DE2706691B2 - Motor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Motor mit einem Stator, dessen permanentmagnetische, längs de? Umfangs gleiche Polarität aufv/eisende Pole eine in Drehrichtung zunehmende Induktion hervorrufen, mit einem Rotorpole aufweisenden Rotor und mit einer mechanisch oder elektrisch wirkenden Einrichtung zur Überwindung der Stufe von der höchsten zur niedrigsten Induktion des Stators (DE-OS 25 19 811).

Bekannte Motoren, auch solche, bei denen der Stator oder der Rotor als Permanentmagnet ausgebildet ist, benötigen zur Erzeugung des das Drehmoment bewirkenden Drehfeldes elektromagnetische Wicklungen. Sie sind somit von dem Vorhandensein einer Stromquelle abhängig. Es gibt eine Reihe von einen Antrieb benötigenden Geräten, wie beispielsweise Fahrscheindrucker od. dgl., bei denen einerseits für die Durchführung einer Maschinenoperation nur eine einzige oder wenige Drehungen der Hauptantriebswelle um den von zwei Rotorpolteilungen und der Achse der Welle eingeschlossenen Winkel erforderlich sind und bei denen andererseits ein zuverlässiger Betrieb unabhängig von einer Stromquelle gewährleistet sein soll. Bei solchen Geräten war es bisher erforderlich, daß die gewünschte Drehbewegung von Hand, d. h. mittels einer Handkurbel, durchgeführt werden mußte.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Motor zu schaffen, der unabhängig von einer Stromquelle eine Rotordrehung um eine Rotorpolteilung durchzuführen vermag.

Erfindungsgemäß wird dies bei dem eingangs definierten Motor dadurch erreicht, daß die Rotorpole ebenfalls permanentmagnetisch sind und untereinander gleiche, jedoch zu der Polarität der mit ihnen

■ zusammenwirkenden Statorpole entgegengesetzte Polarität haben und daß die Statorpole gleichmäßig über den Umfang verteilt sind.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

ι Durch diese Anordnung wird erreicht, daß der Rotor jeweils dann, wenn er die genannte Stufe oder Schwelle überwunden hat, d. h. wenn er aus dem Fangbereich der höchsten Induktion in den Bereich niedrigster Induktion bewegt wurde, selbsttätig eine vollständige Umdrehung durchführt, um wieder in den Bereich höchster Induktion zu gelangen. Eine solche vollständige Rotorumdrehung wird allerdings nur dann erreicht, wenn der Rotor nur einen einzigen Permanentmagneten bzw. ein einziges Polpaar enthält. Enthält der Rotor mehrere Elektromagnete bzw. mehrere Polpaare, dann legt dieser jeweils nur einen entsprechenden Bruchteil einer Umdrehung zurück. Die gewünschte Umdrehungszahl in dem anzutreibenden Gerät für eine Maschinenoperation kann dann durch ein entsprechendes Übersetzunggetriebe erreicht werden.

Aus der DE-OS 25 19 811 ist bereits ein Motor mit veränderbarer Induktion bekannt. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, daß ein magnetischer Nebenschlußkreis innerhalb des Stators gesteuert wird. Hieraus folgt zwingend, daß die Rotormagnete keine Permanentmagnete sein können, denn dann wäre eine solche Steuerung mit einem magnetischen Nebenschlußkreis unmöglich. Außerdem benötigt der bekannte Motor ein sog. Freifeld. Dieser feldfreie Raum beeinträchtigt den Wirkungsgrad und das Leistungsvermögen.

Die Erfindung bringt demgegenüber den überraschenden Vorteil, daß durch permanentmagnetische Ausbildung der Rotormagnete eine wesentliche Erhöhung der magnetischen Kräfte möglich ist, so daß der Motor eine höhere spezifische Leistung abgeben kann. Ein Freifeld ist nicht erforderlich, vielmehr können die Statorpole über den gesamten Rotorumfang nebeneinander angeordnet sein. Die Schalteinrichtung, die nach den Unteransprüchen der Erfindung ausgebildet ist, ermöglicht eine einwandfreie Schaltung des Magnetmotors jeweils für eine Umdrehung bzw. Teilumdrehung.

