ist zwischen dem Nabenelement
7 und dem ersten Gehäuseelement 8 durch eine geeignete Einrichtung befestigt und
auf seinen entgegengesetzten Oberflächen in der Weise magnetisiert, daß eine ähnliche
Magnetisierung wie bei dem Permanentmagneten 11 der oben anhand der Fig. 5 beschriebenen
Ausführungsform vorhanden
ist, um zwei magnetisierte Flächen zu
bilden. Eine erste Buchse 13 und eine zweite Buchse 13' sind in Öffnungen eingepaßt,
welche auf dem ersten Gehäuseelement 8 ausgebildet sind, um jeweils eine erste Leitung
für die erste Erregerspule 9 und eine zweite Leistung für die zweite Erregerspule
9' aufzunehmen.
-
Ein erster Rotor 12 und ein zweiter Rotor 12', die aus weichem magnetischem
Material hergestellt sind, haben ihre inneren bzw. äußeren Enden jeweils so gebogen,
daß sie sich in derselben Richtung parallel zu der drehbaren Welle 1 erstrecken.
Der erste Rotor 12 und der zweite Rotor 12' sind an ihren jeweiligen inneren Enden
mit dem Nabenelement 7 derart verbunden, daß der Permanentmagnet 11 dazwischen liegt,
wie es in der Fig. 8 dargestellt ist. Ein kreisförmiger Körperabschnitt jedes Rotors,
nämlich des ersten Rotors 12 und des zweiten Rotors 12', welches sich in einer radialen
Ebene durch die Welle erstreckt, hat eine Vielzahl von L-förmigen Schlitzen oder
Nuten 12a oder 12a', welche radial angeordnet sind und in Umfangsrichtung alternierend
umgekehrt sind, um Polzähne 12d und 12e oder 12d' und 12e' zu bilden, welche den
Polen des permanentmagnetischen Stators 11 entsprechen. Diese Polzähne 12d und 12d'
sind auf dem Außenumfang der Rotoren 12 und 12' jeweils integral ausgebildet und
erstrecken sich nach innen in der Ebene, während die Polzähne 12e und 12e' jeweils
an dem inneren Ende des Rotors 12 integral ausgebildet sind und sich jeweils in
der Ebene nach außen erstrecken, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist. Die Brücken
12b, 12c, 12b' und 12c' quer über die Enden der jeweils benachbarten Nuten 12a oder
12a' sind so schmal wie möglich ausgebildet, und zwar im Hinblick auf eine große
magnetische Reluktanz, um den magnetischen Kurzschluß über diese Elemente hinwe
auf ein vernachlässiges Maß zu vermindern, während zugleich eine erforderliche mechanische
Festigkeit erhalten bleibt, um die Polzähne 12d,
12e, 12d' und
12e' zu überbrücken. Die Polzähne 12d und 12e oder 12d' und 12e' sind ebenso viele
Nordpole wie Südpole des Permanentmagneten 11, wie es in der Fig. 3 dargestellt
ist.
-
Wenn eine technische Wechselspannung der ersten ringförmigen Erregerspule
9 zugeführt wird, wird ein alternierendes Magnetfeld erzeugt und sein Fluß verläuft-über
einen ersten magnetischen Kreis, der aus dem ersten Gehäuseelement 8, dem ersten
Rotor 6 und dem ersten Zwischenjoch 4 gebildet ist. Folglich werden in einem vorgegebenen
Halb zyklus der Versorgungsfrequenz Süd- und Nordmagnetpole gleichzeitig jeweils
in den Polzähnen 12d und 12e induziert, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist, um
Polzähne zu bilden, welche gleichzeitig entgegengesetzte Polaritäten haben, wie
es in der Fig. 3 dargestellt ist. Wenn eine ähnliche Spannung an die zweite Erregerspule
9' angelegt wird, ergibt sich für den zweiten Rotor 12' eine ähnliche Arbeitsweise.
-
Der auf diese Weise aufgebaute 2-Phasen-Miniaturelektromotor kann
als zweiphasiger Synchronmotor, als reversibler Synchronmotor und als Impulsmotor
bzw. Schrittmotor arbeiten. Der Aufbau wird für jeden solchen Motor unten im einzelnen
näher erläutert.
-
Nachfolgend wird ein 2-Phasen-Synchronmotor näher erläutert: Der erste
Rotor 12 und der zweite Rotor 12' sind relativ zueinander derart angeordnet, daß
der elektrische Winkel zwischen den Polzähnen der jeweiligen Rotoren 12 und 12 auf
"O.gehalten ist (in der vorliegenden Ausführungsform ist der mechanische Winkel
dazwischen 00, 600 oder ein ungerades Vielfaches davon, da die Rotoren 12 und 12'
jeweils 12 Polzähne haben). Die erste Erregerspule 9 und die zweite Erregerspule
9' sind zueinander parallel geschaltet und gemäß,Fig. 9 mit der
Energieversorgung
verbunden.
-
In den Ruhestellungen des ersten Rotors 12 und des zweiten Rotors
12' nehmen die jeweiligen Polzähne 12d, 12e, 12d' und 12e' Positionen in der Mitte
zwischen benachbarten Nord- und Südpolen des Permanentstators 11 ein, wie es in
der Fig. 10 (a) dargestellt ist, weil die Stellungen den Pfad einer minimalen Reluktanz
in den stationären magnetischen Kreis von dem Nordpol zum Südpol des Permanentmagneten
11 bilden.
