DE2823208C2

DE2823208C2 - Synchronmaschine

Info

Publication number: DE2823208C2
Application number: DE2823208A
Authority: DE
Inventors: Makoto Kadoma Osaka Gotou; Kazutsugu Takatsuki Osaka Kobayashi; Kenichiro Sakai Osaka Okumura
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1977-05-26
Filing date: 1978-05-25
Publication date: 1984-08-23
Also published as: DE2823208A1; US4280072A; FR2392525A1; NL7805766A; GB1603969A; FR2392525B1

Description

2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Grundzahl der Formharmonischen des Ankerkerns (3) mit den Einschnitten (7a,, 7a₂; 7fei , Tb₂; 7c,, 7cj) das AC-fache einer dominanten Grundzahl C der Formharmonischen eines Anker kerns ohne Einschnitte ist d. h. C - KC, wobei K eine ganze Zahl größer als eins ist

3 Synchronmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der größte gemeinsame Teiler R von K und P/Q kleiner als K ist wobei es sich bei Q um den größten gemeinsamen Teiler von C" und P

handelt
4. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß Λ - 1.

5 Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl der Einschnitte (7a,, 7a₂; Tb\, Tb₂; 7c, 7c₂) und der Pollücken (6a; 6b; 6c; das /-fache der Anzahl der Pollücken (6a; 6b; 6c) ist, wobei /eine ganze Zahl größer als eins ist.

6 Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Polschuhe (4a; Ab; Ac) die gleiche Anzahl Einschnitte (7a,, 7a₂; Tb_u Tb₂; 7c; Tc₂) aufweist.

7. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnitte (7a,, 7a₂; Tb\, Tb₂; 7c, 7c₂) zur Drehachse schräg verlaufen.

8. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerkern (3) neben Hauptpole unbewickelte Hilfspole aufweist und das Verhältnis des Winkels zwischen zwei Mittellinien der Pollücken (6a; 6b; 6c) beiderseits eines beliebigen Hauptpols zum Winkel zwischen zwei Mittellinien der Pollücken (6a; 6b; 6c) beiderseits eines beliebigen Hilfspoles gleich oder fast gleich L/M gehalten wird, wobei L und M ganze Zahlen sind, und die Einschnitte (7a,, 7a₂; Tb_x, Tb₂; 7c, Tc₂) und Pollücken (6a; 6b;6c), die die Hilfs- und Hauptpole bilden, untereinander weitgehend gleiche Winkel bilden.

9. Synchronmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Polschuhe (4a; Ab; Ac) geringer als die Polzahl des permanent-ma- b5 gnetischcn Erregerteils (2) ist und der Winkel zwischen der Mittellinie der Pollücken (6a; 6b; 6c) beiderseits eines der Polschuhc (4a; Ab; Ac) gleich oder Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine mit einem außenliegenden, permanentmagnetischen Erregerteil und einem mehrphasigen Anker mit ausgeprägten Polen.

Es sind Dynamomaschinen mit einem derartigen Aufbau bekannt (US-PS 36 63 850). Bei derartigen Synchronmaschinen besteht jedoch das Problem, daß schädliche Schwingungen infolge eines kräftigen Ruckmoments auftreten, das von der Wechselwirkung der magnetisierten Pole des Permanentmagneten und den ausgeprägten Polen des Ankerkerns verursacht wird. Dieses Ruckmoment verhindert einen glatten Rundlauf der Maschine. Um das Ruckmoment zu reduzieren, wird zuweilen ein schräger Ankerkern verwendet, der jedoch verhältnismäßig schwierig herstellbar ist und keine ausreichende Verringerung des Ruckmoments mit sich bringt. Die Verwendung eines Ankerkerns ohne ausgeprägte Pole zur Erzielung eines glatten Rundlaufs ist unpraktisch, da dann bei unnötig großer Maschine ein nur geringer Wirkungsgrad erhalten wird.

Wird die Synchronmaschine als Motor eingesetzt entsteht infolge der Wechselwirkung der magnetischen Pole des Permanentmagneten und der erregten Pole des Ankerkerns eine Welligkeit des Drehmoments, so daß ein glatter Rundlauf des Motors durch die resultierenden schädlichen Schwingungen verhindert wird. Um die Momentwelligkeit zu verringern, kann der Läuferstrom entsprechend der relativen Stellung des Ankerkerns und des Permanentmagneten geändert werden, wodurch jedoch die Ansteuerschaltung für die Synchronmaschine unnötig kompliziert wird.

Bekannt ist ferner bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor (DE-GM 73 10 863), durch Vorsehen unterschiedlicher Luftspaltabmessungen längs der Polkopfoberfläche das Ruckmoment zur ICompensierung des bei einer Einphasenmaschine schwankenden Antriebsmomentes gezielt zu vergrößern.

Bei diesem Gleichstrommotor wird ein kontinuierliches Drehmoment dadurch erreicht daß das· Gesamtdrehmoment Md + Mrci konstant gehalten wird. Hierbei ist M_c, ein pulsierendes Drehmoment das von einem pulsierenden elektrischen Eingangssignal während einer vorgegebenen Zeitspanne bei einer Drehung des Motors erzeugt wird, und M„i ist ein Ruckmoment, das von der Reluktanzänderung zwischen den Magnetpolen und dem Statorkern erzeugt wird. Um bei Fehlen des elektrischen Eingangssignals ein ausreichendes Drehmoment zu erzielen, muß das Ruckmoment ausreichend groß sein, zu dessen Erzeugung ein Luftspalt vorgesehen ist der über den Polbogen in Richtung der Drehung

bis zu einem Maximum vorzugsweise monoton zu- und dann vorzugsweise ebenso monoton wieder abnimmt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Synchronmaschine gemäß der eingangs erwährten Art so zu gestalten, daß das Ruckmoment verkleinert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Polschuhen Einschnitte derart vorgesehen sind, daß jeder von ihnen eine magnetische Wirkung aufweist, die mit der einer jeden beabstandeter Pollüicken vergleichbar ist, daß die Anzahl der Einschnitte mindestens so groß wie die Anzahl der Pollücken ist, und daß die Einschnitte unter einem Winkel zu den entsprechenden Pollücken in den Polschuhen vorgesehen sind, der ungleich einem ganzzahligen Vielfachen der Polteiiung ist wobei ρ die Anzahl der Pole des magnetischen Erregerteils ist

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Synchronmaschine ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Synchronmaschine weist ein beträchtlich verringertes Ruckmoment und damit einen verhältnismäßig glatten Rundlauf entsprechend dem Eingangssignal auf. Weiterhin ist es verhältnismäßig leicht, das Drehmoment zu steuern und auf der Ruckkraft basierende Motorschwingungen zu reduzieren.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Synchronmaschine werden nun anhand der Zeichnungen erläutert. In letzteren sind

Fig. 1 eine schematisierte Schniudarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Synchronmaschine;

F i g. 2a bis 2g Vektordiagramme zur Erläuterung der Abschwächung schädlicher Komponenten der Formharmonischen der erfindungsgemäßen Synchronmaschine;

Fi g. 3a bis 3c schematisierte Schnittdarstellungen einiger Ausführungsformen des Ankerkerns der erfindungsgemäßen Synchronmaschine;

F i g. 4a bis 4d einige Formen von Einschnitten in den Polschuhen des Ankerkerns;

Fig.5 eine schematisierte Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Synchronmaschine;

F i g. 6 eine schematisierte Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Synchronmaschine;

Fig. 7a bis 7d Wellenformen zur Erläuterung der Funktionsweise der Synchronmaschine nach F i g. 6;

Fig. 8 eine schematisierte Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Synchronmaschine:

F i g. 9a und 9b eine Schnitt- und eine auseinandergezogene Darstellung einer weiteren Ausführi'ngsform der erfindungsgemäßen Synchronmaschine; und

Fig. 10aund 10b abgewickelte Ansichtendes Permanentmagneten und des Ankerkerns gemäß F i g. 9.

Die Synchronmaschine weist, wie F i g. 1 zeigt, ein magnetisches Joch 1 mit einem permanentmagnetischen Erregerteil 2 mit einem Paar permanentmagnetisierten N- und S-PoIe auf, deren Innenfläche einem Anker 3 zugewandt ist. Der permanentmagnetische Erregerteil 2 erzeugt um den Ankerkern 3 herum ein festes magnetisches Feld.

