Drehfeldmotor mit asynchronem Anlauf und synchronem Lauf. In der letzten Zeit sind legierte Magnet stähle mit hoher Remanenz und Koerzitiv- kraft hergestellt worden. Diese Stähle sind als sogenannte ausscheidungsgehärtete Mag netstähle bekannt. Als für die hohe Güte des Magnetstahls wesentlicher Legierungs zusatz wird dabei zum Beispiel Aluminium oder Titan verwendet. Durch die Entwick lung dieser Stähle ist es möglich geworden, elektrische Generatoren mit permanentem Magnetfeld herzustellen, so dass man die elektrische Erregerleistung erspart.
Gemäss der Erfindung sollen derartige Permanentmagnetstähle, die eine Koerzitiv- kraft von mindestens 60 Oerstedt besitzen, für den Läufer von Drehfeldmotoren, dem eine Mehrphasenspannung zugeführt wird, und die mit asynchronem Anlauf und syn chronem Lauf arbeiten, verwendet worden. Diese hohe Koerzitivkraft des permanenten Magnetstahls bewirkt eine mindestens teil weise hompensierung des Magnetisierungs stromes des Motors. Ein derartiger Motor muss betriebsmässig anlaufen.
Dabei bewegt sich das von der Ständerwicklung ausgehende Drehfeld unter halb der synchronen Geschwindigkeit, also vom Stillstand während der ganzen Hoch laufperiode über den Permanentmagnetläufer hinweg und magnetisiert ihn daher dauernd um. Dadurch wird der ursprünglich etwa vorhandene remanente Magnetismus zerstört.
Abb. 1 der Zeichnung zeigt beispiels weise einen derartigen Motor, bei dem der Läufer aus Magnetstahl mit hoher Remanenz und erheblicher Koerzitivkraft hergestellt ist. Der Läufer ist als einfache zylindrische Trommel dargestellt, an deren Umfang sich die magnetischen Pole ausbilden; Abb. \? stellt eine Reihe von magnetischen Charak teristiken dieses Läufers dar.
Da man beim Anlauf im allgemeinen zunächst eine mässige und erst später bei vollem Lauf eine hohe Feldstärke im Hauptmagnetfeld erreicht, so werden diese Charakteristiken von innen nach aussen fortlaufend durchschritten. Nach Beendigung des Anlaufes fällt der Motor in die Synchrondrehzahl, da die Läu ferpole eben wegen der permanentmagneti schen Eigenschaften seines Eisens eine Ten denz besitzen, an ihrem Platze zu verharren und nicht gegenüber' dem Läufer zu schlüp fen. Ist die Luftspaltfeldstärke oder seine EMg. nach beendetem Anlauf bis zum 'Werte E angestiegen, so arbeitet der Motor mit seinen Polen magnetisch auf dem Punkte P.
Er erfordert hierbei einen Magnetisie- rungsstrom i", der vom Ständer aus dem Netz gedeckt werden muss. Trotz Anwen dung beliebig guten Magnetstahles ist also der Magnetisierungsstrom des Motors nur teilweise kompensiert. Erniedrigt man nun aber die Arbeitsspannung des Motors bis zum Werte E', der dem Durchtritt des ab steigenden Astes der magnetischen Charak teristik von P ab durch den Nullwert des Stromes entspricht, so bleibt durch die Wir kung des permanenten Magnetstahles im Läufer ein Remanenzfeld erhalten, das die Spannung E' induziert.
Der Motor kann da her bei dieser Spannung mit kompensiertem Magnetisierungsstrom arbeiten und erfordert keine weitere Zufuhr desselben aus dem Netze. Erniedrigt man die Spannung noch weiter, etwa bis zum Betrage E", so gibt der Motor sogar Magnetisierungsstrom von der Stärke i"A an das Netz ab und kann dadurch zum Beispiel die Wirkung seiner eigenen magnetischen Streufelder mitkompensieren. Wünscht man jedoch, dass der Motor dauernd mit der Spannung E arbeiten soll, so wird man ihn nach diesen Erläuterungen nach er folgtem Anlauf zunächst mit einer beträcht lich höheren Spannung E" magnetisieren,
so dass er bei Rückkehr auf den Arbeitswert E keinen äussern Magnetisierungsstrom mehr benötigt.
