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Die Erfindung bezieht sich auf einen drehzahlumschaltbaren Induktionsmotor,
insbesondere für Waschautomaten, mit einem Zwischenläufer, der gegenüber der Welle
frei drehbar ist und je einen Kurzschlußkäfig im Bereich seines Innen- und
seines Außenmantels trägt, mit einer ersten, ün Ständer angeordneten Erregerwicklung,
mit einem starr mit der Welle verbundenen Läufer, der eine zweite, über Schleifringe
gespeiste Erregerwicklung trägt, und mit Schaltmitteln zur willkürlichen Umpolung
des Drehsinnes des Feldes einer oder beider Wicklungen zur Erzeugung einer Summen-
oder Differenzdrehzahl der Welle.
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Ein derartiger Motor ist beispielsweise in »Elektrotechnik«,
9. Jahrgang Juni 1955, S. 212 und 213,
beschrieben. Der Zwischenläufer
dieses Motors treibt den Läufer mit der zweiten Erregerwicklung an, so daß sich
- je nach Drdhsinn der Erregung dieses Läufers - dessen Drehzahl als
Differenz oder Summe der Einzeldrehzahlen ergibt. Hierbei lassen sich Drehzahlen
erreichen, die höher als die Synchrondrehzahl eines 2poligen üblichen Motors sind.
Die erreichbaren Drebzahlverhältnisse sind jedoch niedrig, wenn man das absolute
Drdhzahlniveau ini Sinne einer guten Motorausnutzung hochhalten will. Beispielsweise
sei die Drehzahl des Zwisdhenläufers 3000 U/min, die des Läuferfeldes
1500 U/min. Die resultierenden Drehzahlen sind dann 4500 und 1500
U/min,
es ergibt sich also ein Verhältnis 3: 1.
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Wenn ohne Polumschaltung größere Drehzablverhältnisse erreicht werden
sollen, müssen sowohl die stehende als auch die rotierende Erregerwicklung höherpolig
ausgeführt werden. Der Absolutwert der Drehzahlen ist dann klein, so daß sich bei
vorgegebener Leistung, aufwendige Motoren mit großem Volumen ergeben. Wenn man die
stehende Erregerwicklung im Verhältnis 2: 4 polumsdhaltbar und die rotierende Erregerwicklung
6polig ausführt, läßt sich ein Drehzahlverhältnis von 8: 1 erreichen, wobei
dann die höchste Drehzahlstufe nur 4000 U/min beträgt.
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Es gibt jedoch Antriebsfälle, wie insbesondere Waschautomaten, bei
welchen ein höheres Verhältnis von Maximaldrehzahl zu Minimaldrehzahl verlangt wird.
Beispielsweise werden für die Trommel
eines Waschautomaten eine Waschdrehzahl
von höchstens 50 U/min und eine Schleuderdrehzahl von mindestens
900 U/min verlangt. Auch bei Verwendung polumschaltbarer Wicklungen lassen
sich mit dem bekannten Motor derartig extreme Drehzahlverhältnisse bei gleichzeitig
hohen Absolutwerten der Drehzahlen nicht verwirklichen. Zusätzlich wünscht man verschiedene
Zwischendrdhzahlen, insbesondere eine Sdhonschleuderdrehzahl und eine Verteilerdrehzahl,
welche die Wäsche vor dem Beginn des Schleuderns verteilen soll.
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Bei einer nach der USA.-Patentschrift 2 419 431 bekannten Drehzahlregelung
eines Induktionsmotors können ohne Zwischenläufer und mit nur einer Erregerwicklung
Drehzahlverhältnisse von bis etwa 1: 20 erzielt werden. Der Wirkungsgrad
eines solchen Motors ist jedoch bei Betrieb in der niedrigen Drehzahlstufe sehr
schlecht, weil eine Drehzahldrosselung dadurch erfolgt, daß dem Wechselstrom in
der Erregerwicklung ein bremsender Gleichstromanteil überlagert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen drehzahlumschaltbaren
Motor der eingangs beschriebenen Art so zu gestalten, daß bei hohen Absolutwerten
der Drehzahlen bereits ohne Polums#haltung größere Drehzahlverhältnisse erreicht
werden können.
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Deshalb wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß beide Erregerwicklungen
zweipolig sind und daß eine Erregerwicklung derart über den Umfang verteilt ist,
daß ein die zugehörige ideelle Leerlaufdrehzahl entsprechend herabsetzender Winkel
unbewickelt bleibt, während die andere Wicklung g
.. _gleichmäßig über
den Umfang verteilt ist.