-
Nach dem Anlegen einer technischen Wechselspannung an die erste Erregerspule
9 und die zweite Erregerspule 9'~fließen Ströme mit derselben Phase durch diese
Spulen hindurch. Deshalb sind ein erstes Motorelement, welches aus dem ersten Rotor
12 gebildet ist, die magnetisierte Fläche des Permanentmagneten 11, welche diesem
Element gegenübersteht, und die erste Erregerspule 9 sowie ein zweites Motorelement,
welches aus dem zweiten Rotor gebildet ist, die magnetisierte Fläche des Permanentmagneten
11, welche diesem Element gegenübersteht, und die zweite Erregerspule 9' in demselben
elektrischen Zustand.
-
Wenn unter diesen Bedingungen die Polzähne 12d des ersten Rotors 12
und die Polzähne 12d' des zweiten Rotors 12' mit einer Nordpolarität magnetisiert
sind und die Polzähne 12e des ersten Rotors 12 sowie die Polzähne 12e' des zweiten
Rotors 12' mit einer Südpolarität magnetisiert sind, werden die Polzähne 12d und
12d' durch die benachbarten Nordpole des Permanentmagneten 11 abgestoßen und durch
dessen benachbarte Südpole angezogen, während die Polzähne 12e und 12e' durch die
benachbarten Südpole des Permanentmagneten 11 abgestoßen und durch dessen Nordpole
angezogen werden, so daß die Rotoren 12 und 12'in einer Richtung des Pfeils A laufen.
Die Polzähne 12d, 12e, 12d' und 12e' gehen weiter in die jeweiligen Stellungen,
wie es in der Fig. 10(b) dargestellt ist, bevor der vorgegebene Halbzyklus der Frequenz
der Versorgungsspannung vorüber ist,
wobei sie ein Trägheitsmoment
gewinnen. In dem folgenden Halbzyklus nehmen die Polzähne 12d und 12d' eine Südpolarität
an, und die Polzähne 12e und 12e' nehmen eine Nordpolarität an, wie es in der Fig.
10(c) dargestellt ist, und sie gehen weiter in die Stellung gemäß Fig. 10(c) durch
starke magnetische Wechselwirkungen zwischen den einander gegenüberstehenden magnetischen
Flächen. In gleicher Weise gehen die Polzähne 12d,12e, 12d' und 12e' in die Stellungen
gemäß Fig. 10(d) und dann in die Stellungen gemäß Fig. 10(e), wodurch die Drehung
sicher und positiv mit der Frequenz der Versorgungsspannung synchronisiert wird
Wenn beim Start die umgekehrten Polaritäten in den Polzähnen induziert werden, laufen
die Rotoren 12 und 12' in umgekehrter Richtung.
-
Nachfolgend wird ein reversibler Synchronmotor im einzelnen näher
erläutert: Der erste Rotor 12 und der zweite Rotor 12' sind derart angeordnet, daß
die entsprechenden Polzähne gegeneinander um einen elektrischen Winkel von 960 bis
1200 versetzt sind (bei der vorliegenden Ausführungsform um einen mechanischen Winkel
von 16 bis 200 oder um ein ganzes Vielfaches davon).
-
Die erste Erregerspule 9 und die zweite Erregerspule 9' sind gemäß
Fig. 11 geschaltet. Die Erregerspulen 9 und 9' sind zueinander parallelgeschaltet
und über eine Schaltereinrichtung SW mit der Wechselspannungsversorgung verbunden,
und ein Kondensator C ist zwischen den Erregerspulen 9 und 9' angeordnet. In der
Fig. 11 ist die erste Erregerspule 9 in einer Stellung, das sie elektrisch mit der
Spannungsversorgung verbunden ist. Die Wellenformen der Ströme, welche durch die
Erregerspulen 9 und 9' hindurchgehen, sind in der Fig. 12 dargestellt.
-
(I) ist eine Wellenform eines Stromes, welcher-durch die erste Erregerspule
9 hindurchfließt, (II) ist eine Wellenform eines Stromes, welcher durch die zweite
Erregerspule 9' hindurchfließt,
wenn der Schalter SW in einer Stellung
ist, wie durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist, und (III) ist eine Wellenform
eines Stromes, welcher durch die zweite Erregerspule 9' hindurchgeht, wenn der Schalter
SW in eine Stellung gebracht ist, welche durch eine unterbrochene Linie angegeben
ist.
-
Wenn sich der Schalter SW in der Stellung befindet, welche durch eine
durchgezogene Linie angegeben ist, fließt der Strom der Wellenform (I) durch die
erste Erregerspule 9, und der Strom der Wellenform (II) fließt durch die zweite
Erregerspule 9', wie es oben bereits erwähnt wurde. In dem Zeitpunkt (I-O) in der
Fig. 12 ist der durch die erste Erregerspule 9 fließende Strom positiv, und die
Polzähne 12d und 12e des ersten Rotors 12 nehmen beispielsweise eine Nordpolarität
bzw.
-
eine Südpolarität an. Andererseits ist der Strom, welcher durch die
zweite Erregerspule 9' fließt, negativ, und ein Nord- bzw.
-
ein Südpol wird jeweils in den Polzähnen 12d' bzw. 12e' des Rotors
12' hervorgerufen, wie es in der Fig. 13(a) dargestellt ist.