Der Ankerken¹ 3 weist drei Polschuhe 4a, 4b, 4c auf, die zum magnetischen Erregerteil 2 hin vorstehen. Die Hauptfläche ledo Polschuhs, die dem magnetischen Erregerteil 2 zi'gev'iindt ist, ist breiter als der Fuß, auf den die Ankerwicklung gewickelt ist. Die Ankerwicklung läßt sich also leicht aufbringen. Der Ankerkern nimmt so den vom magnetischen Erregerteil 2 ausgehenden Magnetfluß wirkungsvoll auf. Die dreiphasigen Wicklungsspulen 5a, 6b, 5c sind jeweils auf den Fuß der PoI-schuhe 4a, Ab, 4c in die Pollücken 6a, 6b, 6c zwischen jeweils zwei benachbarte Pole eingewickelt

Jede Hauptfläche der Polschuhe 4a, 46.4c weist zwei Einschnitte 7ai, 7a2; 7b\, 7bi sowie 7ci, 7 c? auf, an denen der Spalt zwischen der Hauptfläche des Polschuhs und des magnetischen Erregerteils 2 breiter wird. Die Einschnitte verlaufen parallel zur Drehachse O, d. h. senkrecht zur Zeichenebene der Fi g. 1, und die beiden Einschnitte eines Polschuhes liegen bei etwa jeweils einem Drittel des Winkeis zwischen den Mittellinien der PoI-lücken beiderseits dieses Polschuhs, d. h. bei etwa V3 von 120°, wie in Fig. 1 gezeigt. Die freien Bereiche im Umfang des Läuferkerns 3, nämlich die Pollücken 6a, 6b, 6c und die Einschnitte 7a_h 7a₂, 7b_u 7bi, 7ci und Tc₂ liegen also unter jeweils etwa 40° beabstandet dem magnetisehen Erregerteil 2 zugewandt.

Es soll nun die Funktionsweise der Synchronmaschine gemäß F i g. 1 beschrieben werden. Der Ankerkern 3 und der magnetische Erregerteil 2 drehen koaxial relativ zueinander um die Drehachse O, d. h. bei einem von ihnen handelt es sich um den Läufer, beim anderen um den Ständer. Arbeitet die Synchronmaschine gemäß F i g. 1 als Generator, entstehen an den ^-phasigen Wicklungsspulen 5a, 5b, 5c3-phasige Wechselspannungen entsprechend der Drehung des von einer externen Antriebskraft gedrehten magnetischen Erregerteils 2. Arbeitet die Synchronmaschine als Motor, entsteht ein kontinuierliches Antriebsmoment entsprechend der gegenseitigen Stellung zwischen dem magnetischen Erregerteil 2 und dem Läuferkern 3, indem gesteuerte 3-phasige Wechselströme an die 3-phasigen Spulen 5a, 5b, 5c über einen mechanischen oder elektronischen Kommutator gelegt werden.

Falls es sich um einen Motor und insbesondere einen Motor für N F-Anlagen handelt, bei denen eine hohe Güte erforderlich ist, wird gewöhnlich ein elektrischer Kommutator angewandt, bei dem ein Detektor die Relativlage zwischen Ankerkern und Permanentmagnet erfaßt, Leistungstransistoren die Phasenspulen erregen und eine Schalteinrichtung die Leistungstransistoren entsprechend den vom Detektor gelieferten Signalen antreibt. Der Kommutator ist nicht Teil der Erfindung. Der elektrische Erregerteil 2 kann auch in Gestalt aufgeteilter Magneten mit Spalten ausgebildet sein.

Das Ruckmoment entsteht durch die Wechselwirkung zwischen den permanentmagnetisierten Polen und dem Ankerkern aus magnetischen Werkstoff (beispielsweise Eisen) und ändert sich periodisch entsprechend deren Relativlage mit einer Grundperiode von 360° (eine Umdrehung). Dieses Ruckmoment beeinträchtigt den Rundlauf der Synchronmaschine und wird von der Gestalt des Ankerkerns, wo er dem permanentmagnetischen Feldelement zugeordnet ist, und durch die Verteilung des magnetischen Feldes der permanentmagnetisierten Pole beeinflußt. Die Gestalt des Ankerkerns läßt sich durch die zu einer Fourier-Reihe entwickelten Formharmonischen mit einer Grundperiode von 360° (eine Umdrehung) darstellen. Die Formharmonischen sind für die Gestalt des Ankerkerns charakteristisch. Die Verteilung des magnetischen Feldes läßt sich durch die ebenfalls nach Fourier entwickelten Harmonischen der magnetischen Feldverteilung mit einer Grundperiode von 360° (eine Umdrehung) darstellen.

Mathematisch bestimmt man das Ruckmoment durch

Faltung der Formharmonischen und der Harmonischen der Magnetfeldverteilung und Entwicklung nach Fourier mit einer Grundperiode von 360° (eine Umdrehung). Die Größe jeder Komponente (Perioden/Umdrehung) des Ruckmomentes ist proportional dem Produkt aus derjenigen Formharmonischen mit derjenigen Harmonischen der magnetischen Verteilung, die den gleichen Grad wie die jeweilige Komponente des Ruckmoments haben. Beispielsweise ist die Komponente 10 Per/U (Perioden pro Umdrehung) des Ruckmomentes proportional dem Produkt der Formharmonischen von 10 Per/U mit der Harmonischen von 10 Per/U der Magnetfeldverteilung. Es ist also möglich, die Stärke einer Komponente des Ruckmoments zu verringern, indem entweder die Stärke der Forrnharmonischen des gleichen Grads oder die der Feldharmonischen des gleichen Grads wie dem der Ruckmomentkomponente verringert wird. In der Praxis enthält das Ruckmoment einer Synchronmaschine mehrere dominante Komponenten. Das Ruckmoment läßt sich verringern, wenn eine der dominaten Komponenten verringert wird. In der Hauptfläche mindestens eines der dem Magnetpolen des permanentmagnetischen Feldelements zugewandten Polschuhe ist mindestens ein Einschnitt ausgebildet, um die Formharmonischen mit dem Grad der dominanten Komponente des Ruckmoments zu reduzieren, wie sich aus dem oben beschriebenen Prinzip ergibt. Die Stärke der Komponente, die ohne einen Einschnitt entsteht, wird auf diese Weise verringert, und die dominante Komponente läßt sich leicht reduzieren.

Dies soll nun für das Ruckmoment in der Synchronmaschine der F i g. 1 beschrieben werden. Da der Erregerteil 2 des permanentmagnetischen Feldelements zwei Pole aufweist, ist die dominante Grundkomponente der Magnetfeld-Verteilungsharmonischen 2 Per/U (Perioden pro Umdrehung). Die Magnetverteilung enthält im wesentlichen die Harmonischen von 2 Per/U in der Reihe 2 Per/U,4 Per/U, 6 Per/U, 8 Per/U usw.

Wenn im Ankerkern 3 keine Einschnitte 7a\ — 7cj vorgesehen sind, werden die Magnetfeldänderungen im Ankerkern 3 von den Pollücken 6a, 66, 6c verursacht. Da diese unter einem Winkel von etwa 120° angeordnet sind, ist die dominante Grundkomponente der Formharmonischen 3 Per/U, wobei die Harmonischen hauptsächlich der 3-Per/U-Reihe folgen, d. h. 3 Per/U, 6 Per/ U, 9 Per/U, 12 Per/U usw. Das Ruckmoment bei einem Ankerkern 3 ohne Einschnitte setzt sich also hauptsächlich aus denjenigen Komponenten zusammen, die unter den Form- und den Feldverteilungsharmonischen gemeinsam auftreten, d. h. in der 6-Per/U-Reihe mit 6 Per/ U, Ί2 Per/U, 18 Per/U usw.