Es ergibt sich aus diesen Gesichtspunk ten als Regel für den Betrieb eines durch Permanentmagnete kompensierten Drehfeld- mbtors, dass man ihn zunächst um ein solches Mass übermagnetisieren soll, dass sein Feld bei der gewünschten Betriebsspannung bis auf den Remanenzwert oder in dessen Nähe fallen kann. Diese Übermagnetisierung ist durch Anzapfungen der Motorwicklung oder des speisenden Transformators, durch Stern dreieckschaltung oder ähnliche Schaltkombi nation am Ende des Anlaufprozesses leicht zu erreichen.
Ein gewisses Mass von -Über magnetisierung tritt auch ein, wenn man den Motor zunächst leer anlaufen lässt und ihn alsdann belastet, denn im Leerlauf wirkt die volle Netzspannung feldbilden im Läufer, während mit zunehmender Belastung die Spannungsabfälle durch Streuung und Wi derstand von der Netzspannung in Abzug kommen, so dass die Luftfeldstärke sinkt.
Sollte der Motor während seines Laufes durch mechanische Erschütterungen einen Teil seiner Remanentfeldstärke verlieren, so genügt es, ihn kurzzeitig wieder auf die höhere Feldstärke zu erregen und alsdann auf die Remanenz zurückfallen zu lassen.
Um derartige Motoren mit permanentem Magnetstahl im Läufer anlaufen zu lassen, kann man sie mit der üblichen Schleifring- oder Kurzschlusswicklung versehen. Man kann sie auch mit einer Wicklung ausrüsten, die durch Wirbelströme oder Stromverdrän gung verbesserte Anlaufverhältnisse ergibt. Da man im allgemeinen einen zylindrischen oder hohlzylindrischen Magnetläufer ver wenden wird, so genügt es manchmal, diese massive Trommel mit einem dünnen Kupfer belag zu versehen, der beim Synchronlauf gleichzeitig als Dämpfer etwaiger Schwan kungen wirken kann.
Ob es zweckmässiger ist, den Läuferstahl mit hoher Koerzitivkraft und mässiger Re manenz oder mit hoher Remanenz und mässi ger fioerzitivkraft oder aber mit hoher Re manenz und hoher Koerzitivkraft zu ver sehen, richtet sich einerseits nach dem Ver hältnis von Luftspalt zu Polteilung des Mo tors, da hiervon die entmagnetisierende Wir kung auf den Permanentstahl abhängt, und anderseits nach den Preisverhältnissen die ser Materialien, so dass man für Motoren grosser oder kleiner Leistung,
hoher oder niedriger Drehzahl<B>*</B> mit ihren unterschied lichen Verhältnissen von Luftspalt und Pol- teilung jeweils das technisch geeignetste und wirtschaftlich zweckmässigste Material aus wählen muss. Ist der Luftspalt des Motors relativ gross und die Polteilung relativ klein, dann bedarf es einer hohen Koerzitivkraft des Magnetstahles, um noch eine genügende Luftinduktion aufrecht zu erhalten.
Man wird dann also einen Stahl mit hoher Koerzi- tivkraft und entsprechend geringerer Rema- nenz wählen. Man- kann das Material hin sichtlich Remanenz und Koerzitivkraft am besten nach den folgenden Gesichtspunkten auswählen.
Nennt man die Polteilung des Motors z und den Luftspalt zwischen Stän der und Läufer unter Einschluss der magne tischen Widerstände der Zähne und des Schlussjoches 8, so ergibt das magnetische Grundgesetz für eine Polteilung des Motors, die in Fig. 3 herausgezeichnet ist, als Linien integral der magnetischen Kräfte
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Darin ist die linke Seite durch die Luft induktion B bedingt, die sinusartig über den Umfang verlaufend angenommen ist, und die rechte Seite wird durch die treibende Feldstärke H verursacht, die im Läufer ebenfalls sinusförmig verteilt angenommen ist,
so dass nur ihr Mittelwert entsprechend dem Faktor 2/n zur Wirkung kommt. B und H stellen also die zusammengehörigen maximalen Luftinduktionen und maximalen biagnetstahlfeldstärken dar, die im Läufer auftreten. Bei anderer räumlicher Gestal tung des Permanentmagnetläufers ändert sich der Zahlenfaktor ein wenig. Zu jeder gewünschten Luftinduktion ergibt sich aus G1. (1) die erforderliche Feldstärke
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In Fig. 4 sind nun für drei verschiedene Magnetstähle die Magnetisierungskennlinien eingetragen.
