-
Die
Erfindung betrifft einen Synchronmotor, insbesondere für eine Aquarienpumpe,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
-
Synchronmotoren
werden allgemein für
Anwendungen verwendet, in denen es auf einen robusten und störungsunanfälligen Aufbau
des Motors sowie auf leisen Lauf des Motors ankommt. Ein typisches
Einsatzfeld für
derartige Motoren sind Antriebsmotoren für Aquarienpumpen.
-
Bekanntlich
ist bei Synchronmotoren die Richtung, in welcher der Motor aus dem
Stillstand anläuft,
nicht ohne weiteres vorgegeben. Je nach Relativlage des Rotors zum
Stator kann der Motor beim Anlegen der Speisespannung in der einen
oder der anderen Drehrichtung anlaufen. Für Anwendungsfälle, in
denen der Motor in einer bestimmten Drehrichtung anlaufen muß, sind
mechanische Starteinrichtungen bekannt, welche dem Rotor z.B. eine
kleine Anfangsbewegung in der richtigen Drehrichtung erteilen. Derartige
von Synchronuhren her bekannte Starteinrichtungen können Antriebshebel
sein, die über
ein Ratschengetriebe auf ein mit dem Rotor verbundenes Zahnrad arbeiten.
-
Derartige
mechanische Starteinrichtungen sind aber störungsanfällig und eignen sich auch nicht zum
Einsatz unter Bedingungen, in denen mit Verschmutzung gerechnet
werden muß,
wie z.B. in Aquarien.
-
Durch
die vorliegende Erfindung soll daher ein Synchron motor mit einer
Starteinrichtung angegeben werden, die mechanisch einfachen Aufbau aufweist
und sich auch zum Einsatz unter zu Verschmutzung führenden
Umweltbedingungen eignet.
-
Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch
einen Synchronmotor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Synchronmotor
wird der Rotor dann, wenn er in der falschen Richtung anläuft, in
axialer Richtung aus dem Stator herausgezogen. Dieses Herausziehen
erfolgt so weit, bis die magnetische Kopplung zwischen Stator und Rotor
so gering geworden ist, daß der
Rotor durch das Magnetfeld nicht mehr in Bewegung gehalten werden
kann. Je nachdem, ob der Rotor gegen eine größere oder kleinere Last arbeitet,
kann diese axiale Strecke etwas kleiner oder größer sein.
-
Ist
der Rotor zum Stillstand gekommen, so wird er durch axiale Komponenten
des auf ihn einwirkenden Magnetfeldes wieder in das Stator-Magnetfeld
zurückgezogen.
Diese Rückwärtsbewegung
findet unsynchronisiert auf das Magnetfeld statt, so daß die Chance
besteht, daß bei
derjenigen winkelmäßigen Relativlage
zwischen Rotor und Stator, die dann vorliegt, wenn die magnetische
Kopplung zwischen Stator und Rotor wieder für einen Antrieb in Winkelrichtung
ausreicht, eine solche ist, in welcher das Anlaufen in der richtigen
Drehrichtung erfolgt. Sollte dies nicht der Fall sein, so wird der
Rotor wieder in axialer Richtung vom Stator entfernt und das oben beschriebene
Spiel wiederholt sich. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß der Rotor,
gegebenenfalls nach einigen Fehlversuchen, in der richtigen Richtung läuft.
-
Dabei
hat der erfindungsgemäße Synchronmotor
einen mecha nisch sehr einfachen Aufbau. Er hat keine mechanisch
komplizierten Teile, deren Funktion durch Verunreinigungen, wie
sie im Aquarienwasser vorkommen, leicht beeinträchtigt werden könnte.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
-
Mit
der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 ist auf einfache
Weise eine reibungsarme Lagerung des Rotors gewährleistet, die bei der in Abständen erfolgenden
axialen Verlagerung des Rotors und der fortgesetzten Drehbewegung
des Rotors auf der Achse auch selbstreinigend ist.