Der Effekt der Ausbildung der Einschnitte ist folgendermaßen. Der Magnetfluß aus dem magnetischen Erregerteil 2 geht auf die diesem zugewandten Polschuhe über, erreicht jedoch die tiefsten Teile der Pollücken 6a, 6b, 6c nicht Es kann also angenommen werden, daß jeder der Einschnitte 7a\ bis 7cj magnetisch die gleiche bzw. fast die gleiche Wirkung wie die Pollücken 6a, 6b, Sc hat, obgleich der Spalt zwischen dem Einschnitt und dem magnetischen Erregerteil 2 wesentlich weniger breit als die Pollücke tief ist

Die Einschnitte 7a< bis 7c* sind so angeordnet, daß sie unter gleichen oder fast gleichen Winkeln von 40° um die Drehachse O herum liegen. Die dominante Grundkomponente der Formharmonischen des Ankerkerns 3 wird im Fall der Einschnitte Ta\ bis Tci also zu 9 Per/U, was um den Faktor 3 höher ist als die dominante Grundkomponente 3 Per/U der Formharmonischen des Ankerkerns 3 ohne die Einschnitte. Weiterhin enthalten die Formharmonischen nur noch die Komponenten der 9-Per/U-Reihe. d.h. 9 Per/U, 18 Per/U, 27 Per/U usw. Das Ruckmoment bei einem Ankerkern 3 mit Einschnitten 7ai bis 7c2 setzt sich daher im wesentlichen aus den Komponenten der 18-Per/U-Reihe zusammen, d.h. 18 Per/U, 36 Per/U, 54 Per/U usw.

Vergleicht man diese Ergebnisse mit den obigen, ist es einzusehen, daß die Synchronmaschine mit einem Ankerkern mit Einschnitten wesentlich weniger Ruckkomponenten hat als eine herkömmliche Maschine mit einem Ankerkern ohne Einschnitte. Weiterhin ist die dominante Grundkomponente des Ruckmoments bei ersterer mit 18 Per/U gegenüber 6 Per/U wesentlich hö-

!5 her. Im allgemeinen nimmt die Stärke einer Komponente mit ihrer Gradzahl bei sowohl den Form- als auch den Feldverteilungsharmonischen ab. Weiterhin wird die dominante Grundkomponente die dominante Komponente des Ruckmoments. Das Ruckmoment der Synchronmaschine nach F i g. ί mit einem Ankerkern 3 mit den Einschnitten 7ai bis 7c2 ist also wesentlich schwächer als bei einer herkömmlichen Synchronmaschine mit einem Ankerkern 3 ohne die Einschnitte 7ai bis 7c₂.
Es gibt viele Anordnungen von Einschnitten, mit denen sich die störenden Komponenten der Formharmonischen unterdrücken lassen. F i g. 2 zeigt eine Anzahl von Zeigerdiagrammen, die das Grundkonzept der Anordnung der Einschnitte zur Verringerung der Störkomponenten im Ruckmoment erläutern sollen. In F i g. 2 ist die Periode der Störkomponente als 2 λγ rad ausgedrückt. Der durchgezogen gezeichnete Zeiger bezeichnet die Störkomponente der Formharmonischen, die sich daraus ableiten, daß die Pollücken des Ankerkerns keine Einschnitte aufweisen. Die Länge des Zeigers bezeichnet dabei die Stärke der Störkomponente. Werden dem durchgezogen gezeichneten Störzeiger entsprechend den F i g. 2b bis 2g weitere, gestrichelt gezeichnete Zeiger hinzugefügt, läßt der Summenzeiger sich zu Null reduzieren. M. A. W.: Die Störkomponente ist unterdrückt worden. Die gestrichelten Zeiger werden erhalten, indem die Einschnitte an einem Punkt anderer Phase als der der beabstandeten Teile angeordnet werden, die die Störkomponente zunächst verursacht.
Die Diagramme der F i g. 2b bis 2e zeigen Beispiele von Zeigern gleicher Länge, die unter gleichem oder fast gleichem Phasenwinkel angeordnet sind. In den F i g. 2f und 2g haben die Zeiger ungleiche Länge bei ungleichen Phasenwinkeln. Es gibt also viele Anordnungen der Einschnitte, mit denen sich Störkomponenten

der Formharmonischen des Ankerkerns reduzieren lassen.

Unter Berücksichtigung obiger Ausführung werden nun einige Ausführungsformen des Ankerkerns beschrieben, bei denen die störenden 6-Per/U-Komponenten der Formharmonischen reduziert sind. Da 40° für 1 Per/U gleich 240° für 6-Per/U ist und jeder der Einschnitte 7ai bis 7 ei magnetisch den gleichen Effekt wie die Pollücken 6a, 65,6c hat, entspricht dem Ankerkern 3 der Synchronmaschine der Fig. 1 für die störende 6-Per/U-Komponente der Formharmonischen das Zeigerdiagramm der F i g. 2c.

Die F i g. 3a bis 3c zeigen schematisiert weitere Ausführungsformen von Ankerkernen mit reduzierter 6-Per/U-Störkomponente. Der Ankerkern der F i g. 3a hat 3 Pollücken 6a, 6b, 6c, die identisch mit denen der F i g. 1 sind, sowie drei Einschnitte 8a, 86,8c Jeder dieser Einschnitte liegt 30° vom Mittelpunkt der angrenzenden Pollücke entfernt und hat den gleichen magneti-

sehen Effekt wie dieser. Diesem Ankerkern entspricht also das Zeigerdiagramm der Fig. 2b für die 6-Per/U-Komponentc, da 30° bei 1 Per/U einem Winkel von 180" bei 6 Per/U entspricht. Da 360" für 6 Per/U gleich 60" für 1 Per/U ist, wird die störende 6-Per/U-Komponente der Formharmonischen nicht geschwächt, wenn ein Einschnitt — beispielsweise der Einschnitt 8a — unter Winkeln von 60°, 120°, 240° und 300° angeordnet wird. Da die drei Einschnitte 8a, Sb, Sc in der gleichen Phase für die 6-Per/U-K.omponente angeordnet sind, lassen sie sich durch einen breiteren und tieferen Einschnitt als 8a ersetzen, der die gleiche Phase wie 8a für die 6-Per/U-Komponente hat.

Der Ankerkern der F i g. 3b hat zwölf Einschnitte 9ai bis 9a₄; 9£>i bis 9& sowie 9ci bis 9c₄, die jeweils den gleichen magnetischen Effekt wie die Pollücken 6a, 6f>, 6c haben und deren Mittelpunkt 24° (144° für 6 Per/U) vom Mittelpunkt des benachbarten Einschnitts bzw. der Poliücke entfernt liegt, wie in F i g. 3b gezeigt. Dem Ankerkern der F i g. 3b entspricht also das Zeigerdiagramm der F i g. 2e für die 6-Per/U-Komponente.

Eine weitere Ausführungsform des Ankerkerns der F i g. 3c ist mit dem Zeigerdiagramm der F i g. 2f gleichwertig für die Komponente 6 Per/U, da jeder Mittelpunkt der sechs Einschnitte lOai bis 1Oc₂ auf dem Ankerkern um 37,5° (225 für 6 Per/U) vom Mittelpunkt der benachbarten Pollücke beabstandet ist und die Einschnitte magnetisch schwächer wirken als die Pollücken 6a bis 6c der störenden 6-Per/U-K.omponente. Die Verteilung der Formharmonischen, die sich aus den Einschnitten ableiten läßt, ändert sich mit deren Breite und Tiefe, so daß sich eine Optimalform der Einschnitte durch Ändern deren Breite und/oder Tiefe erreichen läßt.

Obgleich die Gestalt der in den Fig. 1 und 3 gezeigten Einschnitte durchweg zylindrisch ist ist die Auswirkung der Einschnitte auf eine Abschwächung des Ruckmoments nicht auf eine spezielle Gestalt der Einschnitte beschränkt. Mit Einschnitten beliebiger Gestalt läßt sich der Effekt einer Verringerung des Ruckmoments zu einem gewissen Grad erreichen, wenn man die Einschnitte gegenphasig zu den Störkomponenten der aus den Pollücken abgeleiteten Formharmonischen anordnet.