-
In der Ruhestellung sind die Polzähne 12d und 12e des ersten Rotors
12 jeweils über den Nordpolen bzw. den Südpolen des Permanentmagneten 11 angeordnet,
und die Polzähne 12d' und 12e' des zweiten Rotors 12 sind in der Mitte zwischen
benachbarten Nord- ud Südpolen des Permanentmagneten 11 angeordnet.
-
Unter diesen Umständen wird eine abstoßende Kraft auf den ersten Rotor
12 ausgeübt. Diese abstoßende Kraft wirkt sich jedochnicht so aus, daß die Drehrichtung
festgelegt wird, weil die Polzähne 12d und 12e in der Mitte zwischen den Polen des
Permanentmagneten 11 stehen. Andererseits werden sowohl eine abstoßende Kraft als
auch eine anziehende Kraft auf den zweiten Rotor 12' ausgeübt, weil dessen Polzähne
12d' und 12e' in der Mitte zwischen den Polen bleiben. Aufgrund dieser auf
den
zweiten Rotor 12' ausgeübten Kräfte beginnt dieser Rotor 12', sich zusammen mit
dem ersten Rotor 12 zu drehen, und zwar in einer Richtung des Pfeiles B, wobei er
ein Trägheitsmoment gewinnt.
-
Die Polzähne 12d' und 12e' des zweiten Rotors 12' gehen dann weiter
in die Stellungen, wobei sie die Südpole und die Nordpole des Permanentmagneten
11 jeweils kreuzen, bis bei einer Phasenstellung (II-O) der Fig. 12 der durch die
zweite Erregerspule 12' fließende Strom positiv geworden ist, wobei die Polaritäten
der Polzähne 12d' und 12e' des zweiten Rotors 12 jeweils in Süd- bzw. Nordpole umgekehrt
wird, wie es in der Fig. 13(b) dargestellt ist. Dieser zweite Rotor 12' ist daher
zwischen dem Permanentmagneten 11 und den Polzähnen 12d' oder 12e' einem Rückstoß
ausgesetzt. Zu dieser Zeit fließt jedoch noch ein maximaler Strom durch die erste
Erregerspule 9, und die Polzähne 12d und 12e des ersten Rotors 12 werden auf einer
Nord- und einer Südpolarität gehalten, welche stärker ist als diejenige der zweite
Erregerspule 9. Demgemäß wird die Drehung in der Richtung des Pfeiles B aufgrund
der magnetischen Wechselwirkung zwischen dem ersten Rotor 12 und dem Permanentmagneten
11 fortgesetzt, wie es in der Fig. 13(b) dargestellt ist. Wenn die Polzähne 12d'
des zweiten Rotors 12' durch die Mitte der entsprechenden Pole des Permanentmagneten
11 hindurchgehen, erfahren sie eine Rückstoßkraft, damit die Rotoranordnung im Zusammenwirken
mit der Anziehungskraft auf die Polzähne 12d und 12e ein großes Drehmoment bekommt.
An den Phasenstellen (Im1), (II-1) und (I-2) wird die Rotoranordnung jeweils durch
einen analogen magnetischen Vorgang in die Stellungen nach den Fig. 12(c), (d) und
(e) gebracht. Somit setzt die Rotoranordnung ihre Drehung der Richtung des Pfeiles
B über jede Umkehr in den Polaritäten der Polzähne 12d und 12e des ersten Rotors
12 oder 12d' und 12e' des zweiten Rotors 12' fort,
was von der
Umkehr in den Polaritäten der Ströme abhängt, welche durch die erste Erregerspule
9 und die zweite Erregerspule 9' fließen.
-
Wenn der Schalter SW in die durch eine unterbrochene Linie gekennzeichnete
Stellung gebracht wird, fließt der Strom der Wellenform (III) durch die zweite Erregerspule
9', wie es oben bereits erwähnt wurde. An der Phasenstellung (I-0) der Fig. 10 wird
der durch die erste Erregerspule 9 fließende Strom derart umgekehrt, daß er positiv
wird, und der durch die zweite Erregerspule 9' fließende Strom wird negativ, so
daß Nord- und Südpole jeweils in den Pol zähnen 12d und 12e des ersten Rotors 12
erzeugt werden und weiterhin jeweils Süd-und Nordpole in den Polzähnen 12d' und
12e' des zweiten Rotors 12' erzeugt werden, wie es in der Fig. 15(a) dargestellt
ist.
-
Folglich beginnt der zweite Rotor 12', sich in einer Richtung des
Pfeiles C zu drehen (entgegengesetzt zu der Richtung gemäß Fig. 13), und zwar durch
Anziehung zwischen dem Rotor und dem Permanentmagneten 11. Wenn die Polzähne 12d
und 12e des ersten Rotors 12 dann in Stellungen gebracht sind, in welchen sie gegenüber
den Nordpolen und den Südpolen des Permanentmagnetstators 11 versetzt sind, wird
jeweils ein Rückstoß dazwischen ausgeübt, welcher in der Weise wirkt, daß die Drehung
in der Richtung des Pfeiles C fortgesetzt wird, und zwar im Zusammenwirken mit der
oben erwähnten Anziehung, wodurch den Rotoren 12 und 12' ein Trägheitsmoment erteilt
wird. Weiterhin führen die Rotoren eine weitere Drehung in einer Art aus, welche
analog zu dem Fall der Fig. 13 ist, wie es in den Fig. 14(b) bis (e) dargestellt
ist. Folglich ist der beschriebene reversible Motor dazu in der Lage, seine Drehrichtung
selektiv umzukehren, indem der Schalter SW betätigt wird.
