DE1563156A1 - Synchronmotor mit Selbstlanlauf - Google Patents

Description

• Synchronmotor mit Selbstanlauf Bekannt sind verschiedene Bauarten für kleine einphasige selbstanlaufende Synchronmotore, die wirtschaftlich und raumsparend in gewerblichen oder Haushaltsgeräten Verwendung finden, die eine Antriebskraft mit konstanter Geschwindigkeit benötigen. In ihrem Grundaufbau besitzen solche Motore einen aus einem mehrpoligen Permanentmagneten bestehenden Rotor, der im Inneren eines ebenfalls mehrpoligen Ständers umläuft, der in ein Gehäuse eingepaßt ist, das auch die Erregerspule und die Polzähne verteilt, wie die Stäbe eines Käfigs. um den Rotor enthält.
• Die üauptschwierigkeit bei dieser Motorbauart ist (11-e JLchers tellung des Selbstanlaufs, da ohne S tUnde?rerre-3@..inc@ der von den Polen des Rotors ausgehende magnetische I'luß, der im Stator. einen Weg geringeren magnetischen T@Ilder-:- #:iinds erzeugt, den Rbtor t-j.irigt, eine hlinkelstellting e.inzurig -timen, bei der seine Pole den 3 tatorpolen gegenüberstehen. Aufgrund dieser Tatsache wird der Rotor bei der Erregung des Stators keinerlei Drehkraft unterworfen, so daß er keinen Grund zum Anlaufen besitzt.
• Eine der bekannten Lösungen hierfür besteht darin, den Polzähnen des Stators eine solche Form zu geben, daß der Rotor magnetisch gezwungen ist, eine Winkelstellung einzunehmen, die gegenüber der Stellung verschoben ist, die er bei einem normalen Ständer einnehmen würde. Auf diese Weise werden beim Einsetzen der Ständererregung die Rotorpole durch die Polzähne des Stators mit einer höchstmöglichen Anziehungs- und Abstoßungskraft beaufschlagt, die sich auf den Rotor als ein beschleunigendes Drehmoment auswirkt, das genügt um sicher- zustellen, daß dieser in Synchronismus mit dem Netz einfällt, und zwar mit der Verzögerung eines Polwechsels.
• Es ist leicht einzusehen, daß diese Lösung vollständig zufriedenstellend arbeitet, sofern der Rotor die Frei- heit besitzt, bei Wegfall der Ständererregung die oben be- schriebene verschobene Winkelstellung einzunehmen. Ist er dagegen, wie dies in den meisten Fällen eintritt, irgendwelchen passiven Widerständen unterworfen (beispielsweise durch leichte Reibungswiderstände der Übertragungsorgane, mit denen er verbunden ist), so können diese genügen, die geringen magnetischen Kräfte zu neutralisieren, die ihn in eine Stellung zu drehen bestrebt sind, in der das Anlaufdrehmoment von Null abweicht. In diesem Falle ist der Rotor bei der Erregung des Ständers unfähig, selbst anzulaufen.
• Zur Lösung dieses zweiten Problems sind auch bereits mehr oder weniger interessante Lösungen vorgeschlagen. Eine der vor te i lhaf tes ten hiervon besteht darin, einen Teil jedes einzelnen Statorpolzahns cnit einer Kurzschlußwicklung zu umgeben, die bei Erregung des Ständers in dein erstsprechenden Polteil e i.neci magnetischen Fluß erzeugt, der

  gegenüber dein Pl iIP in dem übrigen, nicht von der KurzschlufJ-

  wicklung umgebener. Polteil phasenverschoben ist. Die so bei

  jeder Stromumkehr erzielte magnetische Verzögerung bewir'-t,

  daß der Rotor, gleichgültig welches seine Winkelstellung

  beim Anlauf ist, niemals einen; Drehmoment Ihill ausgesetzt

  ist. Dementsprechend ist die Charakteristik einer solchen

  Motors die, daß tatsächlich niemals eine Rotorposition auf-

  tritt, in der das Anlaufdrehmoment Null ist. Das Anlaufdreh-

  moment variiert, je nach der Winkelstellung des Rotors,

  zwischen einer oberen und einer unteren Grenze, wobei die

  letztere sehr verschieden von Null ist. Der Anlauf ist

  sichergestellt, sofern das Widerstandsmoment aufgrund der

  Reibungswiderstände, ohne notwendigerweise Null oder sehr

  nahe an Null zu sein, kleiner ist als die untere Grenze

  des Anlaufdrehcloments.

