CH663299A5

CH663299A5 - Selbstanlaufender zweipoliger einphasensynchronmotor.

Info

Publication number: CH663299A5
Application number: CH3098/82A
Authority: CH
Inventors: Leo Bertram; Romuald Leander Bukoschek
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1981-05-21
Filing date: 1982-05-18
Publication date: 1987-11-30
Also published as: CA1169462A; ES8304380A1; JPS57199463A; DE3215376A1; SE8203100L; ES512332A0; FR2506534A1; AU550417B2; HK2486A; AU8387982A; KR890000029B1; GB2099234A; ATA228681A; JPH02103770U; DE3215376C2; AT373743B; IT8221328A0; IT1151760B; FR2506534B1; GB2099234B

Description

Die Erfindung betrifft einen selbstanlaufenden zweipoligen Einphasensynchronmotor mit dauermagnetischem Läufer, der durch diametrale Magnetisierung an seiner Umfangsfläche zwei einander gegenüberliegende Polflächen aufweist und der zwischen zwei Schenkeln eines mit einer Erregerwicklung versehenen Stators angeordnet ist, wobei die Enden dieser Schenkel unter Bildung je eines Luftspaltes den Läufer teilweise bogenförmig umschliessen. An einen solchen Motor, wie er beispielsweise dem Prinzip nach in der DE-AS 1 488 270 angegeben ist, werden die Anforderungen gestellt, dass er in der Lage ist, bei gutem Wirkungsgrad eine möglichst hohe Leistung abzugeben, wobei gewährleistet sein muss, dass der Läufer mit Sicherheit aus seiner Ruhelage heraus anläuft. Für ein solches sicheres Anlaufen ist es erforderlich, dass die betreffende Ruhelage des Läufers von den Lagen des Läufers, in welchen das Antriebsmoment den Wert Null durchläuft, winkelmässig abweicht. Diese Lagen des Läufers, in welchen das Antriebsmoment den Wert Null durchläuft, liegen dann vor, wenn sein Magnetfeld quer zu den Schenkeln des Stators gerichtet ist, wobei es entsprechend der diametralen Magnetisierung zwei um 180° gegeneinander versetzte derartige Lagen für den Läufer gibt, die aber einander vollkommen gleichwertig sind, weil sie sich nur durch die Orientierung des Magnetfeldes voneinander unterscheiden. Demgemäss weist ein solcher Läufer auch zwei um 180° gegeneinander versetzte Ruhelagen auf, die ebenfalls einander vollkommen gleichwertig sind. Eine solche winkelmässige Abweichung der Ruhelagen des Läufers von den Lagen, in welchen das Antriebsmoment den Wert Null durchläuft, wird in bekannter Weise durch eine solche Formgebung der Enden der Schenkel des Stators erreicht, dass ungleichmässige Luftspalte gegenüber dem Läufer gebildet werden, wozu beispielsweise an den Enden der Schenkel asymmetrisch winkelversetzt vorspringende Ansätze vorgesehen sein können. Auf diese Weise entsteht im Zusammenhang mit dem magnetischen Feld des Läufers ein sogenanntes Klebemoment, welches bewirkt, dass beim Abschalten des Motors vom Wechselstromnetz der Läufer mit Sicherheit in eine der beiden gewünschten Ruhelagen übergeht und nicht in einer von den beiden Lagen stehenbleibt, in welchen das Antriebsmoment den Wert Null durchläuft, so dass er dann nicht mehr von selbst anlaufen könnte. Um die vorstehend angeführten Anforderungen zu erreichen, werden die Läufer solcher selbstanlaufender zweipoliger Einphasensynchron-motore, die beispielsweise bei Haushaltsgeräten, wie Zitrus-pressen und dgl., verwendet werden, aus gesinterten anisotropen Magnetmaterialien mit hoher remanenter Induktion hergestellt, da der Betrag dieser Induktion sowohl für die abgegebene Leistung als auch das erzielbare Klebemoment massgebend ist. Solche gesinterte anisotrope Magnetmaterialien haben jedoch den Nachteil dass sie sich beim Sintern relativ stark verziehen, so dass mit ihnen hergestellte Läufer einer Nachbearbeitung unterzogen werden müssen, die relativ teure Schleifvorgänge notwendig macht, da diese Materialien sehr hart sind. Damit sind solche Synchronmotore aber relativ teuer, was ihre Verwendung, insbesondere für Massenartikel, ungünstig beein-flusst.