Die Fig.4a bis 4d zeigen einige Beispiele für die Form der Einschnitte, wie sie für die ausgeprägten Pole 6 (beispielsweise 4a, 46, 4c der Fig. 1) geeignet sind. F i g. 4 zeigt dabei Schnitt- und Draufsichten eines ausgeprägten Pols mit jeweils zwei Einschnitten. Die Einschnitte der Fig.4a sind zylindrisch und verlaufen parallel zur Drehachse, was den Einschnitten der Fig. 1 entspricht. Die Schnittgestalt der Einschnitte der F i g. 4b ist rechteckig, während die Einschnitte auf beiden Seiten des ausgeprägten Pols winklig zur Drehachse verlaufen. Diese Anordnung gilt für einen schrägverlaufenden Ankerkern. Fig.4c zeigt ein weiteres Beispiel für die Gestalt der Einschnitte, die hier nicht durch den gesamten ausgeprägten Pol verlaufen, sondern nur durch einen Teil desselben; ihre Schnittform ist trapezförmig. In Fig.4d ist der Einschnitt halbkugelig. Es ist weiterhin nicht unbedingt erforderlich, daß sämtliche Einschnitte die gleiche Gestalt haben. Für die Praxis ist erwünscht, daß alle Einschnitte parallel oder flach gewinkelt zur Drehachse verlaufen, da der Ankerkern gewöhnlich aus ausgestanzten Blechen hergestellt werden kann.

Es sollen nun wirksame Anordnungen der Einschnitte auf dem Ankerkern hinsichtlich der Polzahl des permanentmaenetischen Feldelements zur Abschwächung des Ruckmoments beschrieben werden. Weist das Feldelement PPoIe aus abwechselnd permanentmagnetisierten N- und S-Polen auf, die dem Ankerkern zugewandt sind, so ist die dominante Grundzahl der Vcrteilungsharmo-

^r> nischcn des Magnetfeldes ebenfalls P und enthält die Feldverteilung hauptsächlich die Harmonischen der Reihe P Per/U, d. h. P Per/U, 2 P Per/U, 3 P Per/U usw. Wie oben bereits beschrieben, ist eine beliebige Komponente des Ruckmoments proportional dem Produkt

ίο der Harmonischen gleichen Grades der magnetischen Feldverteilung und der Formharmonischen gleichen Grades. Folglich müssen die Einschnitte so angeordnet werden, daß jeder Winkel zwischen dem Mittelpunkt eines Einschnitts und dem Mittelpunkt des benachbarten Einschnitts ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von (360/P/ wird, um das Ruckmoment wirkungsvoll abschwächen zu können. Daneben gibt es wirkungsvolle Anordnungen von Einschnitten, mit denen sich die dominante Grundzahl der Formharmonischen — hinsichtlieh der Polzahl P — erhöhen läßt, wie im folgenden beschrieben wird.

Es sei nun Cder dominante Grundgrad der Formharmonischen des Ankerkerns mit den Einschnitten und C der dominante Grundgrad der Formharmonischen ohne Einschnitte. Diese Zahlen hängen wie folgt zusammen:

C=KC

wobei K eine ganze Zahl größer als eins (K > 1) ist. Die Formharmonischen des Ankerkerns mit den Einschnitten enthalten also hauptsächlich Komponenten der Reihe C Per/U, d. h. C Per/U, 2 C Per/U, 3 C Per/U usw., während die Formharmonischen des Ankerkerns ohne Einschnitte hauptsächlich Komponenten der Reihe C Per/U enthalten, d. h. C Per/U, 2 C Per/U, 3 C Per/U usw. Da das Ruckmoment Komponenten aus sowohl den Formharmonischen als auch den Feldharmonischen enthält, ist der dominante Grundgrad des Ruckmoments das kleinste gemeinsame Vielfache (KC V) dieser beiden Harmonischen. Die dominanten Grundzahlen G und G' des Ruckmoments beim Einsatz eines Ankerkerns mit Einschnitten bzw. ohne Einschnitte läßt sich also wie folgt ausdrücken:

G= KGV(CP) G' = KGV(CP)

wobei P die Anzahl der Pole des Erregerteils, d. h. der so dominante Grundgrad der magnetischen Feldverteilungsharmonischen des permanentmagnetischen FeIdelementes ist, wie oben ausgeführt, ist Go7"(der größie gemeinsame Teiler) von C'und Pgleich Q und der größte gemeinsame Teiler von P/Q und K gleich R, lassen sich G'und Gdurch folgende Beziehungen ausdrucken:

C=P- CVQ G = (KJR) ■ G'

Aus den Beziehungen (4) und (5) ergibt sich, daß, wenn die dominante Grundzahl G des Ruckmoments größer als G' sein soll, R kleiner als K sein muß. Der Effekt der Einschnitte zur Schwächung des Ruckmoments läßt sich also erreichen, wenn

R < K

ist Dieser Effekt ist am stärkten bei

R =

Wie ersichtlich, ist ein großer Wert von K zur Schwächung des Ruckmoments erwünscht. In der Praxis wird in den meisten Fällen die Bedingung KZR ä 3 zur Schwächung des Ruckmoments ausreichen. Für die Ausführungsform der F i g. 1 wurden die oben beschriebenen Größen wie folgt errechnet:

P	= 2
C	= 3
C	= 9
K	= czc = 3
0	*= GGT(P,C)* = 1**
R	*= GGT(PZQ, K)* =**
C	*= (PC)ZQ* = 6**
G	*= (KZR)G'* = 18**

Für C = KC und R < K, wie oben beschrieben, ist es erwünscht, die Anzahl der Einschnitte größer oder gleich der Zahl der Pollücken zu machen. Dies bewirkt auch eine Abnahme der Änderung der magnetischen Permanenz an jedem Einschnitt, da die Einschnitte schmal und flach gemacht werden können, wenn ihre Anzahl zunimmt. Weiterhin ist es besser, wenn alle ausgeprägten Pole die gleiche Anzahl von Einschnitten aufweisen, um den Fluß gleichmäßig aufzunehmen. Unterschiedliche Formen der ausgeprägten Pole resultieren in Schwankungen der elektrischen oder mechanischen Ausgangsleistung der Synchronmaschine an den auf diese ausgeprägten Pole gewickelten Mehrphasenspulen. In der Praxis ist in vielen Fällen die Gesamtanzahl der Pollücken und der Einschnitt ein größeres ganzzahliges Vielfaches als eins der Anzahl der Pollücken.

Die Verringerung des Ruckmoments ist nicht von anderen Einflußfaktoren wie der Polzahl des permanentmagnetischen Feldelements, der Anzahl der ausgeprägten Pole auf dem Ankerkern und der Phasenanzahl und der Wicklungsart der Mehrphasenspule abhängig. Auch muß das permanentmagnetische Feldelement nicht aus nur einem Permanentmagneten bestehen. Es kann sich aus einer Vielzahl von getrennten Magneten zusammensetzen, die über einen Spalt auf dem Magnetjoch angeordnet sind. Weiterhin kommt der Effekt der Einschnitte ebenfalls in unterschiedlichen Fällen zum Tragen, beispielsweise wenn die ausgeprägten Pole des Ankerkerns gebogene Pole aus ausgestanzten Blechscheiben aus Weicheisen sind, wenn der Ankerkern nur teilweise um die Drehachse herumverläuft und auch wenn der tatsächliche Winkel jedes Magnetpols des permanentmagnetischen Feldelements sich von (360/P)P unterscheidet Auch gelten die Bedingungen zur Verringerung des Ruckmoments für eine Synchronmaschine mit einem axialen Spalt, in der der Ankerkern mit einem axialen Spalt gegenüber dem permanentmagnetischen Feldelement in einer kreisrunden Form angeordnet ist

Fig.5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Synchronmaschine, in der jeder der drei Polschuhe eine Hauptfläche aufweist, die breiter als ein Polwinkel des permanentmagnetischen Feldelements ist Ein magnetischer Erregerteil 12 ist auf der Innenfläche eines magnetischen Jochs 11 einem Ankerkern 13 zugewandt, wobei der Erregerteil 12 aus acht Polpaaren besteht Der Ankerkern 13 weist drei Polschuhe 14a, 146,14c auf, die zum Erregerteil 12 hin vorstehen. Die dem Erregerteil zugewandte Hauptfläche jedes der Polschuhe ist breiter als der Polfluß, so daß die Ankerspule sich leicht auf ihn wickeln läßt und der Ankerkern wirkungsvoll den Ma-

(7) gnetfluß vom Erregerteil übernimmt. Es sind hierbei 3-phasige Spulen 15a, 156, 15c in die Pollücken 16a, 166. 16czwischen benachbarten Polschuhen gewickelt. Die dem Erregerteil 12 zugewandten Hauptflächen

s der Polschuhe 14a, 146, 14c weisen jeweils zwei Einschnitte 17ai, 17a2; 176|, 176j bzw. 17ci und \Tci auf; an denen sich der Spalt zwischen der Hauptfläche des Polschuhes und dem Erregerteil 12 erweitert. Die Einschnitte verlaufen parallel zur Drehachse O, d. h. senkrecht zur Zeichenebene, und liegen etwa an den Vj-Punkten des Winkels 120° zwischen den Mittellinien der Pollücken beiderseits der Polschuhe. Die Pollücken 16a, 166, 16c und die Einschnitte 17ai, 17a₂; 176,, 17O₂; 17ci und 17c2 sind also unter gegenseitigen Winkeln

is gleich oder fast gleich 40° auf dem Umfang des Ankerkerns 13 dem Erregerteil 12 zugewandt verteilt.