-
Nachfolgend wird ein Impulsmotor bzw. Schrittmotor im einzelnen näher
erläutert: Der erste Rotor 12 und der zweite Rotor 12' sind derart angebracht, daß
ein elektrischer Winkel zwischen entsprechenden Polzähnen 900 betragen kann (bei
der Ausführungsform ein mechanischer Winkel zwischen 150 oder ein ganzes Vielfaches
davon). Zwischenabgriffe 9b und 9b' sind auf der ersten Erregerspule 9 und der zweiten
Erregerspule 9' jeweils vorgesehen, um im wesentlichen vier Erregerspulen zu bilden.
-
Eingangssignale, welche an die Abgriffe der ersten Erregerspule 9
und der zweiten Erregerspule 9' angelegt werden, werden durch eine Treiberschaltung
15 ausgewählt. An die Treiberschaltung 15 werden elektrische Energie und ein Steuersignal
angelegt.
-
Die Treiberschaltung 15 ist derart ausgebildet, daß sie Impulssignale
liefert, welche der ersten Erregerspule 9 und der zweiten Erregerspule 9' gemäß
Fig. 16 in Reaktion auf das angelegte Steuersignal zugeführt werden. In der Fig.
16 ist (I) eine Wellenform einer Impulsspannung, welche an die Abgriffe 9a und 9b
der ersten Erregerspule 9 angelegt wird, (11) ist eine Wellenform einer Impulsspannung,
welche an die Abgriffe 9b und 9c der Spule 9 angelegt wird, (III) ist eine Wellenform
einer Impulsspannung, welche an die Abgriffe 9a' und 9b' der zweiten Erregerspule
9' angelegt wird, und (IV) ist eine Wellenform einer Impulsspannung, welche an die
Abgriffe 9b' und 9c' angelegt wird. Beim Anlegen dieser Impulsspannungen an die
erste Erregerspule 9 und die zweite Erregerspule 9' werden die Polzähne 12d und
12e des ersten Rotors 12 und die Polzähne 12d' und 12e' des zweiten Rotors 12' gemäß
Tabelle II magnetisiert. Die Tabelle I basiert auf dem Fall, daß positive Impulsspannungen
angelegt werden. Wenn dann negative Impulsspannungen angelegt werden, werden die
induzierten Polaritäten umgekehrt.
-
Tabelle I Erregungsbedingungen der In den Pol zähnen induzieite Erregerspulen
f-olaritateIl 12d 12e 12d' 12e' b - 9a + EIN N S -9b - 9c + EIN S N -9b' - 9a' +
EIN - - N S 9b' - 9c' + EIN - - 5 N In der Fig. 16 sind auf der Abszisse Arbeitsbereiche
aufgetragen, und kritische Betriebspunkte sind durch a, b, c, ddargestellt. Diese
kritischen Punkte bilden jeweils Arbeitsbereiche wie den Bereich a - b, den Bereich
b - c, den Bereich c - d, den Bereich d - a usw..
-
Die Arbeitsweise der Erregerspulen und die magnetisierten Zustände
der Polzähne werden nachfolgend anhand der Tabelle I erläutert.
-
Der Bereich - b: Am Punkt a beginnt ein positiver Impuls einer Spannung,
an die Abgriff 9a und 9b der ersten Erregerspule 9 gelegt zu werden, um jeweils
Nord- und Siidpole in den Polzähnen 12d und 12e des ersten Rotors 12 zu induzieren,
während eine positive Impulsspannung an die Abgriffe 9b' und 9c' der zweiten Erregerspule
9' angelegt wird, wodurch die Polzähne 12d' und 12e' jeweils bis zum Punkt b in
Nord- bzw.
-
Südpole magnetisiert werden.
-
Bereich b - c: Die erste Erregerspule 9 wird über die Abgriffe 9b
und 9a erregt gehalten, und zwar bis zum Punkt c, während die zweite Erregerspule
9' erneut an die Abgriffe 9b' und 9a' gelegt wird, wobei eine positive Impulsspannung
Nord- bzw. Südpole in den Polzähnen 12d' bzw. 12e' des zweiten Rotors 12' induziert.
-
Bereich c - d: Es wird erneut eine Impulsspannung an die Abgriffe
9b und 9c der ersten Erregerspule 9 gelegt, um die Polzähne 12d und 12e des ersten
Rotors 12 jeweils in Nord-bzw. Südpole zu magnetisieren, während die zweite Erregerspule
9' über die Abgriffe 9b' und 9a' erregt gehalten wird, und zwar bis zum Punkt d.
-
Bereiche d - a': Die erste Erregerspule 9 wird über die Abgriffe 9b
und 9c erregt gehalten, und zwar bis zum Punkt a', während die zweite Spule 9' erneut
über die Abgriffe 9b1 und 9c' mit einer positiven Impulsspannung erregt wird, um
die Polzähne 12d' und 12e' des zweiten Rotors 12' jeweils in Süd- und Nordpole zu
magnetisieren.