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, einen selbstanlaufenden zweipoligen Einphasensynchronmotor der eingangs angeführten Gattung so auszubilden, dass sich seine Herstellung einfach und preisgünstig gestaltet und trotzdem die an ihn gestellten Anforderungen hinsichtlich möglichst hoher Leistungsabgabe und einem sicheren Anlaufverhalten gewährleistet sind. Die Erfindung weist hierzu das Kennzeichen auf, dass der Läufer aus einem kunststoffgebundenen anisotropen Magnetmaterial besteht und dass die beiden einander gegenüberliegenden Polflächen je auf einen von der Achse des Läufers ausgehenden Winkelbereich der Umfangsfläche des Läufers von weniger als 90° beschränkt sind. Die Erfindung geht hiebei zum ersten von der Erkenntnis aus, dass kunststoffgebundene anisotrope Magnetmaterialien sich relativ einfach masshaltig verarbeiten lassen und hiebei keine Neigung zu einem Verziehen zeigen, so dass die mit ihnen hergestellten Produkte hinsichtlich ihrer gewünschten Abmessungen von Aus aus relativ genau sind und daher keine Nachbearbeitung notwendig ist, wodurch die Herstellungskosten relativ gering sind. Zufolge des zur Bindung dienenden Kunststoffanteiles sinkt aber der Anteil an anisotropem Magnetmaterial, was mit sich bringt, dass soche Läufer an sich eine geringere remanente Induktion und damit insbesondere ein schlechteres Anlaufverhalten haben. Dieser Nachteil wird gemäss der Erfindung zum zweiten dadurch behoben, dass nunmehr die beiden einander gegenüberliegenden Polflächen des Läufers je auf einen von der Achse desselben ausgehenden Winkelbereich seiner Umfangsfläche von weniger als 90° beschränkt sind. Auf diese Weise entstehen bei der diametralen Magnetisierung ausgeprägte Magnetpole mit einer Feldbündelung an den Polflächen, wodurch das Klebemoment erhöht wird, so dass wieder definierte Ruhelagen für den Läufer erreicht werden, die ein sicheres Anlaufen gewährleisten.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass selbstanlaufende Ein-phasensynchronmotore mit eine Vielzahl von Polpaaren aufweisenden Läufern, wobei deren einander gegenüberliegende Polflächen eines Polpaares dann je auf einen von der Achse des Läufers ausgehenden relativ kleinen Winkelbereich der Umfangsfläche des Läufers beschränkt sind, bereits bekannt sind, wie beispielsweise die US-PS 4 214 181 zeigt. Solche Läufer mit einer Vielzahl von Polpaaren und damit auch Magnetisierungsrichtungen lassen sich aber nur aus isotropem Magnetmaterial herstellen, welches wesentlich schlechtere remanente Induktionswerte als ein anisotropes Magnetmaterial, das sich nur in einer diametralen Richtung magnetisieren lässt, aufweist, so dass Synchronmotore mit solchen Läufern nur geringere Leistungen abzugeben in der Lage sind. Wie ersichtlich, gehören solche Synchronmotore vom Aufbau her einer anderen Gattung an, als der eingangs angeführten Gattung, welche der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt. Es ist natürlich auch zu erwähnen, dass kunststoffgebundene anisotrope Magnetmaterialien zur Herstellung von Magneten an sich bekannt sind.