-
Gemäß Anspruch
3 wird für
die axiale Verlagerung des Rotors bei falscher Anlaufrichtung ein Propellerrad
zur Erzeugung der Axialkraft verwendet, welches sowieso zu Fluid-Förderzwecken
vorgesehen ist. Eine Pumpe, welche durch den Anspruch 3 vorgegeben
ist, unterscheidet sich somit von einer normalen Propellerpumpe
nur dadurch, daß die
Lagerung des Rotors und des hiermit verbundenen Propellers auf einer
Achse axial beweglich und nicht axial starr erfolgt. Hiermit sind
praktisch keine Mehrkosten verbunden.
-
Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
4 gestattet es, Rotor und Propeller als einstückiges Bauteil auszubilden.
Dies erleichtert die Montage und erniedrigt die Herstellungskosten,
besonders dann, wenn man den Rotor in einen Kunststoff-Propeller
direkt einspritzt. Bei dieser Art der Herstellung der durch Propeller
und Rotor gebildeten Einheit ist dann auch automatisch eine gute
Zentrierung beider Teile auf eine gemeinsame Achse gewährleistet.
Hierdurch werden Unwuchten ohne mechanische Nachbearbeitung weitgehend
vermieden.
-
Für Anwendungen,
bei denen der Synchronmotor zum Antrieb einer mechanischen Last
verwendet wird, eignet sich die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
5. Gemäß dieser
Weiterbildung wird die axiale Relativbewegung durch eine eine axiale
und winkelmäßige Relativbewegung
zwischen Rotor und getriebener Welle zulassende Schraub/Schub-Einrichtung
bereitgestellt.
-
Diese
kann gemäß Anspruch
6 durch eine Gewindeverbindung gebildet sein, wobei die Steilheit des
Gewindes sicherstellt, daß schon
nach geringem winkelmäßigem Anlaufweg
in der falschen Drehrichtung die Antriebsbewegung unterbrochen wird.
-
Mit
der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 ist gewährleistet,
daß die Schraub/Schub-Einrichtung
gut gegen Verschmutzung geschützt
ist, da die zusammenarbeitenden Schraubenflächen sich im Inneren einer
Hülse befinden.
-
Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
8 gewährleistet,
daß sich
der Rotor dann, wenn auf den Propeller oder eine mit einer Last
verbundene Welle eine externe Kraft ausgeübt wird, sich nicht sehr weit
vom Stator axial entfernen kann, also einen Abstand vom Stator erreicht,
in welchem die axial wirkenden Kräfte zwischen Stator und Rotor nicht
mehr ausreichen würden,
den Rotor wieder zum Stator zurückzuziehen.
Auf diese Weise kann man sich dann eine getrennte Rotor-Rückstelleinrichtung sparen,
welche den Rotor in axialer Richtung zum Stator zurückdrückt.
-
Wählt man
die Anschlageinrichtung gemäß Anspruch
9, ist einerseits sichergestellt, daß der Rotor vom Stator in der
axial ausgefahrenen Stellung so weit magnetisch entkoppelt ist,
daß er
in anderer winkelmäßiger Relativstellung
zum Stator in den Stator zurückbewegt
wird. Andrerseits ist sichergestellt, daß die magnetischen Rückstellkräfte, die
in axialer Richtung wirken, noch ausreichend groß sind.
-
Für Anwendungen,
bei denen auf Grund erhöhter
Reibung oder aus sonstigen konstruktiven Gründen nicht sichergestellt werden
kann, daß die axialen
magnetischen Kräfte
zum Zurückziehen
des Rotors in den Stator ausreichen, kann man gemäß Anspruch
10 eine gesonderte Rückstelleinrichtung vorsehen,
um den Rotor in den Stator zurückzubewegen.
-
Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
-
1:
einen axialen Schnitt durch eine einen Synchronmotor enthaltende
Propellerpumpe für
ein Aquarium bei ordnungsgemäßem Lauf;
-
2:
einen ähnlichen
Schnitt wie 1, wobei jedoch der Rotor in
einer Stellung gezeigt wird, welche beim Anlaufen des Rotors in
falscher Richtung erhalten wird;
-
3:
eine ähnliche
Ansicht wie 1, wobei jedoch der Synchronmotor
zum Antreiben einer Motorwelle dient, die mit einer mechanischen
Last koppelbar ist, wobei der Rotor in derjenigen axialen Stellung
wiedergegeben ist, die er nach dem Anlaufen in richtiger Dreh richtung
einnimmt; und
-
4:
eine ähnliche
Ansicht wie 3, in welcher jedoch der Rotor
in derjenigen axialen Stellung wiedergegeben ist, die er nach einem
Anlaufen in falscher Drehrichtung einnimmt.
