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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine einphasige permanent-erregte
Synchronmaschine, insbesondere für
den Antrieb einer Nassläuferpumpe, umfassend
mindestens eine Statorwicklung, ein geblechtes Statorpaket mit zwei
Polschenkeln und einen permanent-erregten Rotor, der zwischen den Polschenkeln
unter Bildung eines magnetischen Spaltes angeordnet ist.
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Einphasige
Synchronmaschinen für
Trockenläufer
mit einem permanentmagnetischen Rotor sind bekannt. Sie weisen üblicherweise
ein etwa U-förmiges
Statorblechpaket auf, an dessen freien Enden Pole mit Polschenkeln
ausgebildet sind, zwischen denen der permanentmagnetische Rotor
angeordnet ist. Rotor und Blechpaket bilden auf diese Weise einen
magnetischen Kreis. Das Statorblechpaket ist üblicherweise von einer dem
Rotor gegenüberliegenden
Wicklung umgeben, es gibt jedoch auch Anordnungen, bei denen zwei
Statorwicklungen, die einander gegenüberliegen, die die zu den Statorpolen
führenden
Arme des Statorbleches umschließen.
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Trockenläufermotoren
benötigen
in der Regel kleine Anlaufmomente, da kein durch die Rotation des
Rotors in der Flüssigkeit
bedingtes Reibmoment vorliegt. Damit ist bei derartigen Motoren
nur eine geringe Abweichung der Rotorposition von der natürlichen
Ruheposition notwendig, um einen sicheren Anlauf zu garantieren.
Es ist bekannt, die Abweichung der Rotorposition bei Ruhelage von
der natürlichen
Ruheposition bei nicht erregten Statorspulen durch unsymmetrische
Statorpole zu erzielen oder Rotoren zu verwenden, die, bezogen auf
ihre Magnetisierungsachse, einen Versatz aufweisen. Letztgenannte
Anordnungen sind beispielsweise aus der
US-Schrift 2,601,517 bekannt. Unsymmetrische
Ausführungen
der Statorpole offenbart demgegenüber beispielsweise die deutsche
Offenlegungsschrift
DE 14
38 569 .
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Bei
diesen Einphasenmotoren, bei denen der magnetische Rotor üblicherweise
zweipolig ausgebildet ist, besteht stets das Problem, dass das Anlaufmoment
gegenüber
dem Lastmoment und Wirken der Reibmomente zu gering ist, und der
Motor nicht anläuft.
Das Anlaufmoment ist hierbei abhängig von
der Rotorwinkelposition φ zum
Einschaltzeitpunkt und kann dabei Werte zwischen Null und einem
maschinenspezifischen Maximum annehmen (siehe 1).
Um ein Anlaufmoment größer Null
sicherzustellen, wird der Rotor durch ein Rastmoment in einer definierten
Ruheposition φ ausgerichtet.
Diese Position wird so gewählt,
dass das innere Drehmoment bei Erregung der Statorspulen das Rastmoment
und die weiteren externen Drehmomente überschreitet, so dass das resultierende
Moment die Beschleunigung des Rotors gewährleistet.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
1 438 569 offenbart einen Trockenläufer mit Statorpolen, die nicht kreissymmetrisch
sind, sondern an zwei diametral gegenüberliegenden Polenden tangential
auslaufen, so dass der Spalt in einem teilzylindrischen Abschnitt unverändert ist
und sich mit Beginn des tangential auslaufenden Statorpoles stetig
erweitert. Durch die asymmetrische Form der Statorpole wird gewährleistet,
dass der Läufer
eine von seiner Ruhelage bei nicht erregter Statorspule abweichende
Lage derart einnimmt, dass seine magnetische Induktion mit der Richtung
des resultierenden Spulenfeldes einen Winkel bildet, der im Bereich
von ca. 5 Grad liegt. Hierdurch wird das Anlaufmoment geringfügig vergrößert, jedoch
erhöht
sich gleichzeitig auch das Rastmoment, was mit einer erhöhten Geräuschemission und
Vibrationen verbunden ist.