In der Praxis hat sich gezeigt, dass es bei einem erfingungs-gemässen Synchronmotor besonders verteilhaft ist, wenn der Winkelbereich in der Grössenordnung von 65° gewählt ist. Hierdurch wird bei guter Leistungsabgabe ein sehr günstiges Anlaufverhalten erreicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, auf welches sie jedoch nicht beschränkt sein soll, näher erläutert. Fig. 1 zeigt in Draufsicht einen selbstanlaufenden zweipoligen Einphasensynchronmotor. In Fig. 2 ist in vergrössertem Massstab der Rotor des Synchronmotors nach Fig. 1 dargestellt, wobei schematisch der Verlauf der Magnetisierung des Rotors

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angegeben ist. Fig. 3 zeigt in einem Längsschnitt ein Werkzeug zur Herstellung eines Rotors nach Fig 2. In Fig. 4 ist das Werkzeug nach Fig. 3 im Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3 dargestellt.

In Fig. 1 ist mit 1 ein selbstanlaufender zweipoliger Einphasensynchronmotor bezeichnet, der einen mit einer aus zwei Spulenhälften 2 und 3 bestehenden Erregerwicklung versehenen Stator 4 und einen mittels einer Achse 5 drehbar gelagerten Läufer 6 aufweist, wobei der Einfachheit halber die Lagerung des Läufers, die in bekannter Weise erfolgen kann, nicht näher dargestellt ist. Der U-förmig ausgebildete Stator 4 besitzt Schenkel 7 und 8, die den Läufer 6 unter Bildung von Luftspal-ten je teilweise bogenförmig umschliessen. Der zylindrische aus einem magnetisierbaren dauermagnetischen Material bestehende Läufer 6 ist zweipolig ausgeführt, wozu er in einer Durchmesserrichtung diametral magnetisiert ist, wie dies mit dem Pfeil 9 schematisch angedeutet ist. Somit weist der Läufer 6 an seiner Umfangsfläche 10, einander diametral gegenüberliegend, je einen N-Pol und einen S-Pol auf, die zusammen ein Polpaar bilden. Hiedurch gibt es zwei um 180° gegeneinander versetzte Lagen des Läufers 6, in welchen das Antriebsmoment des Synchronmotors den Wert Null durchläuft. Diese Lagen liegen dann vor, wenn das Magnetfeld des Läufers 6 quer zu den Schenkeln 7 und 8 des Stators 4 verläuft, wie dies in Fig. 1 für eine Lage durch den Pfeil 9 angegeben ist. Dies hat zur Folge, dass der Läufer 6 zwei, ebenfalls um 180° gegeneinander versetzte, definierte Ruhelagen benötigt, die jeweils von den Lagen des Läufers, in welchen das Antriebsmoment den Wert Null durchläuft, etwas winkelmässig abweichen, damit er von selbst anlaufen kann. Da die beiden Lagen des Läufers, welche dem Antriebsmoment Null entsprechen, und auch die beiden Ruhelagen des Läufers um 180° gegneinander versetzt sind, sind sie vollkommen gleichwertig, so dass jeweils nur auf je eine dieser Lagen Bezug genommen werden muss.

In der Praxis liegt die winkelmässige Abweichung der Ruhelagen des Läufers 6, von denen eine in Fig. 1 durch den mit strichlierten Linien gezeichneten Pfeil 11 angedeutet ist, von den Lagen des Läufers, in welchen das Antriebsmoment den Wert Null durchläuft, in der Grössenordnung von 10° bis 25°, wie dies auch der Fig. 1 durch die gegenseitige Winkellage der beiden Pfeile 9 und 11 zu entnehmen ist. Bewirkt werden diese Ruhelagen durch entsprechende Formgebung der Schenkel 17 und 8, in ihren dem Läufer 6 gegenüberliegenden Bereichen, so dass sich ungleichmässige Luftspalte ergeben, wozu beispielsweise Ein den Schenkel Ansätze 12 und 13 vorgesehen sind, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Auf diese Weise entsteht im Zusammenhang mit dem magnetischen Feld des Läufers ein sogenanntes Klebemoment, welches bewirkt, dass beim Abschalten des Motors vom Wechselstromnetz der Läufer 6 mit Sicherheit in eine der beiden definierten Ruhelagen übergeht und nicht in einer Lage stehenbleibt, in welcher das Antriebsmoment den Wert Null durchläuft, aus der er dann nicht mehr von selbst anlaufen könnte.

Bei einem solchen bekannten selbstanlaufenden zweipoligen Einphasensynchronmotor mit dauermagnetischem Läufer besteht dieser aus einem gesinterten anisotropen Magnetmaterial, wobei sich die eingangs angeführten Schwierigkeiten hinsichtlich der erfolderlichen Nachbearbeitung des Läufers ergeben. Demgegenüber ist nunmehr vorgesehen, dass der Läufer aus einem kunststoffgebundenen anisotropen Magnetmaterial besteht. Durch die Verwendung eines kunststoffgebundenen anisotropen Magnetmaterials zur Bildung des Läufers gestaltet sich dessen Herstellung besonders einfach, da ein solches Material keine Neigung zu einem Verziehen zeigt. Ein solcher Läufer kann daher unmittelbar absolut masshaltig hergestellt werden, so dass keine Nachbearbeitung notwendig ist. Das anisotrope Magnetmaterial an sich kann dabei in bekannter Weise zum Beispiel aus Ferroxdure bestehen.