-
Durch die Arbeitsbereiche sind zwei der vier Erregerspulen in einem
erregten Zustand, und durch die Wiederholung des oben beschriebenen Betriebes laufen
der erste und der zweite Rotor 12 und 12' weiter. Diese Vorgänge sind weiterhin
in der Tabelle II zusammengefaßt.
-
Tabelle II Arbeits- Zustände der Erregerspulen In den Polzähnen indubereich
9b- 9b- 9b'- 9b- zierte Polarität 9a 9c 9a' 9c' 12d 12e 12dl 12e' a - b + - - +
N S S b - o F - N S N 5 5 e - d - + + - S N N S d - a' - + - + S N 5 N a'-b' + -
- + N S S N b'-e' + - + - N S N S
Der Drehvorgang der auf diese
Weise magnetisierten Polzahne 12d und 12e des ersten Rotors 12 und der Polzähne
12d' und 12e' des zweiten Rotors 12' wird nachfolgend anhand der Arbeitsdiagramme
der Fig. 17(a) bis (e) erläutert, wobei die Impulsspannung in der Fig. 14 dargestellt
ist und die Magnetisierurgszustände der Polzähne in der Tabelle II angegeben sind.
-
Die Fig. 17(a) zeigt einen Zustand vor dem Punkt a der Fig. 16, wobei
die Polzähne 12d und 12e des ersten Rotors 12 jeweils in Süd- bzw. Nordpole magnetisiert
sind, während die Polzähne 12d' und 12e' des zweiten Rotors 12' jeweils i Süd- bzw.
-
Nordpole magnetisiert sind. In diesem Zustand erfahren die Pol zähne
12d und 12e einen Rückstoß und eine Anziehung nach rechts, und zwar gemäß Fig. 17,
und andererseits erfahren die Polzähne 12d' und 12e' des zweiten Rotors 12' einen
Rückstoß und eine Anziehung nach links. Demgemäß sind der erste Rotor 12 und der
zweite Rotor 12', die an dem Nabenelement 7 befestigt sind, in einer dynamisch ausgeglichenen
Stellung und können sich in keiner Richtung bewegen, so daß die Drehwelle 1 im Stillstand
gehalten ist.
-
Im Bereich a - b wird eine Impulsspannung an die Abgriffe 9b und 9a
und zwar an dem Punkt a, und es ist noch eine Impulsspannung an die Abgriffe 9b'
und 9c' der zweiten Erregerspule 9' gelegt. Die Polzähne 12d und 12e des ersten
Rotors 12 ändern dann ihre Polaritäten auf die in Klammern in der Fig. 17(a) angegebenen
Polaritäten. Dies führt zu dem Ergebnis, daß der erste Rotor 12 nach links weiter
gedreht wird, und zwar durch die Anziehung durch den Permanentmagneten 11, und daß
der zweite Rotor 12' durch die Abstoßung durch den Permanentmagneten 11 in derselben
Richtung gedreht wird, und zwar um eine halbe Polteilung des Permanentmagneten 11.
Die Rotoren 12 und 12' erreichen dann dynamisch ausgeglichene Stellungen und
die
in der Fit. 17(b) dargestellte Stellung.
-
rm 3ereich b-c wird die zweite Erregerspule 9' zwischen den Abgriffen
9b' und 9c' abgeschaltet, jedoch durch eine Impulsspannung an den Abgriffen 9b'
und 9a' erneut erregt, während die erste Spule 9 noch über die Abgriffe 9b und 9a
am Punkt b erregt ist. Die Polaritäten der Polzähne 12d' und 12e' des zweiten Rotors
12' werden dann in die in Klammern in der Fig. 17(b) angegebenen Polaritäten geändert.
Folglich läuft der erste Rotor 12 nach links, und zwar aufgrund der Anziehung durch
den Permanentmagneten 11, und der zweite Rotor 12' dreht sich in derselben Richtung,
und zwar aufgrund der Abstoßung durch den Permanentmagneten 11, und zwar um eine
weitere halbe Polteilung des Permanentmagneten 11, um dynamisch stabile Stellungen
zu erreichen, in welchen die Rotoren 12 und 12' gemäß Fig. 17(c) dann stehen.
-
Im Bereich c-d wird die erste Erregerspule 9 zwischen den Abgriffen
9b und 9a abgeschaltet, Jedoch durch eine erneut an die Abgriffe 9b und 9c im Punkt
c angelegte Impulsspannung wieder erregt, während die zweite Erregerspule 9' noch
über die Abgriffe 9b' und 9a' im Punkt c erregt ist, so daß die Polzähne 12d und
12e des ersten Rotors 12 ihre Polaritäten auf die in der Fig. 17(c) in Klammern
angegebenen Polaritäten ändern. Folglich dreht sich der erste Rotor 12 aufgrund
der Abstoßung durch den Permanentmagneten 11 nach links, und der zweite Rotor-12'
dreht sich durch die Anziehung des Permanentmagneten 11 in derselben Richtung, und
zwar um eine weitere halbe Polteilung des Permanentmagneten 11. An den entsprechenden
Stellen stehen die Rotoren 12 und 12' unter dynamisch stabilen Bedingungen, wie
es in der Fig. 17(d) dargestellt ist.