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Weiterhin
ist aus der
US-Schrift 2,185,990 bekannt,
die Statorpole mit Aussparungen zu versehen, die haifischflossenartig
ausgebildet sind, so dass in Umfangsrichtung der zwischen Rotor
und Statorpol gebildete Spalt an einem Ende der Aussparung sprunghaft
vergrößert ist.
Derartige Unsymmetrien vergrößern zwar
das Anlaufmoment, beeinflussen das Magnetfeld aber derart nachteilig,
dass auch das Rastmoment erhöht
wird. Dies führt
wiederum zu erheblichen Vibrationen des Motors, höheren Verschleiß der Lager
samt einer damit einhergehenden geringeren Lebensdauer sowie verstärkter Geräuschemission.
Derartige Rotoren sind daher nicht für Anwendungen geeignet, bei
denen hohe Anforderungen an Laufruhe und Langlebigkeit gestellt
werden.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einphasig permanenterregte
Synchronmaschine bereit zu stellen, die zur Gewährleistung eines sicheren Anlaufs
ein erhöhtes
Anlaufmoment aufweist, ohne dabei jedoch das Rastmoment zu vergrößern, so
dass eine geringe Geräuschemission und
hohe Laufruhe erreicht und die Lebensdauer gesteigert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs
1 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung ist insbesondere als Einphasenmotor für den Einsatz
bei Nassläuferpumpen
vorgesehen, bei denen aufgrund des erhöhten Reibmomentes ein Anlaufmoment
erforderlich ist, welches größer als
bei Trockenläufern
ist. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Einphasenmotor für den Einsatz
in Heizungspumpen geeignet, bei denen hohe Anforderungen an die
Geräuschemission
und Laufruhe bestehen, da sich Vibrationen über ein Heizungssystem im Gebäude übertragen
und im Wohnbereich geräuschstarke
Pumpen als störend
empfunden werden.
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Erfindungsgemäß können die
Polschenkel des Statorpaketes jeweils an mindestens einer definierten
Position zumindest eine Aussparung derart aufweisen, dass der magnetische
Spalt im Bereich der Aussparungen vergrößert ist, und dass der Spalt beidseits
der Aussparungen in Umfangsrichtung unverändert ist. Durch die Maßnahme wird
das magnetische Feld durch den Rotor derart beeinflusst, dass sich
der Rotor bei nicht erregten Statorwicklungen in einer von der natürlichen
Ruhelage abweichenden Rotorposition einpendelt, so dass bei Bestromung der
Statorspulen in Folge des entstehenden magnetischen Feldes ein Anlaufmoment
erzielt wird, welches zur Beschleunigung des nasslaufenden Rotors ausreicht,
ohne dabei das Rastmoment zu erhöhen. Die
Aussparungen stellen hierbei erhöhte
magnetische Widerstände
dar, die das Magnetfeld in diesem Bereich schwächen. Für die Nichterhöhung des Rastmomentes
ist bei der Anordnung der Aussparungen entscheidend, dass der Spalt
beidseits der Aussparungen in Umfangsrichtung unverändert ist,
so dass die Magnetfeldlinien in diesen Bereichen ungeschwächt sind.
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Die
Aussparungen können
sich hierbei parallel zur Rotorachse und vorzugsweise über die
gesamte Breite des Statorblechpaketes erstrecken. Auf diese Weise
wird der Magnetfluss entlang der maximal möglichen axialen Länge des
Rotors gleichartig beeinflusst, so dass die künstliche Ruheposition des Rotors
mit hoher Sicherheit erreicht wird.