Durch die Kunststoffbindung des anisotropen Magnetmaterials ist jedoch der Anteil des anisotropen Magnetmaterials im Läufer geringer, als wenn der Läufer durch sintern nur aus einem anisotropen Magnetmaterial hergestellt wird. Dies bedeutet aber, dass die erreichbare remanente Induktion abenfalls geringer ist, was sich insbesondere auf das Anlaufverhalten eines Synchronmotors nachteilig auswirkt. Es war daher nicht von vornherein anzunehmen, dass kunststoffgebundene anisotrope Magnetmaterialien sich für die Herstellung von Läufern für derartige Synchronmotore eignen werden. Um diesen Nachteil auszugleichen, ist nun weiters vorgesehen, dass die beiden einander gegenüberliegenden Polflächen des Läufers je auf einen von der desselben ausgehenden Winkelbereich seiner Umfangsfläche von weniger als 90° beschränkt sind, wobei sich in der Praxis als besonders vorteilhaft erwiesen hat, wenn der Winkelbereich in der Grössenordnung von 65° gewählt ist. Auf diese Weise erfolgt an den flächenmässig kleineren Polflächen eine Konzentration des Magnetfeldes, wodurch das Klebemoment erhöht und damit das Anlaufverhalten entscheidend verbessert wird. Durch diese Massnahme wird daher der Einfluss der sich bei kunststoffgebundenen anisotropen Magnetmaterialien ergebenden geringeren remanenten Induktion auf das Anlaufverhalten des Synchronmotors wieder ausgeglichen, so das wieder ein absolut sicheres Anlaufen gewährleistet ist. Eine solche Ausbildung der Polflächen wird während der diametralen Magnetisierung des Läufers erreicht, und zwar dadurch, dass zur Magnetisierung ein entsprechend schmales Magnetferd verwendet wird, welches nur den gewünschten Winkelbereich der Umfangsfläche des Läufers erfasst. Im Läufer selbst breitet sich dieses Magnetfeld dann wieder aus, so dass in seinem Inneren die Feldverteilung inhomogen ist. Dieser Art der Magnetisierung des Läufers liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine solche inhomogene Feldbildung bei kunststoffgebundenen anisotropen Magnetmaterialien möglich ist, weil sich bei diesen die zu magnetisierenden Partikel im gesamten Gefüge entsprechend orientieren können, ohne dass es dabei zu einer Rissbildung im Material kommt, wie dies unter gleichen Umständen bei gesinterten anisotropen Magnetmaterialien der Fall wäre. In Fig. 2 ist eine solche Magnetisierung des Läufers 6 verdeutlicht, wobei die auf einen von der Achse 5 des Läufers ausgehenden Winkelbereich der Umfangsfläche 10 des Läufers beschränkten Polflächen schematisch durch verstärkt gezeichnete Linien 14 und 15 angegeben sind. Der Verlauf der Magnetisierung innerhalb des Läufers 6 ist dabei durch strich-lierte Linien 16 angedeutet. Wie ersichtlich, entsteht eine Feldkonzentration an den einander diametral gegenüberliegenden Polflächen, die im vorliegenden Fall auf einen Winkelbereich der Umfangsfläche von 65° beschränkt sind.

Für die Verarbeitung eines kunststoffgebundenen anisotropen Magnetmaterials zu einem Läufer kann auf verschiedene an sich bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, wie beispielsweise extrudieren oder pressen. Im vorliegenden Zusammenhang hat sich für eine derartige Verarbeitung das ebenfalls an sich bekannte Spritzgussverfahren als einfach und zweckmässig erwiesen. Wie aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich ist, wird hie-zu ein Werkzeug verwendet, das aus einem hohlzylindrischen Werkzeugteil 17 und einem plattenförmigen Werkzeugteil 18 besteht, zwischen welchen die Verkzeugtrennebene verläuft. Im hohlzylindrischen Werkzeugteil 17, dessen Hohlraum 19 die Form des Läufers festlegt, ist koaxial ein konischer Einsatzteil 20 vorgesehen, welcher im fertigen Läufer eine Bohrung freistellt, in welche die Achse des Läufers einsetzbar ist. Im Werkzeugteil 17 sind ferner Auswerfer 21 zum Ausstossen des fertiges Läufers vorgesehen, die über einen Schieber 22 verstellbar sind. Der Werkzeugteil 18 weist eine Bohrung 23 auf, an die eine weitere, in einem Abschlussteil 24 vorgesehene Bohrung 25 anschliesst, an die ein Spritzgusszylinder 26 ansetzbar ist, von dem her das zu verarbeitende Material durch die Bohrungen 25 und 23 in den Hohlraum 19 des Werkzeugteiles 17 gelangt.