Ferner ist in der DE-PS 11 35 083 ein Magnetmotor beschrieben, dessen Ständer und Rotor abwechselnd Pole entgegengesetzter Polarität aufweisen. Es ist in diesem Fall erforderlich, durch Zusatzspulen das Statorfeld umzupolen und entsprechend das permanentmagnetische Statorfeld durch ein elektromagnetisches Feld zu überkompensieren. Diese Feldumkehr ist in dem Beispiel der Fig. 1 auf einem Rotordrehwinkelbereich 180° erforderlich. Bei einer anderen Polzahl richtet sich der Winkelbereich nach der Anzahl der Polpaare.

Um bei Vorhandensein einer Stromquelle den Motor ohne manuellen Kraftaufwand zum Laufen bringen zu können, kann beispielsweise ein Elektromagnet vorgesehen sein, dessen Anker bei Erregung des Magneten auf den genannten, drehfest mit der Motorwelle verbundenen Schalthebel einwirkt, um den Rotormagneten in den Bereich niedrigster Induktion zu bringen. Die Erregung des Elektromagneten und das damit verbundene Ingangsetzen des Motors kann in diesem Falle durch kurzzeitiges Schließen eines elektrischen Schalters erfolgen.

Um bei Vorhandensein einer Stromquelle den Motor

ohne manuellen Kraftaufwand in Gang setzen zu können, ist es jedoch zweckmäßiger, innerhalb des Stators unmittelbar an der mehrfach genannten Schwelle oder Stufe vom Bereich höchster Magnetflußdichte zum Bereich niedrigster Induktion eine elektromagnetische Wicklung vorzusehen, die zur Überwindung der genannten Schwelle im gleichen Sinne wie der gerade in diesem Bereich befindliche Rotormagnei erregt werden kann, so daß der letztere in Richtung des Bereichs niedrigster Induktion abgestoßen vvird. Auf der Rotorwelle kann außer bzw. neben dem genannten Schalthebel bzw. dem Griffrad eine Schleifring-Kontaktscheibe angeordnet sein, welche so ausgebildet ist und mit zwei Schleifkontakten in der Weise zusammenwirkt, daß immer dann, wenn der oder einer der Rotormagnete in den Bereich höchster Induktion gelangt, die genannte elektromagnetische Wicklung zu dem obengenannten Zweck erregt wird, so daß mittels des erfindungsgemäßen Motors auch ein kontinuierlicher Betrieb wie mit herkömmlichen Elektromotoren möglich ist. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung kann im Bereich der genannten elektromagnetischen Wicklung ein Dauermagnet angeordnet sein, welcher im nicht erregten Zustand entgegengesetzte Polung wie der bzw. die Rotormagnete aufweist, so daß er unterstützend auf die Anziehungskraft des bzw. der Rotormagnete einwirkt, und zwar so lange, bis der bzw. einer der Rotormagnete in seinen Fangbereich gelangt. In diesem Augenblick wird — wie bereits ermahnt — über die Schleifringkontakte der Stromkreis für die elektromagnetische Wicklung geschlossen, und durch das entstehende entgegengesetzt gerichtete elektromagnetische Feld wird die Wirkung des Permanentmagneten überkompensiert.

Um möglichst starke elektromagnetische Felder zu erhalten, d.h. um ein möglichst hohes Motordrehmoment zu erzielen, ist es erforderlich, sowohl im Rotor als auch im Stator Permanentmagnete vorzusehen. Die Statormagnete sind dann vorzugsweise nach Art einer Spirale um den Rotor angeordnet, d. h. zur Erzielung des Bereichs niedrigster Induktion ist ein Permanentmagnet relativ weit vom Rotor entfernt und ausgehend von diesem Permanentmagneten nähern sich die weiteren Magnete kontinuierlich dem Rotor, um eine zunehmende Induktion zu erreichen. Der Bereich höchster Induktion wird durch einen minimalen Abstand des betreffenden Statormagnelen zum Rotor erreicht. Dieser Permanentmagnet kann — wie bereits oben beschrieben — durch die elektromagnetische Wicklung ersetzt bzw. durch diese ergänzt werden. Die Stator- und Rotormagnete sind mit ihren Polen jeweils paiaiici zur Rotorachse ausgerichtet. Insbesondere dann, wenn der Rotor nur einen einzigen Permanentmagneten enthält (um durch bloße Einwirkung der Permanentmagnete eine vollständige Rotorumdrehung erzielen zu können), sollen die Statormagnete möglichst dicht beieinander liegen. Enthält der Rotor mehrere Permanentmagnete, dann ist es zweckmäßig, das Verhältnis der Anzahl von Statormagneten zu der Anzahl von Rotormagneten so zu wählen, daß sich ein noniusartiges Zusammenarbeiten zwischen Rotor- und Statormagneten ergibt, d. h., daß gleichzeitig immer nur ein Magnetpaar miteinander ausgerichtet ist.