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Weiterhin
können
die Aussparungen derart geformt sein, dass der Luftspalt in Umfangsrichtung des
Rotors kontinuierlich bis zu einem Maximum vergrößert ist und nach Erreichen
der maximalen Spaltbreite kontinuierlich wieder kleiner wird. Auf
diese Weise werden die Magnetfeldlinien beidseits der Aussparungen
in Umfangsrichtung nur leicht geschwächt und zum Bereich der maximalen
Spaltbreite hin zunehmend stärker
geschwächt,
wobei bei maximaler Spaltbreite eine maximale Abschwächung der
Magnetfeldlinien bewirkt wird. Mit dieser Maßnahme werden sprunghafte Spaltänderungen
und damit einhergehende abrupte Verzerrungen der Magnetfeldlinien
vermieden und eine Erhöhung
des Rastmomentes vermieden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsvariante können die
Aussparungen im wesentlichen teilzylindrisch insbesondere halbzylindrisch
ausgebildet sein, wobei in diesem Falle die Zylinderachsen parallel
zur Rotorachse verlaufen können.
Die Aussparungen können
im Querschnitt betrachtet auch eine andere Form, beispielsweise
eine Dreieckform aufweisen, wobei in diesem Falle der Schwerpunkt
der geometrischen Form im Querschnitt die entsprechende Achse definiert.
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Vorzugsweise
können
die Aussparungen symmetrisch angeordnet sein, nämlich zueinander um etwa 180° versetzt
sein, so dass sie sich im wesentlichen diametral gegenüberliegen.
Hierdurch wird ebenfalls dazu beigetragen, dass sich der Rotor in
der gewünschten
künstlichen
Ruheposition einpendelt, ohne das Rastmoment dabei zu erhöhen.
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Um
ein ausreichend hohes Anlaufmoment zu gewährleisten können die Aussparungen derart
angeordnet sein, dass die durch die Schwerpunktachse einer Aussparung
und die Rotorachse gebildete Ebene mit der Mittelebene zwischen
den Polschenkeln einen Winkel von weniger als 80°, vorzugsweise weniger als 70° bildet.
Die Schwerpunktachse ist dabei als geometrischer Ort derjenigen
Punkte zu verstehen, die die Schwerpunkte der Geometrie einer Aussparung
im Querschnitt darstellen. Im Falle einer im Querschnitt betrachteten
halbzylindrischen Ausprägung
der Aussparungen stellt die Schwerpunktachse die Zylinderachse dar.
Die Mittelebene ist demgegenüber
dadurch gekennzeichnet, dass sie durch die Mitte des Abstandes der
beiden Polschenkel gebildet ist.
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Die
Herstellung des erfindungsgemäßen Statorpaketes
kann auf besonders einfache Weise dadurch erfolgen, dass die Aussparungen
der einzelnen Statorbleche ausgestanzt werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Synchronmaschine sind den
Figuren sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung
zu entnehmen.
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Es
zeigen:
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1:
Rast- und Anlaufmoment, ohne Aussparungen
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2:
Einphasige Synchronmaschine mit Rotorwinkel φ = 0° mechanisch.
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In 1 ist
die Abhängigkeit
des Anlaufmomentes MAnl von der Rotorwinkelwinkelposition φ zum Einschaltzeitpunkt
bei einphasigen Synchronmaschinen ohne Aussparungen an den Statorpolen gemäß Stand
der Technik dargestellt. Die natürliche Rotorposition
entspricht der Rotorstellung in 0°,
d.h. bei einem senkrecht zu den Statorpolen ausgerichtetem Rotormagnetfeld.
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Aus
der Figur ist ersichtlich, dass das Rastmoment bei 0°, 90° und 180° jeweils
gleich 0 ist und bei dem Rotorwinkel φ = 45°, φ = 135° maximal ist. Dem gegenüber ist
das Anlaufmoment bei einem mechanischem Rotorwinkel φ von etwa
102° gerade
an seinem maximalen Wert. Es ist in den Rotorwinkelstellungen 0° und 180° ebenfalls
gleich dem Wert 0. Der Rotorwinkel φ ist in 2 zur Veranschaulichung dargestellt
und auf die Mittelebene zwischen den Statorpolen bezogen.