-
In 1 ist
mit 10 insgesamt eine Propellerpumpe bezeichnet, die in
einem nur schematisch angedeuteten Volumen 12 an Aquarienwasser
angeordnet ist. Die Propellerpumpe 10 saugt aus dem Wasservolumen 12 Wasser
in der durch einen Pfeil 14 angedeuteten Richtung an und
gibt das Wasser in einer durch einen Pfeil 16 angedeuteten
Richtung wieder an das Aquarium ab.
-
Die
Propellerpumpe 10 hat ein insgesamt mit 18 bezeichnetes
Gehäuse,
welches in ein Pumpengehäuse 20 und
ein Motorgehäuse 22 unterteilt
ist.
-
In
dem Motorgehäuse 22 ist
ein Stator 24 angeordnet, welcher ein Lamellenpaket 26 und
eine Erregerspule 28 aufweist.
-
Das
Lamellenpaket 26 hat eine Bohrung 30, welche einen
Trennbecher 32 aufnimmt. Im Trennbecher 32 ist
unter radialem Spiel ein Rotor 34 angeordnet, der aus permanentmagnetischem
Material hergestellt ist, welches zum Beispiel eine Mehrzahl in Umfangsrichtung
verteilter Pole aufweisen kann.
-
Wird
die Erregerspule 28 von einer nicht dargestellten externen
Wechselspannungsquelle mit Signal beaufschlagt, so fängt der
Rotor 34 an, sich in dem magnetischen Wechselfeld zu drehen.
-
Der
Rotor 34 hat eine mittige Bohrung 36, welche drehbar
auf einer Achse 38 sitzt.
-
Die
Achse 38 hat an einem Ende einen Endflansch 40,
welcher auf der Außenseite
des Bodens des Trennbechers 32 anliegt, wobei die Achse 38 eine
mittige Bohrung des Trennbechers 32 durchsetzt.
-
Das
zweite Ende der Achse 38 ist in einen Nabenabschnitt 42 eines
Lagersternes 44 gelagert, der über radiale Arme 46 fest
mit einem Auslaßstutzen 48 verbunden
ist, der durch einen angeformten Abschnitt des Pumpengehäuses 20 gebildet
wird.
-
Das
Pumpengehäuse 20 hat
ferner in einem teilkegelähnlichen Übergangsabschnitt
zum Motorgehäuse 22 ein
Einlaßsieb 50,
welches mit dem Spritzen des Pumpengehäuses 20 hergestellt
ist.
-
Das
Pumpengehäuse 20 gibt
so einen zwischen Einlaßsieb 50 und
Auslaßstutzen 48 liegenden Arbeitsraum 52 vor,
in welchem ein insgesamt mit 54 bezeichneter Propeller
umläuft.
Der Propeller 54 hat einen Nabenabschnitt 56,
welcher drei zur Propellerachse geneigte Flügel 58 trägt. Die
Neigung der Flügel 58 ist
so getroffen, daß beim
Umlaufen des Propellers 54 in dem durch einen Pfeil 60 angedeuteten richtigen
Drehsinn Wasser durch das Einlaßsieb 50 angesaugt
und durch den Auslaßstutzen 50 abgegeben
wird.
-
Wie
aus 1 ersichtlich, ist der Rotor 34 in dem
Nabenabschnitt 56 eingefügt. Dieses Einfügen erfolgt
zweckmäßigerweise
so, daß man
den schon mit der Bohrung 36 versehenen Rotor 34 in
eine Spritzform einlegt, mit welcher der Propeller 54,
der aus thermoplastischem Material besteht, gespritzt wird. Auf
diese Weise ist eine exakte Ausfluchtung einer mittigen Bohrung 62 des
Propellers 54 mit der mittigen Bohrung 36 des
Rotors gewährleistet.