  Diese letztere L.-'-;sting r@I-e voll befriedigend, wenn

  sie nicht den Nachteil beaäße, die Phasenverschiebungs-

  windungen zu benötigen, durch die der Motor einen erli##liten

  Raumbedarf und höhere fier: tellungsko3ten aufweist.

  vorliegende Erfindunc betrifft einen kleinen

  einphasigen :iyncllronmotor, dessen Selhstanlaufeigenschaften

  in jeder .-i:n?:elst:ellung des Rotors :-ichergestellt sind,

  wobei dicr#= Eigenschaften allein durch die geschickte r.f@ir?@

  liehe Anoidnung der Pol-zähne de:- Stators erzielt werden,

  ohne daß irgendein r.usr;tzli cl.es Organ oder Bauelement im

  Motor erf or drrl ich wird. Auf die--f- irerden die Vor-

  ae, n :-e2aig a@.If die h.ntr@.i':t@.~n, die liel:si::el-lt;n_I:7_

  kosten als auch den Raumbedarf, er:l.-1lict: verbessert.

  r. ?-.nqsgelr,ä sind die F@,l t°: de-r- S t=?:3ders jc- a::.

  wc-i @_.1i- -; e'l< @ldet, 1r e je ei r-:er: .:aIr; ..-,'

  dF_. des- gIriche11 F_@l@rz

  ar',ße1- @r=- @I s der : wirchen

  Polen entgegengesetzter Polarität gehören, daß diametral gegenüberstehende Polzungen entgegengesetzte Polarität aufweisen und daß bestimmte, einander diametral gegenüberstehende Polzungenpaare in der Waise unterdrückt sind, daß einerseits zwei benachbarte Polzungen verschiedener Polarität einen magnetischen Kreis bilden, dessen Magnetisierung bei jeder Umkehr des Erregerstroms verhältnismäßig schnell erfolgt, und andererseits eine dem Platz einer unterdrückten Polzunge benachbarte Polzunge einen magnetischen Kreis bildet, dessen htagnetisierung bei jeder Umkehr des Erregerstroms verhältnismäßig langsam erfolgt, damit jeder Rotorpol abwechselnd von einem schnell bis zur Sättigung magnetisierten und einem langsam magnetisierten Halbpol angezogen wird, zum Zwecke der Erzielung eines Selbstanlaufs des Motors in einer bevorzugten Drehrichtung. Dabei kann der Abstand zwischen benachbarten Polzungen, die zu Polen entgegengesetzter Polarität gehören, sehr klein oder auch Null sein. Der magnetische Kreis ist dann umso bes--er geschlossen, und die Zungen werden vom Erregerfluß "chnell gesättigt.

  An den Stellen, an denen Polzungen fehlen, bildet

  die angrenzende Polzunge einen unvollständig geschlosse-

  nen magnetischen Kreis, der wenicer schnell magnetisiert

  wird. Der(,r-,1::;I)recl-.end wird ein Rotnrpol in der Ruhestellung

  %.:"iirend einer @trc7reriode zuert: vcn einem gesättigten

  Halbpol de=: S t@@nders angezogen und sodann gleichzeitig

  von demsc-lt:en oc-sittigtcn tialb:.@^1 und dem nicht gesättig-

  ten lalb;--a. wie somit auf den orrt-nrechenden Pol des

  Rotors aiisccül,t-f=: Abtoßungs- ^der Anziehungskraft unter-

  liegt: @.@;@hrend der l:rrecerF:erio=e @i@e@@ Richtungswechsel,

  der mit eine": DrehmOIRent Hull unve-r @- i r_har i--t, und dc-r er-

  t:'ihnten t;r.-@f-t eine festE. Richt"na (-rit"@r:rechend einem Radius

  des Roter: er#.c@ilt.