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2 zeigt
eine einphasige permanent erregte Synchronmaschine 1 mit
einem Statorpaket 2 an dessen langen Statorschenkeln oder
Armen jeweils eine Wicklung 3 zur Aufmagnetisierung des Statorpaketes
angeordnet ist. Das Statorpaket 2 ist geblecht, wobei 2 den
erfindungsgemäßen Motor
im Querschnitt darstellt. An den Enden der Statorschenkel ist jeweils
ein Statorpol mit einem Polschenkel 4 ausgebildet, zwischen
denen der permanent magnetische Rotor 5 angeordnet ist.
Der Rotor 5 ist hier zweipolig ausgeführt. 2 zeigt
die Synchronmaschine mit Rotorwinkel φ = 0°. Die Magnetisierungsrichtung
des Rotors ist durch Pfeile A dargestellt.
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Die
Polschenkel 4 weisen halbzylindrische Aussparungen 6 auf,
die sich parallel zur Rotorachse und entlang der gesamten Dicke
des Statorblechpaketes 2 erstrecken. Die Aussparungen 6 sind
diametral angeordnet, damit das Rastmoment keine wesentliche Erhöhung erfährt. Durch
ihre im Querschnitt betrachtet zylindrische Ausführung ist der Spalt in Umfangsrichtung
kontinuierlich bis zu einem Maximum vergrößert, wobei beidseits der Aussparung
in Umfangsrichtung der Spalt seine normale Größe aufweist. Hierdurch werden
die Magnetfeldlinien beidseits der Aussparungen 6 nahezu
ungeschwächt
geführt.
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Die
Aussparungen 6 sind derart angeordnet, dass die durch die
Zylinderachse einer Aussparung 6 und die Rotorachse gebildete
Ebene mit der Mittelebene 7 zwischen den Polschenkeln 4 einen
Winkel α von
weniger als 70 Grad bildet. Je geringer der Winkel α gewählt wird,
um so höher
ist das Anlaufmoment.
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Durch
diese Maßnahme
werden die Rastmomente, die im Betrieb des Motors augrund der resultierenden
Geräusche
und Drehmomentschwankungen unerwünscht
sind, nur geringfügig
erhöht,
wobei gleichzeitig die Ruhelage des Rotors 5 so beeinflusst wird,
dass ein deutlich höheres
Anlaufmoment MAnl aufgebracht wird. Die
künstlich
erzeugte Ruhelage liegt in diesem Fall bei einem mechanischen Rotorwinkel
von φ ≈ 5°.
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Die
einphasige permanent-magnetische Synchronmaschine 1 gemäß 2 wird
vorzugsweise in Nassläufertechnik
ausgeführt,
so dass der Rotor 5 in einer Flüssigkeit dreht und zum Antrieb
einer Pumpe dient. Die angetriebene Pumpe ist vorzugsweise eine
Umwälzpumpe
für Heizungsanlagen
oder Brauchwasser. In Betrieb derartiger Motoren kommt es mittelfristig
zu Verkalkungen und Verschmutzungen, die den Anlauf des Motors erschweren
und das beim Anlauf zu überwindende
Lastmoment erhöhen. Durch
die Lage und Form der Aussparungen 6 wird das Rastmoment
ortsspezifisch derart gezielt beeinflusst, dass der Rotor 5 bei
nicht erregten Ständerwicklungen 3 in
einer von der natürlichen
Ruheposition abweichenden künstlichen
Ruheposition einpendelt, die bei Erregung der Ständerwicklungen 3 und Entstehung
eines magnetischen Flusses durch das Ständerblechpaket ein zur Beschleunigung
des Rotors 5 ausreichendes Anlaufmoment MAnl,
erzeugt.