Der Ankerkern 13 und der Erregerteil 12 drehen sich relativ zueinander um eine koaxiale Drehachse O. wobei einer den Läufer und der andere den Ständer darstellt.

Der Winkel der Hauptfläche jedes Polschuhes ist etwa gleich 112,5°, d.h. das Fünffache eines Polwinkels von 22,5° des Erregerteils 12, so daß der in den Polschuh eintretende und durch die Spule verlaufende Magnetfluß bei der Drehung mit einem Maximum von einem Polfluß alterniert. Arbeitet die Synchronmaschine gemäß Fig.5 als Generator, entstehen dabei an den 3-phasigen Spulen 15a, 156,15c bei der Relativdrehung zwischen dem Erregerteil 12 und dem Ankerkern 13 3-phasige Wechselspannungen. Arbeitet die Synchronmaschine als Motor, entsteht beim Einspeisen von gesteuerten 3-phasigen Wechselströmen in die 3-phasigen Spulen 15a, 156, 15c über einen elektronischen oder mechanischen Kommutator ein kontinuierliches Antriebsmoment entsprechend der gegenseitigen Lage zwischen dem Erregerteil 12 und dem Ankerkern 13.

Das Ruckmoment der Synchronmaschine gemäß F i g. 5 läßt sich ebenfalls mit den Einschnitten verringern, wie im folgenden beschrieben. Jeder der Einschnitte 17ai bis 17C2 hat magnetisch die gleiche oder fast die gleiche Wirkung wie die Pollücken 16a, 166,16c und die Pollückenräume und die Einschnitte sind unter gleichen bzw. fast gleichen Winkeln von 40° verteilt, die ungleich einem ganzzahligen Vielfachen des Polwinkels, d. h. (360/16)° = 223° des Erregerteils 12 sind. In diesem Falle lassen sich die für das Ruckmoment geltenden Größen wie folgt berechnen:

P	= 16
C	= 3
C	= 9
K	= CZC = 3
Q	= GGT(RC) = i
R	= GGT (PZQ, K) =
G'	- PCZQ = 48
G	*= (KZR)G' =* 144**

50

55

Hierbei ist G ein Vielfaches von G' und wird das Ruckmoment durch die Einschnitte verringert In diesem Fall ist der Winkel zwischen den Mittellinien zweier benachbarter Einschnitte oder dem Mittelpunkt des Einschnitts und der Mittellinie der benachbarten Pollücke größer als der einfache Polwinkel des Erregerteils 12, wie in der Zeichnung gezeigt Der Effekt einer Verringerung des Ruckmoments ergibt sich jedoch auch, wenn dieser Winkel nicht gleich einem ganzzahligen Vielfachen des einfachen Polwinkels des Erregerteils ist Es ist erwünscht, daß die Breite des Einschnitts kleiner als der einfache Polwinkel des Erreger-

teils ist, da mil abnehmender Breite des Einschnitts auch die magnetische Änderung im Ankerkern infolge des Einschnitts und die Änderung der Flußdichte am Spalt abnehmen. Die Wirkung der Einschnitte, das Ruckmoment zu verringern, hängt nicht von der Breite des ausgeprägten Pols des Ankerkerns ab. Dieser Effekt läßt sich auch erreichen, wenn die Hauptfläche des Polschuhs des Ankerkerns fast gleich einem ungradzahligen ganzzahligen Vielfachen des einfachen Polwinkels des Erregerteils und unterschiedlich breit ist.

F i g. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Synchronmaschine, die als Motor geeignet ist, der ein geringere Momentwelligkeit sowie ein geringeres Ruckmoment zeigt. Ein Erregerteil 22 ist auf einem Magnetjoch 21 auf der Innenfläche einem Ankerkern 23 zugewandt ängeörunet uiiu ist permanent zu zwei N/o-roipaaren, d. h. vier Polen magnetisiert, die abwechselnd gepolte kreisförmig angeordnet sind, so daß ein festes Magnetfeld um den Ankerkern 23 herum entsteht. Der Ankerkern 23 hat 3 ausgeprägte Hauptpole 24a, 24b, 24csowie zusätzlich drei ausgeprägte Hilfspole 25a, 25b, 25c, die zum Erregerteil 22 hin vorstehen. Die dem Erregerteil zugewandte Hauptfläche jedes der ausgeprägten Hauptpole ist breiter als dessen Fuß, so daß sich eine Ankerspule leicht auf diesen wickeln läßt und der Ankerkern auch den Magnetfluß wirkungsvoll vom Erregerteil übernimmt Die 3-phasigen Spulen 26a, 26b, 26c sind in die Pollücken 27a, 27ö, 27c, 27d und 27e und 27/ zwischen benachbarten ausgeprägten Polen gewickelt.

Die Hauptflächen der dem Erregerteilmagneten 22 zugewandten ausgeprägten Hauptpole 24a, 24b, 24c weisen 3 Einschnitte 28aj, 28a₂, 2Sa₃, 28Z>i, 28O₂, 2Sb₁ sowie 28ci, 28c2,28c3 auf. An diesen Einschnitten ist der Spalt zwischen der Hauptfläche des jeweiligen ausgeprägten Hauptpols und dem Erregerteil 22 breiter. Die Einschnitte verlaufen parallel zur Drehachse O, d. h. senkrecht zur Zeichenebene. Der Winkel zwischen den Mittellinien der beiden Pollücken beiderseits des ausgeprägten Hauptpoles ist 96°, d.h. dem Vierfachen des Winkels von 24° zwischen den Mittellinien der beiden Poüücken beiderseits des ausgeprägten Hilfspols. Die Pollücken 27a bis 27Γ und die Einschnitte 28ai bis 28cj sind unter Winkeln von gleich oder fast gleich 24° auf dem Umfang des Ankerkerns 23 dem Erregerteil 22 zugewandt verteilt. Jeder der Einschnitte 28ai bis 28cs hat magnetisch den gleichen oder fast den gleichen Effekt wie die Pollücken 27a bis 27f.

Ähnlich den oben erläuterten Ausführungsformen drehen der Ankerkern 23 und der Erregerteil 22 relativ zueinander um die Drehachse O, wobei einer den Läufer und der andere den Ständer darstellt Ein kontinuierliches Antricbsrnorncrit entsteht, indem entsprechend der Relativlage zwischen dem Erregerteil 22 und dem Ankerkern 23 auf die 3-phasigen Wicklungsspulen 26a, 266, 26c 3-phasige Wechselströme über einen mechanischen oder elektrischen Kommutator gesteuert geschaltet werden. Da der Erregerteil 22 vier permanent magnetisierte Pole hat, ist die dominante Grundzahl P der Harmonischen der Magnetfeldverteilung gleich 4. Die dominante Grundzahl C der Formharmonischen des Ankerkerns ohne die Einschnitte ist 3. Die dominante Grundzahl C der zusammengesetzten Formharmonischen des Ankerkerns mit den Einschnitten ist 15, denn jeder der 15 Pollücken und Einschnitte, die unter gleichen Winkeln von 24" beabstandet sind, hat magnetisch den gleichen oder fast den gleichen Effekt Hieraus lassen sich folgende Werte berechnen:

G'

= CZC = 5

= GGT(P. C) = 1

= GGT(PZQ, K) = 1

= PCVQ = 12

= (KZR)G' = 60

Der Wert von G ist das Fünffache von G'. Das Ruckmoment ist durch die Einschnitte erheblich verringert. Es soll nun die Verringerung der Momentwelligkeit beschrieben werden, die den Momentschwankungen infolge der Geometrie der ausgeprägten Ankerpole, der Ankerspulen und der magnetisierten Pole des permanentmagnetischen Feldelements entspricht. Die Momentschwankungen werden durch die Wechselwirkung zwischen den erregten Spulen auf dem Ankerkern und den permanentrnagneiisierten Polen des perrnanentmagnetischen Feldelements verursacht. Da sich die gegenseitige Lage der erregten Spulen und der magnetisierten Pole der Drehung entsprechend ändert, ändert sich auch das von dem Ankerstrom erzeugte Antriebsmoment mit der Winkellage.