-
Außerdem kann
der in der Zeichnung rechts gelegene Teil des Nabenabschnitts 56 als
Distanzstück
dienen, welches die maximal in den Trennbecher 32 eingefahrene
Axialstellung des Rotors 34 vorgibt. Umgekehrt kann die
in der Zeichnung links gelegene Stirnfläche des Nabenabschnittes 56 zusammen
mit dem Nabenabschnitt 42 des Auslaßsternes 44 die maximal
ausgefahrene Axialstellung des Rotors s34 vorgeben.
-
Wie
aus 1 ersichtlich, liegt der Rotor 34 in
seiner maximal eingefahrenen Stellung symmetrisch zur Mittelebene
des Stators 24.
-
Wie
schon dargelegt, ist die gesamte durch Rotor 34 und Propeller 54 gebildete
Einheit nicht nur drehbar sondern auch axial verschiebbar auf der Achse 38 angeordnet.
-
Beim
Arbeiten der Propellerpumpe 10 beim Umlaufen des Rotors 34 und
des Propellers 54 in Richtung des Pfeiles 60 wird
auf die durch Rotor 34 und Propeller 54 gebildete
Einheit als Reaktionskraft auf die Impulserteilung an das Wasser
eine Kraft erhalten, die in 1 nach rechts
gerichtet ist. Diese Kraft wird durch das Axiallager bzw. die Einwärts-Anschlageinrichtung
aufgenommen, welche durch die rechte Stirnfläche des Nabenabschnitts 56 und
den Boden des Trennbechers 32 gebildet ist.
-
Bei
richtigem Drehsinn der Rotorbewegung hat der Rotor somit eine vorgegebene
axiale Stellung und läuft
genauso wie ein Rotor, der über
ein Axial/Radial-Lager gelagert ist.
-
Läuft der
Rotor 34 bei Spannungsbeaufschlagung der Erregerspule 28 dagegen
im falschen Drehsinne an, wie in 2 durch
einen Pfeil 64 angedeutet, so saugt der Propeller 54 Wasser über den Auslaßstern 44 an
und drückt
dieses durch das Einlaßsieb 50 zurück ins Aquarium.
Als Reaktionskraft für
den dem Wasser erteilten Impuls erhält man nun eine Axialkraft
auf die durch Rotor 34 und Propeller 54 gebildete
Einheit, die in axialer Auswärtsrichtung verläuft, wodurch
die durch Rotor 34 und Propeller 54 gebildete
Einheit in 2 nach links bewegt wird.
-
Diese
Bewegung nach links endet, wenn die magnetische Kopplung zwischen
dem Stator 24 und dem Rotor 34 so klein geworden
ist, daß sie
nicht mehr ausreicht, den Propeller 54 gegen die Last des Wassers
zu drehen. Unter diesen Bedingungen besteht dann keine winkelmäßige Synchronisierung zwischen
dem Rotor 34 und dem magnetischen Wechselfeld mehr. Es
verbleiben aber axiale Komponenten des magnetischen Feldes, welche
den Rotor 34 in axialer Richtung in den Trennbecher 32 zurückzuziehen
versuchen.
-
Bei
dieser Rückwärtsbewegung
wird die magnetische Kopplung zwischen Stator 24 und Rotor 34 dann
wieder verstärkt,
wobei es dann rein zufällig
ist, ob diese dann wieder eine für
Antriebszwecke ausreichende Größe erreicht,
wenn der Rotor in einer für den
Anlauf in richtiger Richtung günstigen
Relativstellung zum Stator steht, oder nicht.
-
Ist
die Relativstellung zwischen Rotor und Stator diejenige, die für ein Anlaufen
in richtiger Drehrichtung günstig
ist, so läuft
der Rotor in richtiger Richtung an und wird durch die nun in 1 und 2 nach
rechts gerichtete Reaktionskraft wieder in vollen magnetischen Überlapp
mit dem Stator zurückbewegt,
wobei die Stirnfläche
des Nabenabschnittes 56 des Propellers 54 in Anlage
an die Bodenwand des Trennbechers 32 kommt.