-
Im Bereich d-al werden die Polaritäten des zweiten Rotors 12' durch
einen ähnlichen Vorgang auf die in der Fig. 17(d) in Klammern angegebenen Polaritäten
geändert, und die Rotoren 12 und 12' laufen weiter um eine halbe Polteilung des
Permanentmagneten 11, um in dynamisch ausgeglichenen, stabilen Positionen zu stehen,
wie es in der Fig. 17(e) dargestellt ist In gleicher Weise laufen die Rotoren 12
und 12' Schritt für Schritt um eine halbe Polteilung des Permanentmagneten 11 nach
links.
-
Um die Rotoren 12 und 12' in der entgegengesetzten Richtung zu drehen,
d. h. nach rechts, wird die Impulsspannung (III) der Fig. 16 an die Abgriffe 9b
und 9a der ersten Erregerspule 9 und die Impulsspannung (IV) an die Abgriffe 9b
und 9c geführt, während die Impulsspannung (I) und die Impulsspannung (II) an die
Abgriffe 9b' und 9a' bzw. an die Abgriffe 9b' und 9c' geführt werden. Der Erregungsvorgang
und der Magnetisierungsvorgang, wie sie unter diesen Bedingungen auftreten, sind
in der Tabelle III zusammengefaßt, und der sich daraus ergebende Betrieb der Rotoren
12 und 12' ist in den Fig. 18(a) bis (e) veranschaulicht.
-
Tabelle III Arbeits- Zustände der Erregerspulen In den Pol zähnen
indubereich 9b- 9b- 9b'- 9b'-- zierte Polaritäten 9a 9c 9a' 9c' 12d 12e 12d' 12e'
a-b - + + - 5 N N S b-c + - + - N S N S c-d + - - + N S S N d-a' - + - + S N S N
a'-b' - + + - 5 N N S + + - + - N S N 5
Im Bereich a-b der Fig.
16 wird die zweite Erregerspule 9' zwischen den Abgriffen 9b' und 9c' abgeschaltet,
jedoch durch eine an die Abgriffe 9b' und 9a' angelegte Impulsspannung erregt, während
die erste Erregerspule 9 durch eine Impulsspannung erregt wird, welche am Punkt
a an die Abgriffe 9b und 9c angelegt wird. Die Polaritäten der Polzähne 12d' und
12e' des zweiten Rotors 12' werden dann auf die in der Fig. 18(a) angegebenen Polaritäten
geändert. Folglich drehen sich der erste Rotor 12 und der zweite Rotor 12' gemäß
Fig. 18 um eine halbe Polteilung des Permanentmagneten 11 nach rechts. Dann erreichen
die Rotoren 12 und 12' dynamisch ausgeglichene stabile Stellungen, wo sie'gemäß
Fig. 18(b)- stehen.
-
Im Bereich b-c wird die erste Erregerspule 9 durch eine Impulsspannung
erregt, welche an die Abgriffe 9b und 9a angelegt wird, während die zweite Erregerspule
9' durch eine Impulsspannung erregt wird, welche an die Abgriffe 9b' und 9a' angelegt
wird, und zwar am Punkt b. Die Polaritäten der Polzähne 12d und 12e des ersten Rotors
12 werden dann auf die in der Fig. 18(b) in Klammern angegebenen Polaritäten geändern.
-
Folglich schreiten der erste Rotor 12 und der zweite Rotor 12' weiter
fort und stehen dann in den Stellungen gemäß Fig.18(c).
-
Im Bereich c-d wird die zweite Erregerspule 9' durch eine Impulsspannung
erregt, welche an die Abgriffe 9b' und 9c' angelegt wird, während die erste Erregerspule
9 durch eine Impulsspannung erregt wird, welche an die Abgriffe 9b und 9a angelegt
wird, und zwar am Punkt c, so daß die Polaritäten der Polzähne 12d' und 12e' der
zweiten Erregerspule 12' auf die in der.
-
Fig. 18(c) angegebenen Polaritäten geändert werden. Folglich drehen
sich der erste Rotor 12 und der zweite Rotor 12' nach rechts und stehen dann in
Stellungen gemäß Fig. 18(d).
-
Im Bereich d-a' wird die erste Erregerspule 9 durch eine Impulsspannung
erregt, welche an die Abgriffe 9b und 9c angelegt ist, während die zweite Erregerspule
9' durch eine Impulsspannung erregt wird, welche an die Abgriffe 9b' und 9c' angelegt
ist, und zwar am Punkt d. Die Polaritäten der Polzähne 12d und 12e des ersten Rotors
12 werden dann auf die in der Fig. 18(d) in Klammern angegebenen Polaritäten geändert.
-
Dann werden der erste Rotor 12 und der zweite Rotor 12' dazu gebracht,
daß sie sich nach rechts in die in der Fig. 18(e) dargestellte Stellungen drehen.
Somit drehen sich die Rotoren 12 und 12t schrittweise nach rechts weiter, indem
sich ähnliche Vorgänge wiederholen.
-
Im Lichte der obigen Beschreibung wird jedes Weiterschreiten des zweiphasigen
Impulsmotors oder Schrittmotors dadurch bewirkt, daß eine Impulsspannung auf vier
Erregerspulen gemäß den Erfordernissen durch die Treiberschaltung 15 in Reaktion
auf jedes Anlegen eines Eingangs- oder eines Steuersignals 17 verteilt wird. In
diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß das Eingangssignal 17 nicht notwendigerweise
ein regelmäßiges Signal sein muß wie ein sinusförmiger Wechselstrom oder ein konstantes
und regelmäßiges Impulssignal. Selbst dann , wenn das angelegte Signal gelegentlich
konstant oder schnell verläuft oder gelegentlich intermittierend oder langsam verläuft,
können die Rotoren des beschriebenen Motors um einen vorgegebenen Drehwinkel betriebssicher
voranschreiten, was von der Anzahl der Eingangssignale abhängt, und sie erreichen
eine bestimmte Stellung für eine vorgegebene Periode.