  Der Gegenstand der Erfindung sei anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die lediglich ein Ausführungsbeispiel hierfür darstellt.
• Fig. 1 stellt einen Aufriß des Motors dar, dessen Gehäuse entlang der Linie Q-Q in Fig. 2 aufgeschnitten ist.
• Fig. 2 zeigt in einer Abwicklung die Statorpole des in Fig. 1 dargestellten Motors.
• Fig. 3 stellt in einem Kurvenblatt den Verlauf der Magnetisierungskurven der Statorpole dar. Fig. 4 und 5 zeigen schematisch, je in einem Grundriß, die Verteilung der Statorpole bei einem bekannten und bei dem erfindungsgemäßen Synchronmotor sowie die sich hieraus ergebenden dynamischen Änderungen.
• Fig. 6 und 7 stellen für diese Fälle im Vergleich die regelmäßigen Änderungen des Drehmoments dar, denen der Rotor in Abhängigkeit von seiner Lage gegenüber den Statorpolen unterworfen ist.
• Gemäß Fig. 1 besitzt der erfindungsgemäße Motor einen mehrpoligen Rotor 1 mit permanenter hiagnetisierung, dessen Achse 2 mit einem Ritzel 3 versehen ist, und in den Lagerböcken 4 des Ständers 5 drehbar gelagert ist. Der Ständer 5 ist in ein Gehäuse eingepaßt und umfaßt die Erregerspule 6. Die Pole 5a und 5b, die beispielsweise durch Aufschneiden im Ständergehause 5 gebildet sind, sind :in Form eines Käfigs um den Rotor 1 herum verteiLt ungeordnet. Die Polzahl des Rotors ist gleich der Polzahl des Ständers; im vorliegenden Falle sind es fünf Paare. Jeder einzelne Ständerpol besteht, wie dies aus Fig. 2 besonders deutlich hervorgeht, aus zwei Polzungen, die je einen Halbpol bilden, die einen großen Abstand voneinander aufweisen. Im Gegensatz hierzu sind die Halbpole von den benachbarten Halbpolen entgegengesetzter Polarität durch einen sehr geringen Abstand, der praktisch Null sein kann, getrennt. Nun ist es bekannt, daß bei einer solchen Anordnung der Statorpole ohne Erregung sich eine Winkelstellung des Rotors ergibt, die dem geringsten magnetischen Widerstand entspricht, der vom Ständer dem von den Polen ausgehenden Fluß entgegenwirkt. Dementsprechend ist der Rotor bestrebt, sofern er mechanisch frei ist, dies zu tun, sich so einzustellen, daß seine Pole jeweils dem Zwischenraum gegenüberstehen, der zwei Ständerhalbpole entgegengesetzter Polarität trennt. Diese Stellung entspricht bei der Erregung des Ständers einem maximalen Anlaufdrehmoment. Wenn dagegen, gemäß Fig. 4, die Rotorpole zwangsweise oder willkürlich veranlaßt Eind, sich auf die Mitte des Zwischenraums zwischen zwei gleichnamigen Ständerhalbpolen einzustellen (wobei die beiden Punkte einen bevorzugten Winkelbereich oe einschließen), ist das Anlaufdrehmoment bei der Erregung des Ständers gleich Null, da die wechselweise anziehenden und abstoßenden Kräfte F und F', die gleichzeitig von jedem Ständerhalbpol ausgehen und auf den entsprechenden Rotorpol einwirken, eine resultierende Fr ergeben, die ständig, gemäß der Achse X, durch das Zentrum des Rotors verläuft. Fig. E stellt graphisch den Verlauf des wechselnden Drehmoments C dar, dem der Rotor 1 iri Abhängigkeit von seiner Winkelstellung zum Winkelbereich oCdes Ständers ausgesetzt ist. Bei den oben beschriebenen Bedingungen

  wechselt das i-loment zl.:l_schen einem I-cixliiiiiin -i C max und

  einem Wert Null.

