DE2243473A1 - Elektrische maschine, insbesondere gleichstrommotor - Google Patents

Description

R. 1 O 5 O

31.7.1972 Sa/Dr

Anlage zur
Patent- und
Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart 1

Elektrische Maschine, insbesondere Gleichstrommelor

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, insbesondere Gleichstrommotor, mit einem Eisenrückschlußring, in dem einander gegenüberliegend wenigstens zwei ringsegmentförmige Dauermagnete angeordnet sind, und einem in dem so gebildeten Magnetsystem umlaufenden bewickelten Anker mit einer geradzahligen Nutteilung.

Bei derartigen Motoren entstehen· bei umlaufenden Anker Leitwert- und Flußschwankungen von vorwiegend einfacher und doppelter Nutfrequenz im magnetischen Kreis, so daß mechanische Motorbauteile in Schwingungen versetzt werden, welche zu Betriebsgeräuschen führen. Um diese Geräusche in bestimmten Grenzen zu halten, hat man seither den Motoranker mit einer ungeraden Anzahl von Leiternuten versehen, bei der Flußschwankungen in ihrtr Amplitude kleiner gehalten werden, jedoch mit der doppelten Nutfrequenz auftreten. Bei einem solchen Anker kommen fast in jeder Phase der Ankerdrehung unter jedem der einander

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gegenüberliegenden Polen eine unterschiedliche Anzahl von Ankerzähnen zu liegen. Durch diese Maßnahme konnte zwar eine gewisse Senkung des Geräuschpegels erreicht werden, doch ein in jedem Fall befriedigendes Ergebnis war nicht zu erreichen, so daß zu weiteren mechanischen Maßnahmen, wie z. B. Schwingungsdämpfern gegriffen werden mußte. Der ungradzahlig genutete Anker ist darüberhinaus fertigungstechnisch ungünstig herzustellen. Er wird deshalb nur dann verwendet, wenn mechanische Maßnahnen zur Geräuschdämmung alleine nicht ausreichen um die Erfordernisse hinsichtlich des Betriebsgeräusches zu erfüllen.

Bei kostengünstiger herstellbaren geradzahlig genuteten Anker treten jedoch die Leitwert- und Flußschwankungen spiegelbildlich und somit gleichphasig unter jedem Pol auf, so daß sich die Schwankungen addieren, und dadurch besonders starke Flußpulsationen durch den gesamten magnetischen Kreis entstehen lassen. Um die bei einem Motor mit geradzahlig genutetem Anker besonders starken Betriebsgeräusche einzudämmen, hat man versucht durch einen cosinusförmigen Induktionaverlauf die magnetischen Kräfte zwischen Anker und Stator zu begrenzen. Dadurch konnte wohl auf kosten eines schlechteren Wirkungsgrades die Radialkomponente der Ankerkraft aufgehoben v/erden, nicht dagegen die Tangentialkomponente der Ankerkraft, die als Klebemoment den Ankeranlauf erschwert.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades sind verschiedene Maßnahmen, wie z. B. die Wahl einer großen PolUberdeckung, die Verwendung von hochremanentem Magnetwerkstoff, die Beschränkung des Luftspaltes auf das mechanisch noch erreichbare Minimum, möglichst geringe Sättigung der Eisenteile im magnetischen Kreis, möglichst streuungsarme Magnetsysteme und das Trennen des Rückschlußjoches über den Magnetpolen bekannt geworden. Dei Berücksichtigung aller dieser Erkenntnisse kann nach wirtschaftlichen

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Gesichtspunkten nur ein bestimmtes Wirküngsgradöptimüm erreicht werden, weil die einzelnen Faktoren teilweise wesentliche Kostensteigerungen erfordern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor der eingangs erwähhte.n Art zu schaffen, der sowohl magnetisch als auch elektrisch eine optimale Auslegung aufweist * so daß ein Minimum an Betriebsgeräuschen und im Setrieb ein möglichst großer Wirkungsgrad gewahrleistet ist, ohne daß dadurch erhöhte Fertigungskosten entstehen.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst j daß die Polüberdeckung ein ganze?ahlig· Vielfaches der geradzahligen Nutteilung beträgt und der Motor um den Faktor f = trrt? unterhalb

Α + Λ

•ji ■ Α + Λ

der Grenze .(z/ä»Pi<p)mäx., wo der Motor vom Motor- in den Generatorzustähd Übergeht j ausgelegt ist.

Dabei ist es wesentlich, daß die Polüberdecküng innerhalb einer Toleranz von +_ 20 % der Nutteilung liegt»

Im Hinblick auf die Minderung der Betriebsgeräüsehe des Motors ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß der Irtduktiönsverlauf an den Polkanten spiegelbildlich symmetrisch zum halben Maximalwert ausgebildet ist.