-
Es sei darauf hingewiesen, daß, obwohl ein zweiphasiger Synchronmotor,
ein umkehrbarer oder reversibler Motor und ein Impulsmotor bzw. Schrittmotor zur
Veranschaulichung beschrieben wurden,
der Motor gemäß der Erfindung
natürlich auch auf mehrphasige Motoren verschiedener Arten anwendbar ist. Die Unterschiede
in den elektrischen Winkeln zwischen einzelnen Motorelementen, welche in den obigen
Ausführungsbeispielen durch Winkel zwischen benachbarten Rotoren gebildet sind,
kann abwechselnd ausgebildet sein, indem die Pole der magnetisierten Flächen des
Permanentmagneten gestaffelt angeordnet werden. Weiterhin können auch zwei Permanentmagneten
verwendet werden, von denen jeder nur auf einer Seite magnetisiert ist, wobei diese
Permanentmagneten als Stator dienen, anstatt einen Permanentmagneten zu verwenden,
der auf seinen gegenüberliegenden Seiten magnetisiert ist.
-
Eine weitere Ausführungsform eines 2-Phasen-Elektromotors, welcher
die Erfindung verkörpert, ist in den Fig. 19 bis 25 veranschaulicht, wobei nur ein
Rotor verwendet wird, um einen 2-Phasen-Elektromotor zu bilden. Ein Rotor 12, welcher
aus einem weichen magnetischen Material hergestellt ist und an einer drehbaren Welle
oder Drehwelle 1 konzentrisch dazu befestigt ist, und zwar ähnlich wie bei den Rotoren
der vorangegangenen Ausführungsformen, hat einen kreisförmigen Abschnitt, welcher
in einer radialen Ebene durch die Welle 1 liegt, und hat einen Ansatz, welcher sich
in einer Richtung parallel zu der Drehwelle vom Umfang des kreisförmigen Abschnittes
aus erstreckt, wie es in der Fig. 19 dargestellt ist. Der kreisförmige Abschnitt
ist in Umfangsrichtung in eine Vielzahl von Polzähnen 12d und 12e unterteilt, welche
gleiche Winkelabstände voneinander haben, und zwar durch eine Einrichtung mit einer
hohen magnetischen Reluktanz, beispielsweise durch Schlitze oder Nuten 12a, wie
es bei den Rotoren der oben beschriebenen. Ausführungsbeispiele der Fall war, und
der Ansatz ist auch in Umfangsrichtung in eine Mehrzahl von Polzähnen 12d' und 12e'
unterteilt, und zwar auf gleichen Winkelabständen, durch
ähnliche
Schlitze oder Nuten 12a', wie es in den Fig. 20 und 21 veranschaulicht ist. Die
auf diese Weise auf dem Ansatz des Rotors 12 gebildeten Polzähne 12d' und 12e' haben
dieselbe elektrische'Phasenbeziehung oder sind um einen elektrischen Winkel von
900 in bezug auf die entsprechenden Polzähne 12d und 12e auf dem kreisförmigen Abschnitt
des Rotors 12 versetzt. Die Anzahl der Polzähne 12d' und 12e' ist dieselbe wie diejenige
der Polzähne 12d und 12e. Obwohl die Polzähne 12d, 12e, 12d' und 12e' gemäß Fig.
20 und 21 auf gleichen Winkelabständen angeordnet sind, können einige davon entfallen.
Wenn es erforderlich ist, kann entweder der Satz von Polzähnen 12d und 12e oder
der Satz von Polzähnen 12d' und 12e' gewöhnliche Polzähne aufweisen, welche nicht
gleichzeitig in entgegengesetzten Polaritäten magnetisiert sind.
-
Ein Permanentmagnetstator 11, welcher aus Bariumferrit usw.
-
hergestellt ist, hat Flächen 11a und 11b, die jeweils so magnetisiert
sind, daß abwechselnd Nord- und Südpole auf gleichen Winkelabständen in Stellungen
gebildet werden, welche den Polzähnen 12d und 12e bzw. den Polzähnen 12d' und 12e'
gegenüberstehen. Jeder Pol auf der magnetisierten Fläche 11a ist mit einem entsprechenden
Pol auf der magnetisierten Fläche 11b in der radialen Richtung fluchtend angeordnet
und ist in entweder derselben oder der entgegengesetzten Polarität zu dem fluchtenden
Pol auf der Fläche 11b magnetisiert. Ringförmige Erregerspulen 9 und 9', welche
den Erregerspulen der obigen Ausführungsform ähnlich sind, sind konzentrisch zu
der Drehwelle 1 angeordnet, und zwar an Stellten, wo sie den Polzähnen 12d und 12e
auf dem kreisförmigen Abschnitt und den Polzähnen 12d' und 12e' auf dem Ansatz jeweils
gegenüberstehen. Diese Erregerspulen 9 und 9' sind gemäß Fig. 23 bis 25 in Abhängigkeit
vonden Fällen geschaltet, in welchen der Motor als Synchronmotor, als reversibler
Motor bzw. als Impulsmotor oder Schrittmotor arbeitet. Veranderbare Widerstände
können vorzugsweise
mit den jeweiligen Erregerspulen 9 und 9' verbunden
sein, um das Magnetfeld zu steuern, welches durch die Erregerspulen 9 und 9' erzeugt
wird, so daß dadurch die Wechselwirkungen zwischen den Polzähnen 12d, 12e und der
Nagnesierungsfläche lIa und zwischen den Polzähnen 12d', 12e' und der Magnetisierungsfläche
11b aufeinander abgestimmt werden. Eine Jocheinrichtung 4', welche aus einem weichen
magnetischen Material besteht, ist zwischen den zwei Erregerspulen 9 und 9' angeordnet,
um getrennte abwechselnde Magnetkreise zu bilden, welche durch die Erregung der
Erregerspulen 9 und 9' hervorgerufen werden. Die Jocheinrichtung 4' dient auch als
magnetische Abschirmung zwischen den Magnetfeldern, welche durch die jeweiligen
Erregerspulen 9 und 9' hervorgerufen werden. Andere Abschnitte dieses Motors sind
in ähnlicher Weise wie bei den Motoren der obigen Ausführungsbeispiele aufgebaut.