Es ist auch möglich, das in Umlaufrichtung des Rotors zunehmende magnetische Feld durch in dieser Richtung zunehmend stärker werdende Magnete /u bilden. In diesem Falle brauchen die Permanentmagnete nicht nach Art einer Spirale um der Rotor angeordnet zu sein.

sondern sie können den Rotor konzentrisch umgeben.

Ebenso ist es möglich, die Statormagnete durch einen spiralenförmig ausgebildeten Mantel aus weichmagnetischem Material zu ersetzen. Die magnetischen Kraftlinien der Rotor-Permanentmagnete sind auch in diesem Falle bestrebt, den Luftspalt zu verkleinern, wodurch sich die gewünschte Drehung in Richtung des kleiner werdenden Krümmungsradius des Statormantels ergibt.

Die Permanentmagnete sind vorzugsweise nach Art von Hufeisenmagneten ausgebildet, sie können jedoch auch eine beliebige andere Ausgestaltung besitzen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben. In diesen zeigt

F i g. 1 eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Motors, wobei die vordere Halteplatte zum Sichtbarmachen der Stator- und Rotormagnete weggebrochen dargestellt ist; und

F i g. 2 eine Seitenansicht des in F i g. 1 dargestellten Motcrs, teilweise als Schnitt längs der Symmetrieachse.

in Bohrungen einer vorderen Halteplatte I (welche in F i g. 1 teilweise weggebrochen dargestellt ist) und einer hinteren Halteplätze 2 ist eine Motorwelle 3 drehbar gelagert. Auf dem sich zwischen diesen beiden Platten I und 2 erstreckenden Teil der Motorwelle 3 sitzt drehfest ein Rotor 6, welcher in dem dargestellten Ausführung; beispiel aus drei urr 120° gegeneinander versetzt angeordneien Permanentmagneten 5 besteht, welche in eine Kunststoffmasse 4 eingegossen sind. Die Permanentmagnete 5 sind beispielsweise U-förmig ausgebildet und sind in der Weise parallel zur Motorwelle 3 angeordnet, daß die gleichnamigen Magnetpole auf der gleichen Seite des Roiors 6 liegen. Gemäß F i g. 1 liegen beispielsweise die magnetischen Südpole auf der hinteren Rotorseite (in F i g. 2 auf der linken Seite) liegen

Der Stator 9 besteht aus fünfzehn nach Art einer Spirale um den Rotor angeordneten Permanentmagneten 7 und aus einem in diese Spirale einbezogenen Elektromagneten 8. Die Permanentmagnete 7 und der Elektromagnet 8 können beispielsweise mit den 1 lalteplalten 1 und 2 verschraubt oder auf andere Weise an diesen befestigt sein. Die Stator-Permanentmagnete 7 können ebenfalls U-förmig ausgebildet sein und verlaufen ebenfalls parallel zur Motorwelle 3, und zwar in der Weise, daß die magnetischen Südpole vorn und die magnetischen Nordpole hinten (in Fig. 2 links) angeordnet sind. Die Permanentmagnete 5 des Rotors und die Permanentmagnete 7 des Stators stehen sich somit mit ihren ungleichnamigen Polen gegenüber. Die Pole des Elektromagneten 8 sind ähnlich ausgebildet und angeordnet wie die der Permanentmagnete 7. In den Eisenkern des Elektromagneten 8 kann ebenfalls ein Permanentmagnet in der Weise einbezogen sein, daß sich im nichterregten Zustand desselben auf der vorderen Statorseite ein magnetischer Südpol und auf der hinteren Statorseite ein magnetischer Nordpol ergibt.