Zur weiteren Wirkungsgradsteigerung ist nach der Erfindung vorgesehen, daß die Sehnuhg der Wicklung zumindest annähernd gleich der Ankerpäkethöhe ist*

Wenn die Mötör'äusiegüng eine besonders große Pölüberdeckung er⁴-forderti kann es von Vorteil sein, wenn die Polüberdecküng aus einem Segmentenpäär von Permanentmagneten besteht*

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand von Prifiisipsskizisen

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und Verlaufsdiagrammen näher erläutert. Es zeigen:

Pig.	2
Fig.	3
Fig.	H
Fig.	5
Fig.	6
Fig.	7

Pig. la und Ib die beiden extremen Stellungen des Ankers in

Bezug auf die Feldpole bei willkürlich gevrählter Polüberdeckung,

einen cosinusförmigen Induktionsverlauf, wie er zur Geräuschminderung seither angestrebt worden ist,

einen Induktionsverlauf, wie er beim erfindungsgemäßen Motor gegeben ist,

den Induktionsverlauf nach Fig. 3j der an den Polkanten spiegelbildlich symmetrisch zum halben Maximalwert ausgebildet ist, die Abhängigkeit des Wirkungsgerades und der abgegebenen Leistung vom Motordrehmoment, den Drehzahl- und Stromverlauf in Abhängigkeit vom Motordrehmoment,

den Verlauf des Wirkungsgradmaximums und den Verlauf des optimalen z/a.p.J-Wertes in Abhängigkeit vom Verlustfaktor.

In den meisten Fällen können bei den bekannten Motoren bei willkürlicher Wahl der Nutzahl und der Polteilung zwei Ankerstellungen gefunden werden, bei denen der magnetische Leitwert zwischen Erregerpol und Anker ein Maximum und ein Minimum annimmt (Fig. la und Ib). In diesen beiden Figuren sind schematisch die beiden Ankerstellungen für die Leitwertextreme dargestellt; man erkennt, daß bei Vernachlässigung des Stirnfeldes im Falle nach der Fig. la der Leitwert durch drei Ankerzähne, im Falle wie in Fig. Ib dargestellt durch zwei Ankerzähne bestimmt ist. Bei Drehung des Ankers werden also Flußschwankungen unter dem Pol auftreten, die zu einer wechselseitigen Kräftebeanspruchung zwischen Pol und Anker führen und Kraftkomponenten in radialer und tangentialer Richtung liefern.

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Bei einer rein cosinusförmigen Induktionsverteilung, wie sie seither zur Geräuschverminderung benutzt wurde, und wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, beträgt die Polüberdeckung

cos«. α_Λ-< / _ JL

Demnach ist es also nicht möglich eine Nutteilung zu finden, die sowohl in der Zahl zwei als auch in dem Ankerumfang 2TT ganzzahlig enthalten ist.

Um die Polüberdeckung ρ i, zu erreichen, bei der die Polkräfte verschwinden, muß der cosinusförmige Induktionsverlauf entweder abgeflacht oder ausgeweitet werden (Fig.2). Dabei zeigb es sich, daß bei cosinusförmigern Induktionsverlauf die Radialkräfte nur bei geraden Nutzahlen verschwinden. Die Tangentialkräfte wirken sich als Klebemoment aus, erschweren häufig bei den kleineren Motoren den Anlauf und führen zu einem unruhigen Motorlauf.

Für den erfindungsgemäßen Motor, bei dem die Polüberdeckung ein ganzzahlig Vielfaches der geradzahligen Nutteilung beträgt, ist der Induktionsverlauf in Fig. 3 dargestellt. Gemäß dieser Darstellung ist die Forderung der ganzzahligen Nutteilung als Polüberdeckung erfüllt und ein Ausgleich der Radialkomponenten herbeigeführt. Trotzdem werden sich bei derartigem ausgelegten Motoren noch Klebemomente bemerkbar machen. Erst ein Induktionsverlauf nach Fig. ¹J, bei dem der Abstand des halben Maximalwertes der Induktion auch in einem ganzzahlig Vielfachen zur Nutteilung steht, können auch die Tangentialkomponenten zum Verschwinden gebracht werden. Die Ausgestaltung der Polkanten könnte beispielsweise experimentell erfolgen. In den Fig. 3 und 4 ^! sind die Ankerzähne ebenfalls mit den Bezugszeichen 10 versehen

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und die Strecke jJi entspricht den jeweiligen Polüberdeckungen. Wenn der Motor in seinem Grundaufbau (Nutzahl, Polüberdeckung, Induktionsverlauf im Luftspalt) wie in Fig. Ί dargestellt und beschrieben, dimensioniert ist, ist die Gewähr gegeben, daß ein Minimum an magnetischen Geräuschen, Klebemomenten und Vibrationen im Betrieb des Motors auftreten.