-
In dem auf diese Weise aufgebauten Motor werden zwei abwechselnde
Magnetkreise gebildet, nämlich ein Kreis, welcher durch das Gehäuse 8, das Zwischenjoch
4, das Nabenelement 7, den Mittelabschnitt des Rotors 12, das Joch 4' und das Gehäuse
8 gebildet wird, und ein weiterer Kreis, welcher durch das Gehäuse 10 das Gehäuse
8, das Joch 4', den Ansatz des Rotors 12 und das Gehäuse 8 gebildet wird. Die Arbeitsweise
dieses Motors in Verbindung mit der Erregung der Erregerspulen 9 und 9', die Magnetisierung
der Polzähne 12d, 12e, 12d' und 12e' und die magnetische Wechselwirkung zwischen
den Polzähnen 12d, 12e, 12d' und 12e' des Rotors 12 sowie die magnetisierten Flächen
11a und 11b des Stators 11 sind jeweils ähnlich wie bei dem in der Fig. 8 dargestellten
Motor.
-
Der Ansatz des Rotors 12 und demgemäß die Polzähne 12d' und 12e' können
in derselben Ebene wie der kreisförmige Abschnitt des Rotors 12 liegen. In diesem
Falle wird der Permanentstator 11 an Stellen magnetisiert, welche jeweils den Polzähnen
12d und 12e
bzw. den Polzähnen 12d' und 12e' gegenüberstehen, und
die ringförmigen Erregerspulen 9 und 9' sind konzentrisch zu der Drehwelle 1 an
solchen Stellen angeordnet, welche jeweils den Polzähnen 12d und 12e sowie den Polzähnen
12d' und 12e' gegenüberstehen, und zwar gegenüber von den magnetisierten Flächen
11a und 11b des Stators in bezug auf den Rotor 12.
-
Die Jocheinrichtung 4' ist zwischen den Erregerspulen 9 und 9' angeordnet,
um durch die Erregerspulen 9 und 9' zwei getrennte alternierende magnetische Kreise
zu bilden.
-
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung kann der Motor
dünner ausgebildet sein als derjenige 2-Phasen-Motor, der zwei Rotoren hat, und
er kann leichter hergestellt werden als der Motor, der zwei Rotoren hat, weil es
bei diesem letztgenannten Motor erforderlich ist, daß die Winkel zwischen den Polzähnen
der jeweiligen Rotoren in der Motoranordnung entsprechend eingestellt werden, während
die Pol zähne durch Spritzen oder Pressen bei der erstgenannten Ausführung leicht
und genau hergestellt werden können, wobei eine solche Notwendigkeit der Einstellung
entfällt.
-
Gemäß den obigen Ausführungen werden gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die Polzähne des Rotors gleichzeitig in entgegengesetzten Polaritäten
magnetisiert, und zwar im wesentlichen über die gesamte Oberfläche, was von dem
magnetischen Fluß abhängt, der durch die ringförmige Erregerspule erzeugt wird,
und die Anordnung wird einer magnetischen Wechselwirkung über die gesamte gegenüberliegende
Oberfläche des Permanentmagneten ausgesetzt, wodurch der magnetische Wirkungsgrad
wesentlich vergrößert wird, so daß dadurch die abstoßende ebenso wie die anziehende
Kraft vergrößert wird.
-
Aufgrund dieser Verbesserung wird ein Rotor mit einem großen Trägheitsmoment
verwendbar, um einen Ausgangswirkungsgrad zu verbessern. Mit anderen Worten, der
Motor gemäß der Erfindung
kann im Vergleich zu einem herkömmlichen
Motor mit geringerer Energie betrieben werden, wenn ein Motor mit demselben Trägheitsmoment
verwendet wird.
-
Weiterhin werden gemäß der Erfindung der magnetische Wirkungsgrad,
die Abstoßungs- und Anziehungskräfte in der Weise erhöht, daß der Rotor gemäß der
Erfindung auf eine viel höhere Frequenz ansprechen kann als ein herkömmlicher Rotor
mit demselben Trägheitsmoment, so daß auf diese Weise der Frequenzgang bzw.
-
das Frequenzverhalten stark verbessert werden kann.
-
- Patentansprüche -