-
Bei
diesem axialen Zurückstellen
des Rotors 34 in das Magnetfeld des Stators 24 sorgt
die Anströmung
der Flügel 58 des
Propellers 54 für
eine geringfügige
Drehung des Rotors 34 entgegen demjenigen Drehsinn, in
welchem er zuvor angelaufen war, also im richtigen Drehsinn. Dies
kann die Chance erhöhen,
daß der
Rotor 34 im richtigen Drehsinn anläuft, wenn die magnetische Kopplung
zwischen Stator 24 und Rotor 34 wieder soweit
hergestellt ist, daß ein Antriebsdrehmoment
erhalten wird.
-
Beim
Ausführungsbeispiel
nach den 3 und 4 sind Teile
eines insgesamt mit 10' bezeichneten
Motors, welche obenstehend schon beschriebenen Komponenten der Propellerpumpe 10 entsprechen,
wieder mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
In
einer Lagerwand 44' des
Gehäuseteiles 20' ist nun eine
Motorwelle 66 über
ein Radial/Axiallager 74 gelagert, die an ihrem dem Rotor
zugewandten Ende eine Gewindehülse 68 trägt. Diese
ist auf ihrer Innenfläche
mit einer Steilgewinde-Nut versehen.
-
Die
Steilgewindenut der Gewindehülse 68 arbeitet
mit einer Steilgewinderippe 70 zusammen, die auf der Außenfläche des
Nabenabschnitts 56 angespritzt ist.
-
Der
in den 3 und 4 gezeigte Motor 10' arbeitet bezüglich des
Anlaufens ähnlich
wie die oben beschriebene Propellerpumpe 10. Nur ist eine Schraub/Schubeinrichtung, welche
eine Drehbewegung des Rotors im falschen Drehsinn in eine axiale Auswärtsbewegung
des Rotors umsetzt, nicht durch einen schräge Flügel 58 tragenden Propeller 54 gebildet,
der mit einem eine Last darstellenden Wasservolumen zusammenarbeitet,
sondern durch ein durch die Gewindehülse 68 und die Steilgewinderippe 70 gebildetes
Schraub/Schubgetriebe gebildet. Beim letzteren bremst eine mit der
Motorwelle 66 verbundene Last die Gewindehülse 68 bezüglich der Steilgewinderippe 70 ab,
wodurch man den Schraub-Schlupf erhält, der die gewünschte axiale Kraft
erzeugt.
-
Läuft der
Motor in der richtigen Drehrichtung, so hat man eine vorgegebene
axiale Relativstellung zwischen Rotor 34 und Motorwelle 66 und
damit eine drehmomentenschlüssige
Verbindung zwischen diesen beiden Teilen.
-
Beim
Lauf des Rotors 34 in der falschen Richtung wird dagegen
der Nabenabschnitt 56 mit seiner Steilgewinderippe 70 auf
der Gewindehülse 68 verschraubt,
die durch eine mit der Motorwelle 66 verbundene Last gebremst
ist. Damit wird der Rotor 34 aus dem Magnetfeld des Stators 24 soweit
herausgezogen, daß die
Rotorbewegung beendet wird, und der Rotor wird dann in den Stator
zurückgezogen und
kann in der richtigen Drehrichtung neu anlaufen, wie oben beschrieben.
-
Um
für den
Fall, daß die
in der axial vom Stator 24 entfernten Stellung des Rotors 54 erhaltenen magnetischen
Rückstellkräfte nicht
ausreichend sind, um den Rotor 34 zum Stator 24 zurückzuziehen,
eine stärkere
Rückstellkraft
zu gewährleisten, kann
man eine Rückstellfeder 72 vorsehen,
die als Schraubenfeder ausgebildet ist und zwischen den einander
gegenüberliegenden
Stirnflächen
von Nabenabschnitt 56 und Lagerwand 44 angeordnet ist.
-
Um
eine gute Unempfindlichkeit des Motors gegen Feuchtigkeitseinflüsse zu gewährleisten
kann man das Innere des Motorgehäuses 22 mit
einer Vergußmasse 76 ausgießen.