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An die äussere Umfangsfläche 27 des Werkzeugteiles 17 schliessen, einander diametral gegenüberliegend, zwei Polschuhe

28 und 29 an, die je mit einer Erregerwicklung 30 und 31 versehen sind. Auf diese Weise kann zwischen den Polschuhen 28 und

29 ein magnetisches Feld aufgebaut werden, das dann in der Richtung des Pfeiles 32 diametral durch das aus einem nichtmagnetischen Material bestehende Werkzeug verläuft, wobei im Bereich eines Polschuhes ein N-Pol und im Bereich des anderen Polschuhes ein S-Pol gebildet wird. Wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist die Breite der Polschuhe 28 und 29 so gewählt, dass das von den Polschuhen ausgehende homogene Magnetfeld nur einen bestimmten Winkelbereich der den Hohlraum 19 begrenzenden, inneren Umfangsfläche 33 des Werkzeugteiles 17 er-fasst, wie dies mit den strichlierten Linien 34 und 35 schematisch angedeutet ist. Damit ist festgelegt, auf welchen von der Achse des Läufers ausgehenden Winkelbereich der Umfangsfläche desselben, nach dessen Magnetisierung, die Polflächen beschränkt sind. Die Magnetisierung des Läufers erfolgt unmittelbar beim Spritzgussvorgang, wobei im noch plastischem Zustand des in den Hohlraum 19 des Werkzeuges hineingespritzten Materials die einzelnen Partikel des anisotropen Magnetmaterials magnetisiert und entsprechend dem Magnetfeld ausgerichtet werden, welche Lage sie dann im verfestigten Zustand des Materials beibehalten. Zufolge der vorstehend erwähnten bestimmten Wahl der Breite der Polschuhe 28 und 29 wird der in Fig. 2 dargestellte Verlauf der Magnetisierung des Läufers erhalten. Nach der Verfestigung des Materials durch das Aushärten des Kunststoffanteiles wird das Magnetfeld abgeschaltet und das Werkzeug 17, 18 in der Werkzeugtrennbene geteilt, wobei das sich in der Bohrung 23 des Werkzeugteiles 18 befindende Material, von dem sich im Hohl-s räum 19 des Werkzeugteiles 17 befindenden Material abgetrennt wird. Anschliessend wird der sich im Hohlraum 19 des Werkzeugteiles 17 befindende fertige Läufer mit den Auswerfern 21 aus diesem Werkzeugteil ausgestossen. Damit ist der Läufer bereits fertiggestellt, da eine Nachbearbeitung zufolge der Verwen-lo dung des kunststoffgebundenen anisotropen Magnetmaterials nicht erforderlich ist,, weil sich dieses absolut masshaltig der Werkzeugform anpasst.

Wie ersichtlich, wird auf diese Weise die Herstellung eines selbstanlaufenden zweipoligen Einphasensynchronmotors ein-15 fach und preisgünstig, wobei dieser trotzdem leistungsstark und sicher im Anlaufverhalten ist. Die Wahl des Winkelbereiches der Umfangsflächen des Läufers, auf welche die Polflächen beschränkt sein sollen, dies innerhalb des angegebenen Bereiches von weniger als 90°, unterliegt nach kleineren Winkeln hin kei-20 ner Beschränkung, sondern richtet sich danach, welche Leistung der Synchronmotor abgeben soll. An sich wird nach kleineren Winkeln hin das Anlaufverhalten verbessert, wobei aber die Leistungsabgabe sinkt. Wie erwähnt, hat sich in der Praxis ein Winkelbereich in der Grössenordnung von 65° als sehr günstig 25 erwiesen, da hiebei bei guter Leistungsabgabe ein absolut sicheres Anlaufen erreicht wird.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

663 299 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Selbstanlaufender zweipoliger Einphasensynchronmotor mit dauermagnetischem Läufer, der durch diametrale Magnetisierung an seiner Umfangsfläsche zwei einander gegenüber Polflächen aufweist und der zwischen zwei Schenkeln eines mit einer Erregerwicklung versehenen Stators angeordnet ist, wobei die Enden dieser Schenkel unter Bildung je eines Luftspaltes den Läufer teilweise bogenförmig umschliessen, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer aus einem kunststoffgebundenen anisotropen Magnetmaterial besteht und das die beiden einander gegenüberliegenden Polflächen je auf einen von der Achse. des Läufers ausgehenden Winkelbereich der Umfangsfläche des Läufers von weniger als 90° beschränkt sind.

2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelbereich in der Grössenordnung von 65° gewählt ist.