Der Erregerteil 22 ist im allgemeinen zu einem trapezförmigen Verlauf — vergleiche F i g. 7a — magnetisiert, wobei der Winkel Φ dem der F i g. 6 entspricht. Die Flußdichte der N-PoIe ist dabei positiv dargestellt. Da die Pollücken und die Einschnitte klein und daher die magnetischen Feldstörungen an ihnen gegenüber dem Verlauf der Flußdichte vernachlässigbar sind, ist der Verlauf der Flußdichte auf der Oberfläche des Erregerteils 22 etwa gleich dem Verlauf der Magnetisierung. Wird eine Spule — beispielsweise 26a — mit einem konstanten Strom erregt, ist das entstehende Drehmoment theoretisch proportional dem Produkt zwischen der Stromstärke und der Ableitung des vom Erregerteil 22 um den Drehwinkel Φ versetzt durch die erregte Spule verlaufenden magnetischen Flusses, wobei der Winkel Φ definiert ist als der Winkel zwischen einem Bezugspunkt Ao auf dem Erregerteil 22 und einem Bezugspunkt Bo auf dem Ankerkern 23. Der durch eine Spule verlaufende Fluß ist derjenige Fluß, der vom Erregerteil kommend in den ausgeprägten Hauptpol eintritt, auf dem die Spule gewickelt ist Da ein Flußanteil von dem einer Pollücke zugewandten Teil des Erregerteils auch in die benachbarten beiderseits der Pollücke eintritt, ist der effektive Winkel, ausgeprägten Pole über den ein ausgeprägter Hauptpol Fluß aus dem Erregerteil aufnimmt, etwas größer als der tatsächliche geometrische Winkel der Hauptfläche des ausgeprägten Hauptpols. Dieser ist fast gleich dem Winkel zwischen den Mittellinien der Pollücken beiderseits des ausgeprägten Hauptpols, d. h. 96° im Fall der Fig. 6. Sind die mägnetiSCHCM oCiiwänküiigcii aiii AfikcrkciTi infolge der Einschnitte und der Pollücken vernachlässigbar gering, was sich angenähert annehmen läßt, ist die Ableitung des durch die erregte Spule tretenden Flusses etwa proprotional der Differenz zwischen den Flußdichten auf beiden Seiten des effektiven Winkels des ausgeprägten Hauptpols, auf den die erregte Spule gewickelt ist

Ist der Magnetisierungsverlauf über den Erregerteil 22 trapezförmig wie in F i g. 7a, was gewöhnlich der Fall ist, stellen sich die Ableitungen der durch die 3-Phasen-Spulen 26a, 26ö, 26c tretenden Flüsse ebenfalls 3-phasig dar, wie in Fig.7b gezeigt Die Spulen 26a, 26b, 26c werden nacheinander mit einem konstanten Ankerstrom erregt, der sich aus den 3-phasigen Wechselströmen ia, ib. ic der F i g. 7c zusammensetzt und durch einen mechanischen oder elektronischen Kommutator entsprechend dem Drehwinkel θ gesteuert wird. Das

Drehmoment in Fig.7d hat daher eine geringere Welligkeit Die Synchronmaschine nach F i g. 6 erzeugt ein fast konstantes Antriebst ioment mit geringerer Welligkeit sowie ein geringeres Ruckmoment und läßt sich als Motor verwenden, der wegen seiner hohen Güte besondere geeignet für N F-Anlagen ist

Aus der vorgehenden Beschreibung läßt sich ersehen, daß sich die Weliigkeit des Drehmoments reduzieren läßt, indem der flache Teil der Ableitung des durch die Wicklungsspulen verlaufenden Flusses verbreitert wird.

Der flache Teil des Magnetisierungsverlaufs des permanentmagnetischen Feldelements steht auch im Zusammenhang mit dem Ruckmomeni der Synchronmaschine, da die spektrale Verteilung der Harmonischen des Magnetisierungsverlaufs sich mit der Abflachung im Magnetisierungsverlauf ändert Da die höheren Harmonischen der Magnetfeldverteilung im allgemeinen mit der Breite der Abflachung des Magnetisierungsverlaufs an Stärke zunehmen, wird auch das Ruckmoment beim Fehlen von Einschnitten bei einer Verbreiterung des Flachteils des Magnetisierungsverlaufs stärker. Die Einschnitte wirken auch in diesem Fall im Sinne einer Verringerung des Ruckmoments. Liegen solche Einschnitte vor, wird das Ruckmoment kleiner, auch wenn die Abflachung im Magnetisierungsverlauf breiter gemacht wird. Die Ausführungsform der Synchronmaschine gemäß F i g. 6 weist einen hohen Wirkungsgrad auf und ist leicht herstellbar.

Ließe man alle ausgeprägten Hilfspole 25a, 25b, 25c der F i g. 6 vom Ankerkern 23 fort, so würden die Pollükken zwischen jeweils zwei ausgeprägten Hauptpolen 24a, 24b, 24c breiter. In diesem Fall wäre es schwierig, Einschnitte mit dem gleichen magnetischen Effekt wie diese PoHücken vorzusehen, da diese dann wegen der breiteren PoHücken ebenfalls größer sein müßten. Die ausgeprägten Hilfspole tragen also zu einer Verringerung des Ruckmoments bei, wenn die PoHücken zu groß sind. Auch auf den ausgeprägten Hilfspolen können Einschnitte wirksam vorgesehen werden.

Vier Bedingungen erweisen sich für eine einfache Verringerung des Ruckmomentes und/oder der Momentwelligkeit im allgemeinen als maßgebend:

1. Die Anzahl der ausgeprägten Hauptpole ist kleiner als die Polzahl des permanentmagnetischen Feldelements.

2. Die ausgeprägten Hilfspole sind zwischen den ausgeprägten Hauptpolen so angeordnet, daß der wirksame Winkel jedes ausgeprägten Hauptpols etwa gleich einem ungraden ganzzahligen Vielfa- so chen des einfachen Polwinkels des permanentmagnetischen Feldelements wird.

3. Das Verhältnis des Winkels zwischen den Mittellinien der Pollücken beiderseits eines beliebigen ausgeprägten Hilfspols zum Winkel zwischen den Mittellinien der PoHücken beiderseits eines beliebigen ausgeprägten Hilfspols ist L/M, wobei L und M ganze Zahlen sind.

4. Die Einschnitte haben magnetisch die gleiche bzw. fast die gleiche Wirkung wie die Abstände und sind bo so angeordnet, daß die PoHücken und die Einschnitte unter gleichen oder fast gleichen Winkeln verteilt sind, die jeweils ungleich einem ganzzahligen Vielfachen des einfachen Polwinkels sind. Die Synchronmaschine gemäß Fig.6, die die gleiche An- t>5 zahl abwechselnd angeordneter ausgeprägter Haupt- und Hilfspole aufweist, erfüllt diese vier Bedingungen. Die Synchronmaschine kann auch eine beliebige Phaser.zahl aufweisen.