Neben der hinteren Halteplatte 2 sitzt drehfest auf der Motorwelle 3 eine Schleifringscheibe 10, welche auf ihrer Mantelfläche einen Schleifring 11 aus elektrisch leitendem Material aufweist. Mit diesem Schleifring 11 arbeiten f.wei Schleifkontakte 12 und 13 zusammen. Der Schleifkontakt 13 liegt beispielsweise an einem kreisrin_b"^rörmigen Teil des Schleifringes 11, während der Schleifkontakt 12 mit drei zahnartigen Verbreiterungen desselben zusammenarbeitet, von denen allerdings in F i g. 2 nur zwei ersichtlich sind.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Rotor- bzw. Schleifringstellung wird beim Anlegen einer Gleichspannung an die mit einem Plus- h/w. Minuszeichen versehenen Anschlußklemmen ein Stromkreis für den Klektromagneten 8 geschlossen. Die Erregung desselben erfolgt in der Weise, daß der in dem Indiiktionspfad desselben vorhandene Permanentmagnet überkompensiert wird und sich ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld ausbildet, wodurch der bisher in seiner oberen Stellung befindliche Rotor-Permanentmagnet 5 von dem Elektromagneten 8 abgestoßen und — gegebenenfalls durch entsprechende Polausgestaltung bzw. durch die jeweilige Stellung der beiden anderen Rotor-Permanentmagnete unterstützt — im Uhrzeigersinn, verdreht wird. Dadurch gelangt dieser obere Rotor-Permanentmagnet 5 in den Einwirkungsbereich der weiter außen liegenden Stator-Permanentmagnete 7 und der Rotor dreht sich nun selbsttätig weiter in Richtung der zunehmenden Induktion, d. h. in Richtung der näher herantretenden Stator-Permancntmagnetc 7. Der Elektromagnet wurde inzwischen entregt, da die Kontaktgabe über den Schleifring durch das Weiterdrehen des Rotors inzwischen unterbrochen wurde. Nähert sich der nächste Rotor-Permanentmagnet 5 dem Elektromagneten 8, dann wirkt dieser zunächst noch im anziehenden Sinne, und zwar so lange, bis der erstere mit dem Elektromagneten 8 fluchtet. Zu diesem Zeitpunkt wird — vorausgesetzt allerdings, daß an den genannten Klemmen die Gleichspannung noch anliegt — über die nächste Verbreiterung des Schleifringes 11 und über die Schleifkontakte 12 und 13 der Stromkreis für den Elektromagneten wieder geschlossen, so daß er im abstoßenden Sinn erregt wird und dadurch die Schwelle von der höchsten Induktion zur niedrigsten erneut überwunden wird und der Motor kontinuierlich weiter dreht. Wäre dagegen an den genannten Klemmen keine Gleichspannung mehr vorhanden, würde der Motor in dieser Stellung zum Stillstand kommen, da er ohne äußeren Eingriff diese Schwelle nicht zu überwinden vermag.

Steht keine Spannungsqueüe zur Verfügung, dann kann — wie bereits eingangs erwähnt — der Motor auch dadurch in Gang gesetzt werden, daß der Rotor ein kurzes Stück von Hand bewegt wird. Dies kann bei dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise dadurch geschehen, daß die Schleifringscheibe 10 von Hand ein kurzes Stück bewegt wird. Selbstverständlich können hierzu auch eine gesonderte mit einer Rändelung versehene Scheibe oder ähnliche von Hand betätigbare Mittel vorhanden sein, welche ebenfalls drehfest mit der Motorwelle verbunden sind.

Bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel mit drei Rotor-Permanentmagneten wird bei einer einzigen Betätigung von außen jeweils nur ein Drittel einer Rotorumdrehung durchgeführt. Ist eine vollständige Rotorumdrehung erwünscht, dann wird der Rotor nur mit einem einzigen Permanentmagnet versehen.

Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel kann auch so abgewandelt werden, daß statt der Stator-Permanentmagnete 7 ein entsprechend der inneren Hüllkurve dieser Magnete gekrümmter Mantel aus weichmagnetischem Material vorgesehen ist. Dieser spiralförmig gekrümmte Mantel aus weichmagnetischem Material ist ausreichend, um den Induktionspfad des h/w. der Rotor-Permanentmagnete zu schließen. Der Rotor dreht sich ebenfalls jeweils bis zum Erreichen des kleinsten Abstandes zwischen einem der Rotor-Pcrmancntmagnclc und diesem Stator-Mantel. An der Stelle dieses kleinsten Abstandes kann auch bei diesem abgewandelten Ausführungsbeispiel ein Elektromagnet vorgesehen sein, welcher zur Überwindung der !nduktionsschweüe von. Hand oder zur Erzielung eines kontinuierlichen Motorlaufs in der bereits beschriebenen Weise über eine Schleifringanordnung erregt werden kann.

Falls im Induktionspfad des Elektromagneten 8 kein Permanentmagnet vorgesehen ist, kann der Schleifring auch in der Weise ausgestaltet sein, daß zunächst eine Erregung des Elektromagneten im anziehenden Sinne und nachdem einer der Rotormagnete den Todpunkt erreicht hat, im abstoßenden Sinne erregt wird.

Statt einer Griffscheibe kann auf der Motorwelle zum Ingangsetzen des Rotors auch ein Hebel bzw. eine der Anzahl der Rotormagnete entsprechende Anzahl von Hebeln drehfest angeordnet sein. Diese Hebel können dann gegebenenfalls von Hand oder bei Vorhandensein einer Stromquelle auch durch den Anker eines über einen Schalter erregten Elektromagneten betätigt werden.

Eine weitere Möglichkeit, die Stufe von der höchsten /ur niedrigsten Induktion mittels eines im Stator angeordneten Elektromagneten zu überwinden, besteht darin, diesen Elektromagneten so anzuordnen, daß er in bezug auf die Statorpermanentmagnete im Bereich der niedrigsten Induktion liegt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird der Elektromagnet jeweils dann, wenn einer der Rotormagnete in die Nähe der zu überwindenden Induktion gelangt, in einem solchen Sinne und mit einer so hohen Feldstärke erregt, daß der ankommende Rotormagnet angezogen wird und die genannte Stufe überwindet. Sobald der Rotormagnet im stärksten Anziehungsbereich des in dieser Weise erregten Elektromagneten ist, wird dieser entregt oder zweckmäßigerweise im entgegengesetzten Sinne erregt um zu verhindern, daß der Rotor an dieser Stelle zum Stillstand kommt. Neben der Wirkung dieses Elektromagneten wird der kontinuierliche Weiterlauf des Rotors auch unterstützt durch das Schwungmoment des Rotors, durch die Wirkung der weiteren Rotormagnete, welche sich gerade in der Nähe der Induktionsstufe befinden, und durch die Anziehungskraft zwischen dem die Stufe gerade überwindenden Rotormagnet und dem im Bereich niedrigster Feldstärke liegenden Statormagnet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Motor mit einem Stator, dessen permanentmagnetische, längs des Umfangs gleiche Polarität aufweisende Pole eine in Drehrichtung zunehmende induktion hervorrufen, mit einem Rotorpole aufweisenden Rotor und mit einer mechanisch oder elektrisch wirkenden Einrichtung zur Überwindung der Stufe von der höchsten zur niedrigsten Induktion des Stators, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorpole ebenfalls permanentmagnetisch sind und untereinander gleiche, jedoch zu der Polarität der mit ihnen zusammenwirkenden Statorpole entgegengesetzte Polarität haben und daß die Statorpole gleichmäßig über den Umfang verteilt sind.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zunehmende Induktion durch einen in der Drehrichtung kleiner werdenden Luftspalt zwischen Rotor (6) und Stator (9) bewirkt wird.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole den Rotor spiralförmig umgeben.

4. Motor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Stator an der Stelle der niedrigsten magnetischen Induktion ein Elektromagnet (8) angeordnet ist, der zum Zeitpunkt des Eintreffens eines Rotormagneten an dieser Stelle in einem solchen Sinne kurzzeitig erregt wird, daß eine anziehende Kraft auf diesen Rotormagneten einwirkt.

5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet über eine an der Rotorwelle befestigte Schleifringanordnung (10, U) zu- und abschaltbar ist.