Bei einer elektrisch günstigeren Auslegung i3t auch darauf zu achten, daß es bei zunehmendem Drehmoment eine Momentengröße der Motoren gibt, bei der die Auslegung des Gleichstrommotors nur noch nach thermischen und nicht mehr nach magnetischen Gesichtspunkten zu erfolgen hat.

Aus den beiden Abhängigkeiten des Wirkungsgrades und der abgegebenen Leistung vom Motormoment können, wie in Fig. 5 gezeigt ist, diese unterschiedlichen Auslegungsrichtlinien weiter verdeutlicht werden. Es zeigt sich dabei, daß das Maximum des WirKungsgrades (Punkt I) nicht mit dem Maximum der abgegebenen Leistung (Punkt II) zusammenfällt, d. h. wenn der Motor im Wirkungsgradmaximum (Hi') arbeitet, wäre dieser Motor für Ml auszulegen und würde die Leistung P₂I abgeben.

Rein der magnetischen Voraussetzung nach wäre aber dieses Motorvolumen imstande, wenn man den Motor für das Leiatungsmaximum dimensionieren würde (Punkt II), die Leistung PpII abzugeben. Der Wirkungsgrad ^ H wäre aber auch in diesem Betriebspunkt sehr niedrig und die Verluste groß. Aufgrund der Abhängigkeit der Verlustleistung und der effektiven Kühlfläche von den Ankerabmessungen wird man gerade bei kleineren Motoren, wenn die wirtschaftliche Seite im Vordergrund steht, den Punkt II anstatt P₃I anstreben. Von einer bestimmten Motorgröße an fällt das thermisch vertretbare Leistungsmaximum ins Wirkungsgradmaximum und entspricht demnach

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auch dem wirtschaftlichen Optimum. Anhand der Strom- und Drehzahlkennlinien I = f(M) und η = f(M), die die wesentlichen Kennlinien für die Motordimensionierungen liefern,.lassen sich Optimierungsdiagramme aufbauen.

Die Strom- und·Drehzahlabhängigkeit läßt sich wie folgt wiedergeben:

¹ ~ T~ C^U"^{2 U}B~ i»⁶⁶·¹⁰"² ' z/a · ρ' J * n) (I)-

n. = ⁶⁰ <^U -²V : 3,77 · R_A . _M z/a .p · § (z/a*p«$)²

Dabei ist I und (A), R in (Jß. ), ü„ in V, φ in Wb, η in U/min,

M in cmN einzusetzen.

R. = Ankerwiderstand, U_R = Bürstenspannungsabfall an einer Bürste

Es ergibt sich also ein gewisser z/a . ρ . ^T-Wert, der bei einem bestimmten R. und U_D verwirklicht werden muß, wenn bestimmte Anforderungen an'Moment .und Drehzahl gestellt werden (Gleichung 1).

Aus Gleichung (2) ist ersichtlich, daß die Punktion

M = f (z/a . ρ . <$ ) eine Parabel darstellt, die ein Maximum und zwei Nulldurchgänge aufweist.

Ausgehend .von geradlinigen Verlauf der Drehzahl- und Stromabhängigkeit vom Moment und von der Konstanz der Verluste über dem Drehzahlbereich lassen sich bei Permanentmagnetmotoren Drehzahl und Strom aus den Kurzschlußwerten

Mj, = Kurzschlußmoment
• I„ = Kurzschlußstrom
und Leerlaufwerten A098i1/fißQ7

n_t = Leerlaufdrehzahl I_T = Leerlaufstrom

Ij

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des Motors darstellen (Bild 6). Entsprechend dem Verlauf nach Fig. 6 gilt:

η = n_L (1 - M/_MK) (3)

Die vom Motor aufgenommene Leistung wird

P. = U.I= U (J + *K ¹L . M)

1 L js

Die an de.r Motorwelle zur Verfügung stehende Leistung ist _p M.n ⁿL· ⁽¹ - ^M/MK> . M (6)

Der Wirkungsgrad wird

P₁ 958 U (I₁. + ¹K " ¹L . M)

i. Jj -j "

^MK

Das Moment M , , bei dem der Wirkungsgrad sein Maximum erreicht,

OpT/

ergibt sich, wenn Gleichung (7) nach M differenziert, gleich Null gesetzt und nach M aufgelöst wird.