Bei der Herstellung des Ankerkerns werden zur Ausbildung der ausgeprägten Hauptpole und der ausgeprägten Hilfspole Kernbleche gleicher Gestalt verwendet In diesem Fall bleiben das Ruckmoment und die Momentwelligkeit der Synchronmaschine auch bei der Massenherstellung stabil, da die Form des Ankerkerns kaum Unterschiede aufweist Um jedoch die Spulen besser aufwickeln zu können, wird der Ankerkern zu einer Hauptpol- und einer Hilfspolgruppe unterteilt Beispielsweise wird die Hauptpolgruppe hergestellt, indem ausgestanzte Kernbieche zu einem Paket zusammengefügt werden, während die Hilfsgruppe aus einer Weichstahlscheibe mit abgebogenen ausgeprägten Hilfspolen hergestellt wird. In diesem Fall wird nach dem Wickeln der mehrphasigen Spulen auf die Füße der ausgeprägten Hilfspole die Hilfspolgruppe mechanisch und magnetisch mit der Hauptpolgruppe derart hergestellt, daß die Hilfspole in den PoHücken zwischen den Hauptpolen liegen.

Um die Momentwelligkeit zu verringern, ist erwünscht daß die Anzahl der Einschnitte größer als die oder gleich der Anzahl der PoHücken ist, so daß die Einschnitte schmaler und flacher werden können und die magnetischen Störungen an jedem Einschnitt geringer werden. Es ist weiterhin erwünscht um die Momentwelligkeit zu verringern, die gleiche Anzahl Einschnitte auf jedem ausgeprägten Hauptpol vorzusehen und jeden ausgeprägten Hauptpol magnetisch symmetrisch zu seiner Mittellinie auszuführen.

Die Synchronmaschine der Fig.6 läßt sich auch als Generator verwenden, der 3-phasige Wechselspannungen mit Wellenformen der F i g. 7b erzeugt, wenn er mit konstanter Winkelgeschwindigkeit angetrieben wird. Jeder der erzeugten Spannungen ist ebenfalls proportional dem Produkt der Winkelgeschwindigkeit mit der Ableitung des magnetischen Flusses, der durch jede der Phasenspulen verläuft. Es läßt sich also eine Gleichspannung mit geringer Welligkeit aus den 3-phasigen Wechselspannungen durch einfache Gleichrichtung mit drei Dioden mit untereinander verbundenen negativen Anschlüssen oder auch mit einem mechanischen Kommutator erhalten. Diese Gleichspannung wird oft als von der Winkelgeschwindigkeit abhängiges Signal abgenommen und zur Geschwindigkeitsregelung der Synchronmaschine ausgewertet.

F i g. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Synchronmaschine mit schleifengewickelten mehrphasigen Spulen. Ein magnetischer Erregerteil 32 sitzt auf der dem Ankerkern 33 zugewandten Innenfläche eines Magnetjochs 31 und hat permanentmagnetisierte, abwechselnd zu zwei Paaren angeordnete N- und S-PoIe, d. h. insgesamt vier Pole in einer Kreisanordnung, die um den Ankerkern 33 herum ein festes Magnetfeld aufbauen. Der Ankerkern 33 hat 12 ausgeprägte Pole 34a bis 34/. die zum Erregerteil 32 hin vorstehen. Die Hauptfläche jedes der ausgeprägten Pole 34a—34/, die dem Erregerteil 32 zugewandt ist, ist breiter als dessen Fuß, so daß die Ankerwicklung sich leicht aufwickeln läßt und der Ankerkern weiterhin den aus dem Erregerteil 32 austretenden Fluß wirkungsvoll aufnehmen kann. Die Ankerspulen 35ai bis 35c₄ sind in die PoHücken 36a bis 36/ /wischen jeweils zwei benachbarte der zwölf ausgeprägten dem Erregerteil 32 zugewandten Pole gewikkelt.

Jeder Hauptfläche der ausgeprägten Pole 34a—34/ weist einen Einschnitt 37a bis 37/ auf. An diesen Ein-

schnitten verbreitert sich der Spalt zwischen der Hauptfläche des Pols und dem Erregerteil 32. Die Einschnitte verlaufen dabei parallel zur Drehachse O senkrecht zur Zeichenebene und liegen etw2 am Halbpunkt von 30° des Winkels zwischen den Mittellinien der Pollücken beiderseits eines beliebigen ausgeprägten Pols. Die Pollucken 36a bis 36/und die Einschnitte 37a bis 37/liegen also unter gleichen oder fast gleichen Winkeln von 15° auf dem Außenumfang des Ankerkerns 33 dem Erregerteil 32 zugewandt verteilt Jeder der Einschnitte 37a bis 37/ hat magnetisch den gleichen bzw. fast den gleichen Effekt wie die Pollücken 36a bis 36/, obgleich die Einschnitte wesentlich flacher als die Pollücken sind.

Der Ankerkern 33 und der Erregerteil 32 drehen relativ zueinander um die Drehachse O. Einer von ihnen ist der Läufer, der andere der Ständer. Die Ankerspulen 35ai bis 35C₄ bilden 3-phasige Spulengruppen 35a/, 356/ und 35c/ (i = 1, 2,3,4). Arbeitet die Synchronmaschine der F i g. 8 als Motor, so wird ein kontinuierliches Antriebsmoment erhalten, indem über einen mechanischen oder elektronischen Kommutator entsprechend der Drehstellung des Erregerteils 32 relativ zum Ankerkern 33 gesteuerte 3-phasige Wechselströme auf die Spulengruppen 35a/, 356/, 35c/geschaltet werden.

Für die Synchronmaschine der F i g. 8 berechnen sich die Kennwerte für die dominante Grundzahl des Ruckmomentes wie folgt:

P	= 4
C	= 12
C	= 24
K	= CZC = 2
Q	= GGT(PX') = 4
R	= GGT(PZQ. K) =
G'	= PCVQ = 12
C	= (KZR)G' = 24

Da G das Doppelte von G' ist, verringert sich das Ruckmoment.

Was die Momcntwelligkeit der Synchronmaschine nach F i g. 8 anbetrifft, ist der effektive Winkel jeder vom Erregerteil 32 Fluß übernehmenden Wicklungsspule gleich oder fast gleich dem Winkel zwischen den Mittellinien von zwei Pollücken, in denen die Spule angeordnet ist, d. h. gleich dem einfachen Polwinkel von 90° des Erregerteils 32. Weiterhin wird mittels der Einschnitte der flache Teil des Magnetisierungsverlaufs des Erregerteils 32 bei annehmbar kleinem Ruckmoment breit genug. Die Synchronmaschine der F i g. 8 kann daher sowohl eine verringerte Momentwelligkeit als auch ein verringertes Ruckmoment haben und auch als Generator verwendet werden. Eine Gleichspannung mit reduzierter Welligkeit wrd erhalten, wie es für die Ausführungsform der Synchronmaschine nach Fig. 6 beschrieben wurde.

Die Fig.9 und 10 zeigen eine weitere Ausführungsform der Synchronmaschine mit abgebogenen ausgeprägten Polen. Dabei ist F i g. 9a eine Schnittdarstellung der Synchronmaschine mit den abgebogenen ausgeprägten Polen. In der Ansicht der F i g. 9b sind die Teile der Synchronmaschine entlang der Achse voneinander getrennt dargestellt, um ihre gegenseitige Zuordnung zu /.eigen.