  Wenn nun gemäß der Erfindung F-#l_ne bestimmte Anzahl-

  von Halbpolzungen des Ständers unterdrückt :3j-rd, die dies

  in Fi g. f und 5 gestrichelt angedeutet ist, wird das inaq-

  net:ische Verhalten des Ständers in der Weise geändert, daß

  bei der Erregung des Ständers die gegensinnigen benachbar-

  ten Halbpole, wie z.B. 5'a und 5'b, durch den Fluß schnell

  gesättigt werden, der sie durchfließt, während die iso-

  lierten Halbpole, wie z.B. 5"a und 5"b, infolge der Ent-

  fernung der entgegengesetzt gerichteten Nachbarzunge ihre

  Magnetisierting nur sehr viel langsamer verändern, ohne die

  Sättigung zu erreichen.

  Fi.q. 3 erlzutert graplii:-;cii diese Ersche=inung; man

  erkennt liier die einander schneidenden Kurven der I:agne-

  tisierung L in Abhängigkeit vom magnetisierenden Fc-ld 11

  in den gesättigten Halbpolen Wurve i1) und in den nicht:

  gesüttiqten lialbf@f-#len (I;urve N?e wechselnde magnc tf1--

  motorische Kraft (Kurve I-i), die auf den ";tat-)r ausgei:l_ t

  r:ird, setzt sich in diesen Polen in eine alternative Ve r--

  änderung de- I'iusses uiIi, der in Dran Iti--#,ren f ? und

  darqestelit '_-t- und jeweils 31 .>ri;f. S.= entspricht. Nic.

  Abweichungen des FI-@asscin jedem t:c:i,'c-r@t in den Stat-cr-

  polen 5'a und. 5"a Ubertragen :-i#:h auf Jeden RGtorpol,

  vier eine Stilluna cinnirr<-t. w'.e ci1:' I `-.@. 5 zeigt,

  wechselnder-. .lt--ansi'rucliuIigeri f find

  diesem F1 uß . die sci-ri t :-=tdi.!7-f-# c111: E 1 ritt Unri verscii3_r (;-r3

  in ihrer :I:-:h-f= sind und-4 -uz alResul t-!_e-r"f_i= `r_

  eine EZ af- l- erc- i@

  :nd .--

  ihren r 'r@D:-' IZ^t:Dr hc@. f@nj=-

  :-i-richt.

  Dieser ständige Richtungswechsel der Linie Y, die nach der einen und der anderen Seite des Rotormittelpunkts hin- und herschwingt, ohne jemals dort anzuhalten, setzt sich in ein oszillierendes Moment C um, dem der Rotor ständig unterworfen ist und das in Fig. 7 in Abhängigkeit von dem oben definierten Winkelcut dargestellt ist.
• Unter diesen Bedingungen schwankt das Moment zwischen einem Höchstwert ± C max (der gleichen Größenordnung wie dies in Fig. 6) und einem Kleinstwert C min, der sehr verschieden von Null ist, und je nach der Ausführungsart von der Größenordnung von 20 bis 50 % des Höchstwertes C max.

Claims (1)

1. P a t e n t a n s p r u c ri --------------------------- Einphasiger Synchronmotor mit in einem Geh"iuse eingepaßtem Ständer und einem hierin umlaufenden Rotor aus einem Dauermagneten, wobei der Ständer einerseits eine mit dem Rotor koaxiale Erregerspule enthält und andererseits über den Umfang verteilte Pole aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole des Ständers je aus zwei Zungen gebildet sind, deren gegenseitiger Abstand größer ist als der zwischen benachbarten Polzungen, die zu Polen entgegengesetzter Polarität gehören, daß diametral gegenüberstehende Polzungen entgegengesetzte Polarität aufweisen und daß bestimmte einander diametral gegenüberstehende Polzungenpaare in der Weise unterdrückt sind, daß einerseits zwei benachbarte Polzungen verschiedener Polarität einen magnetischen Kreis bilden, dessen Magnetisierung bei jeder Umkehr des Erregerstroms verhältnismäßig schnell erfolgt, und andererseits eine dem Plan einer unterdrückten Polzunge benachbarte Polzunge einen magnetischen Kreis bildet, dessen Magnetisierung bei jeder Umkehr des Erregerstroms verhältnismäßig langsam erfolgt, damit jeder Rotorpol abwechselnd von einem schnell bis zur Sättigung magnetisierten und einem langsam magnetisierten Halbpol angezogen wird, zum Zwecke der Erzielung eines Selbstanlaufs des Motors in einer bevorzugten Drehrichtung.