Der Stahl I besitzt zum Bei spiel eine Remanenz von 10 000 Gauss und eine Koerzitivkraft von 60 Oerstedt, Stahl II besitzt eine Remanenz von 8000 Gauss- und eine Koerzitivkraft von 190 Oerstedt- und Stahl III eine Remanenz von 6000 Gauss und eine Koerzitivkraft von 450 Oerstedt. Will man einen Motor bauen mit dem gro ssen Luftspalt von 1,5 mm bei einer Polt6i- lung von 10 cm,
so ist der Zusammenhang von H und b nach G1. (2)
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Dies ist als Linie A gestrichelt in Fig. 4 eingetragen. Man sieht, dass man hierfür am zweckmässigsten den Magnetstahl IH ver wendet, der eine Luftinduktion von 4200 zu erreichen gestattet. Besitzt der Motor jedoch nur 0,3 mm Luftspalt bei 10 cm Polteilung, so erhält man
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Dies liefert die gestrichelte Linie B.
Hier bei erreicht man die höchste Induktion von <B>6100</B> im Motor durch Verwendung des-Mag- netstahles II, während die andern Stähle eine geringere Luftinduktion ergeben wür den. Besitzt der Motor schliesslich bei 0,3 mm Luftspalt eine Polteilung von 45 cm, so ist
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und die gestrichelte Linie C zeigt, dass man nunmehr am günstigsten mit dem Magnet material I arbeitet, das eine Luftinduktion von 8300 Gauss erzielen lässt.
Da die Mate rialien mit hoher Koerzitivkraft im allge meinen teurer sind als die mit hoher Rema- nenz, so ist es zweckmässig, derartige Mo toren mit möglichst kleinem Luftspalt zwi schen Ständer und Läufer herzustellen, und dies ist wieder zulässig, weil man im all gemeinen eine massive geschliffene Läufer fläche verwenden wird, die leicht zum sau beren und zentrischen Rundlaufen zu brin gen ist.
Man kann die Überlegungen für dieses Auswahlprinzip formelmässig darstellen. Be zeichnet man mit R die Remanenz und mit K die Koerzitivkraft, so ist die Charakte- ristik des Permanentmagnetmaterials nach Abb. 4
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Dabei würde das Gleichheitszeichen für eine geradlinig absinkende Kennlinie gelten, im allgemeinen ist die Kennlinie jedoch nach oben gekrümmt.
Setzt man hierin die Feld stärke H nach G1. (2) für den Motor ein, so erhält man
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Daraus sieht man, dass es zur Erzielung einer hohen Luftinduktion B im Motor darauf an kommt, bei an sich möglichst hoher Rema- nenz das zweite Glied des Nenners der G1. (7) möglichst klein zu machen.
Im all gemeinen wird man eine günstige Ausnut zung des Magnetstahles erreichen, wenn man das Produkt von
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ausführt: Bei nicht rein zylindrischer Ge staltung des Magnetkörpers tritt darin statt der Zahl n ein anderer Zahlenfaktor auf. Stets besteht dieses Produkt jedoch aus den beiden Faktoren: Äquivalenter Luftspalt im Verhältnis zur äquivalenten Magnetlänge und Remanenz im Verhältnis zur Koerzitiv- kraft.
Wählt man. die Verhältnisse gemäss der Bemessungsgleichung (8), entweder durch Auswahl geeigneten Magnetmaterials oder durch Ausführung eines kleinen Luftspaltes oder durch Aufbau des Motors mit grosser Pölteilung, so wird das im Motor auftretende Remanenzfeld stets grösser als die $älfte der magnetischen Remaneriz des Peimanent- stahlmaterials.
Da alle diese Materialien eine relativ grosse Hysteresisfläche haben, so ist das 11y- steresis-Drehmoment derartiger Motoren recht beträchtlich. Es unterstützt und be- schleunigt den Anlauf sehr erheblich und bewirkt beim vollen Lauf ein Festhalten der Pole in ihrer einmal erhaltenen Lage.
Zur Unterstützung dieses Festhaltens kann es zweckmässig sein, den permanentmagneti schen Läufer mit ausgeprägten Polstücken zu versehen, da dann das Reaktionsmoment zu diesen Festhaltekräften hinzukommt, das durch den Unterschied der magnetischen Leitfähigkeit der Polstücke und der Pol lücken hervorgerufen wird. Der Läufer des Drehfeldmotors kann auch aus einzelnen Ble chen, die aus Permanentmagnetstahl be stehen, zusammengesetzt sein.
Natürlich kann man derartige Motoren mit allen nützlichen Anlauf- und Betriebs vorkehrungen ausrüsten, wie sie für gewöhn liche Synchron- und Asynchron-Drehfeld- motoren üblich sind. Beispielsweise kann man sie einphasig betreiben, indem man durch Kunstschaltungen ein Mehrphasen magnetfeld erzeugt.