Die Ankerelemente sind auf einer Grundplatte 41 angeordnet. Eiin Lagerträger 43 aus Weichstahl ist an der Mittclöffnung 42 befestigt und weist auf beiden Seiten die Ι.« ρ er 44.45 auf. die eine Läuferwelle 59 tragen. Der Lagerträger 43 dient auch zur Halterung einer Weichstahlscheibe «»6 mit zwei abgebogenen ausgeprägten Polen 46a, 466, die einem Permanentmagneten 57 zugewandt sind. Eine Mittelöffnung 47 der Scheibe 46 ist mit dem Durchmesser zu Lagerträger 43 passend ausgestaltet. Ein kurzer Hohlzylinder 48 aus Weichstahl stellt einen Verbindungskern 48 dar, der auf dem Lagerträger 43 auf der Rückseite der Scheibe 46 angeordnet ist. Der Verbindungskern 48 dient als Träger niedriger Reluktanz für eine Zyiinderspule 50, die auf einen Spulenkörper 49 gewickelt ist, und auch als Abstandshalter, der eine zweite Scheibe 51 von der ersten Scheibe 46 trennt. Die zweite Scheibe 51 hat zwei abgebogene ausgeprägte Pole 51a, 516, die zwischen den abgebogenen ausgeprägten Polen 46a, 466 der ersten Scheibe 46 Hegen, ohne sie zu berühren. Eine dritte Weichstahlscheibe

52 mit zwei abgebogenen ausgeprägten Polen 52a, 526 ist auf der der zweiten Scheibe 51 entgegengesetzten Seite am Lagerträger 43 befestigt. Ein weiterer Verbindungskern 53 aus Weichstahl und eine weitere auf einen anderen Spulenkörper 54 gewickelte zylindrische Spule 55 sind ebenfalls auf den Lagerträger 43 aufgesetzt. Eine vierte Weichstahlscheibe 56 mit zwei abgebogenen ausgeprägten Polen 56a, 566 ist auf dem Verbindungskern

53 gelagert. Die abgebogenen ausgeprägten Pole 56a, 566 befinden sich zwischen den abgebogenen ausgeprägten Polen 52a, 526 der dritten Scheibe 52, ohne sie zu berühren. Diese vier Scheiben 46, 51, 52 und 56 sind an der Grundplatte 41 festgelegt. Der Ankerkern besteht somit aus zwei identischen Grundbiocks, die axial geschichtet sind und jeweils aus zwei Weichstahlscheiben, einer magnetischen Verbindungseinrichtung zwischen den zwei Scheiben und mindestens einer zylindrischen, um die Drehachse gewickelten Spule bestehen.
Der zylindrische Permanentmagnet 57 ist auf der Innenfläche eines Magnetjochs 58 befestigt und befindet sich am Außenumfang des Ankerkerns. Das Magnetjoch 58 hat eine Welle 59, die in die Lager 45 und 44 eingesetzt ist, um relativ zum Ankerkern drehen zu können. Der Permanentmagnet 57 ist zu zwei Polpaaren aus abwechselnden N- und S-Polen, d.h. 4 Polen im Kreis magnetisiert, so daß um den Ankerkern ein festes Magnetfeld entsteht.

Fig. 10a und 10b sind abgewickelte Ansichten des Permanentmagneten 57 und der den magnetisierten Polen des Permanentmagneten zugewandten abgebogenen ausgeprägten Pole der vier Weichstahlscheiben 46, 51, 52 und 56. Die Stahlscheiben 46, 51, 52, 56 haben zwei abgebogene ausgeprägte Pole 46a, 466; 51a, 516; 52a, 526 und 56a, 566, die mit der Hauptfläche jeweils

so dem Permanentmagneten 57 zugewandt sind. Der wirksame Winkel jedes abgebogenen ausgeprägten Pols ist gleich oder fast gleich dem einfachen Polwinkel 90°. Die abgebogenen ausgeprägten Pole 46a bis 56a haben zwei Einschnitte 60c₍ bis 6Oc₄,6Od, bis 6Od₄,60e, bis 6Oe₄ und 60/Ί bis 6OZ₄, die jeweils an etwa den Vj-Punkten des wirksamen Winkels von 90° jedes abgebogenen ausgeprägten Pols liegen. Jeder der Einschnitte hat magnetisch die gleiche bzw. fast die gleiche Wirkung wie die Pollücken 60ai bis 6Oa₄ und 606, bis 606₄ zwischen jeweils zwei benachbarten abgebogenen ausgeprägten Polen, und diese Pollückenräume und Einschnitte sind unter einem Winkel von etwa 15° angeordnet.

Der durch die Spule 50 tretende Magnetfluß verläuft von Permanentmagneten 57 zu den abgebogenen Polen

b^r> 46;i. 466 der Weichstahlscheibe 46, während der durch die Spule 55 tretende Fluß zu den abgebogenen ausgeprägten Polen 56a, 566 der Weichstahlscheibc 5b verläuft. Der Fluß durch die Spule 50 ist gegenüber dem

17

Fluß in der Spule 55 um 45°, d. h-den halben Polwinkel verzögert. Arbeitet die Synchronmaschine als Motor, so wird ein kontinuierliches Antriebsmoment erhalten, indem den Spulen 50, 55 gesteuerter Erregungsstrom durch einen mechanischen oder elektronischen Kornmutator entsprechend der gegenseitigen Lage zwischen dem Permanentmagneten 57 und dem Ankerkern zugeführt wird.

Wie für das Ruckmoment der Synchronmaschine nach F i g. 9 lassen sich die für das Ruckmoment geltenden Einflußfaktoren hier wie folgt berechnen:

P	= 4
C	- 8
C	- 24
K	- ac - 3
Q	*- GGT(P₁C)* = 4**
R	*- GGT(PZQ, K)* = 1**
G'	*= PCVQ -* 8**
G	*= (KJR)G'* ■= 24**

15

20

G ist das Dreifache von G'und das Ruckmoment wird durch die Einschnitte verringert

Diese Synchronmaschine hat beim Einsatz als Motor auch eine reduzierte Momentwelligkeit, da der wirksame Winkel jedes abgebogenen ausgeprägten Pols, innerhalb dessen Fluß vom Permanentmagneten zu den Wicklungsspulen übertritt, gleich oder fast gleich dem einfachen Polwinkel von 90° des Permanentmagneten ist und der flache Teil des Magnetisierungsverlaufs des Permanentmagneten innerhalb eines annehmbar kleinen Ruckmomentes durch die Einschnitte verbreitert wird.

Da jede der Weichstahlscheiben 46,51,52 und 56 die gleiche Gestalt hat, lassen sie sich bei der Herstellung als ein Teil behandeln. Die Wirkung der Einschnitte hängt nicht von anderen Faktoren wie beispielsweise die Herstellung der ausgeprägten Pole, der Anordnung des Läufers (d. h. Innen- oder Außenläufer), dem Wicklungssinn und dergleichen ab. Die vorliegende Form der Einschnitte läßt sich ändern, sofern sie die gleiche magnetische Wirkung haben. Beispielsweise kann der Einschnitt 60c durch einen gradlinigen Schnitt von der Ober- zur Unterseite des abgebogenen ausgeprägten Pols ersetzt werden. Der effektive Winkel jedes abgebogenen ausgeprägten Pols kann gleich einem gradzahligen ganzzahligen Vielfachen des Feldwinkels des permanentmagnetischen Feldelements gemacht werden, indem die Polzahl des permanentmagnetischen Feldelements erhöht wird, um das Ruckmoment weiter zu ver- ringern.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

55

60

Claims

Patentatisprüche:

1. Synchronmaschine mit einem außenliegenden, permanentmagnetischen Erregerteil und einem mehrphasigen Anker mit ausgeprägten Polen, d a durch gekennzeichnet,

- daß in den Polschuhcn (4a: 46; Ac) Einschnitte (7S₁; 7a₂; 7f>,; Tb₂; 7c; Tc₂) derart vorgesehen sind, daß jeder von ihnen eine magnetische Wirkung aufweist die mit der einer jeden beabstandeter Pollücken (6a, 6b; 6c) vergleichbar ist,

- daß die Anzahl der Einschnitte {Tau Tar, Th, Tbr,

7'Ci, Tei) mindestens so groß wie die Anzahl der Pollücken (6a; 6b; 6c) ist, und

- daß die Einschnitte (Ta₁, Tar, 7b_u Tb₂; Tc_x, Tc₂) unter einem Winkel zu den entsprechenden Pollücken (6a; 6b; 6c) in den Polschuhen (4a; Ab; Ac) vorgesehen sind, der ungleich einem ganzzahligen Vielfachen der Polteilung (360/pf ist, wobei ρ die Anzahl der Pole des magnetischen Erregerteils (2) ist

fast gleich dem 5-fachen des einfachen Polwinkels des permanent-magnetischen Erregerteils (2) ist wobei 5 eine ungradzahlige ganze Zah! größer als oder gleich eins ist.

10. Elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß Haupi- und Hilfspole abwechselnd angeordnet sind.

11. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der dem pcrnianent-magnetischcn Erregcrteil (2) zugewandten Fläche jedes Hauptpoles dem Γ-fachen des einfachen Polwinkels des permanent-magnetischen Erregerteils (2) entspricht wobei T eine ungerade ganze Zahl ist