^MK Man erhält M λ

opt

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Der maximale Wirkungsgrad in diesem Punkt wird ' ' ⁿL · ^M

958-U-Il

"ll

Die Leerlauf- und Kurzschlußxverte ergeben sich aus .Gleichung (1) und (2) mit M = M (Verlustmoment) und η = O

15,9 (U-2U ) · z/a · ρ · _x ... „ ._fim

^RA
U - 2 U_n

i_K = ——a _; (id

^RA

_T _ 6,28 · 10"² . ' (Ao\

■ L ' = . M ^Kld)

z/a · ρ · J"

= ⁶⁰ * ^(U - ^{2 U}B^} _s 3,77 » R_{A t M}^ z/a · ρ · $ (z/a · ρ · ^)²

Das Nennmoment M„ bei Nenndrehzahl η wird "

η η

15,9 (U - 2 U_B). z/a·?·} 26 ,i}-10"²(z/a-P-^)²-n_n ^RA ^RA

Aus den Gleichungen (8), (10), (11) und (12) läßt sich ein

bestimmter Ankerwiderstand R_A . herleiten, v;enn das theoretisch

A opt '

maximale Moment mit dem Nennmoment.zusammenfallen soll.

Es ist R. , - b + ^b²-c ' (15)

^A °P^fe - 1 A0981 1/0697

- ίο -

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Stuttgartä

15,9 (U-2 U_B) · z/a-p-J worin b = . {1 +

R. * ° ^ΰ ° Sa/Dr

^Mn ^{+ M}v

M„ (M.

—)

(16)

n ■ "ν

253 (U-2 U_R)² · (z/a-p-f)²

und c s. - 5 ist.

(M_{n +} M_v)²

(17)

Führt man als Abkürzung

k s ~Z— ein. so erhält man "einen Wert für den Ankerwiderstand ^Mn

R. _ODfc» ^der aber auch den Zusammenhang nach Gleichung

befriedigen muß, damit der Motor bei Nennmoment seine Nenndrehzahl

behält.

Aus Gleich 14 wird die Bedingungsgleichung

15,9 (U-2 U ).z/_a.p.J ⁼

M_n (i ₊ K)

(18)

Aus der Bedingungsgleichung erhält man schließlich den Ausdruck

(z/a.P$/max 1 + K

(19)

Mit zunehmenden drehzahlabhangigen Verlusten muß der Motor immer weiter vom zweiten Nulldurchgang der Momentparabel entfernt ausgelegt und betrieben werden.
Der optimale Ankerwiderstand in diesem Punkt wird dann

15,9 (U-2 U_B)-z/a-p.J K_

A opt

und der maximal erreichbare Wirkungsgrad wird

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^U - ^{2 U}

(20)

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Stuttgart λλ

Bild 7 zeigt das Verhältnis nach Gleichung (19) und das V/irkungsgradmaximum nach Gleichung (21) in Abhängigkeit vom Verlustfaktor k.

Damit ist erwiesen, daß ein Motor,· wenn er in seinem Wirkungs gradmaximum betrieben werden soll, mit einem optimalen'

z/a · ρ ·. J -Wert
ausgelegt werden muß* der um den Faktor

1

.1+K

vom zweiten Nulldurchgang der Momentenparabel (z/a · ρ · ^)max

Maximum entfernt ist. Besitzt z.B. ein Motor ein drehzahlabhängiges Verlust moment von 20 % des Nennmomentes (k = 0.2) so muß er etwa 17 % unterhalb des zweiten NuI!durchgangs des Momentenparabel ausgelegt werden. Vergleiche dazu Linie 15 in Fig. 7. '

Anhand dieser vorstehenden.Erläuterungen ist es also möglich, mit einem Minimum an Stoffeinsatz eine geräusch- und vibrationsarme Gestaltung des magnetis-chen Kreises bei maximalem Wirkungsgrad den Betriebspunkt zu erreichen.

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Claims (2)

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Ansprüche

Γ1.)Elektrische Maschine, insbesondere Gleichstrommotor mit einem Eisenrückschlußring in dem einander gegenüberliegend wenigstens zwei ringsegmeritförmige Dauermagnete angeordnet sind und einem in dem so gebildeten Magnetsystem umlaufenden bewickelten Anker, dadurch gekennzeichnet, daß die Polüberdeckung ein ganzzahlig Vielfaches der geradzahligen"Nutteilung beträgt und der Motor um den Faktor f = t—jt unterhalb der Grenze (z/a.b·J), wo der Motor vom Motor - in den Generatorzustand übergeht, ausgelegt ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polüberdeckung innerhalb einer Toleranz von +^ 20 Jt der Nutteilung liegt.

3· Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktionsverlauf an den Polkanten spiegelbildlich symmetrisch zum halben Maximalwert ausgebildet ist.

**· Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sehnung der Wicklung zumindest annähernd gleich der Ankerpakethöhe ist.

5· Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis ^, dadurch gekennzeichnet, daß die Polüberdeckung aus einem Segmentenpaar von Permanentmagneten besteht.

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