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Das wesentliche Kennzeichen der Erfindung ist, daß die Leerlaufdrdhzahl
des Zwischenläufers gegenüber nur einer Erregerwicklung verringert wird. Erst dadurch
wird es möglich, beide Erregerwicklungen gleichpolig auszuführen und dennoch eine
stabile Differenzdrehzahl zu erhalten.
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Weitere Vorteile der durch die Ansprüche gekennzeichneten Erfindung
werden an Hand der Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
eines Antriebsmotors für Waschautomaten erläutert.
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F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen
Motor; F i 2 zeig ,t einen Blechschnitt zur Verminderung der Leerlaufdrehzahl mit
einer Lücke in Form eines an dieser Stelle vielfach vergrößerten Luftspalts; F i
g. 3 zeigt Drehmomen " t-Drehzahl-Kennlinien der Erregerwicklungen
mit dem Zwischenläufer; F i g. 4 zeigt eine Schaltung zur Gleichstromerregung
einer der Erregerwicklungen.
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Der Ständer des Motors nach F i g. 1 besteht aus dem Ständerblechpaket
1 mit der stehenden Erregerwicklung 2 und den Lagerschilden 3 und
3'. Der Läufer mit dem Blechpaket 4 und der rotierenden Erregerwicklung
5 ist mit der Welle 6 in den äußeren Kugellagern 7 und
7' gelagert. Das Blechpaket 8 des Zwischenläufers ist am äußeren und
am inneren Luftspalt genutet und trägt zwei Käfigwicklungen, die mit den im Ständer
und im Läufer angeordneten Teil-Erregerwicklungen zusammenwirken. Die Kurzschlußringe
9 und 9' des äußeren und 10 und 10' des inneren Käfigs
können an jeder Stirnseite des Zwischenläufers miteinander verbunden sein. Bei einer
Trennung ergeben sich höhere Läuferwiderstände. An den Kurzschlußringen sind die
Lagerschilde 11
und 12 des Zwischenläufers befestigt. Ein Lagerschild
11 kann zweckmäßig an die Kurzschlußringge 9 und 10' angegossen
sein, während das andere bei der Montage des. Motors aügeschraubt wird. Der Zwischenläufer
rotiert frei mit den inneren Kugellagern 13 und 13' auf der Welle
6.
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Der rotierenden Erregerwicklung 5 wird der Strom über die Bürsten
14 und die Schleifringe 15 zugeführt. Die Wicklungsanschlüsse 16 werden
durch das hohle Ende 17 der Welle 6 durch die Kugellager
7"
und 13' zu den Schleifringen 15 geführt. Insbesondere für
Waschautomaten ist es wichtig, die Schleifringe gegen die aggressive Waschatmosphäre
zu schützen. Deshalb sind die Schleifringe 15 vorteilhaft durch das isolierende
Kunststoffgehäuse 18 nach außen vollständig gekapselt. Im Kunststoffgehäuse
18 werden die Bürsten 14 geführt.
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Die Lagerschilde 11 und 12 des Zwischenläufers sind gleichzeitig
als Radiallüfter gestaltet. Die Kühlluft wird von den neben den Kurzschlußringen
angeordneten Lüfterflügeln 19 und 19' direkt über die Naben 20 und
20' durch die Öffnungen 21 und 2Y der Lagerschilde 3 und 3' angesaugt
und durch die
äußeren radialen öffnungen 22 und 22' der Lagerschilde
nach außen geblasen.
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Erfindungsgemäß sind beide Erregerwicklungen 2 und 5 2polig.
Die Leerlaufdrehzahl des Zwischenläufers beim Zusammenwirken mit der stehenden Erregerwicklung
2 ist reduziert. Das könnte man dadurch erreichen, daß man in bei andersartigen
Maschinen bekannter Weise (»Electrical. Review«, 18. 11. 1960, S. 863) mehrere
benachbarte Nuten unbewickelt läßt und lediglich mit einem Dämpferkäfig belegt.
Vorteilhafter hinsichtlich der Stromwärmeverluste ist es jedoch, einen Blechschnitt
23
nach F i g. 2 zu verwenden, der mit einer Lücke 24 versehen ist,
welche über einer Zone des Läuferumfanges mit der Breite *L einen vielfach vergrößerten
Luftspalt bildet. Die ideelle Leerlaufdrehzahl wird etwa im Verhältnis
kleiner als die sidh aus der Polzahl p der Wicklung und der Netzfrequenz
f berechnende Synchrondrehzähl
Im Beispiel in F i g. 2 wurde CCL = 36' gewählt, so daß sich
bei einer 2poligen Bewicklung eine ideelle Leerlaufdrehzahl von n. = 2700
U/min ergibt. Für die Bewicklung des Blechschnitts 23 wird die Lücke 24 als
eine Nut betrachtet. Es ergeben sich also insgesamt 01 24 Nuten einschließlich der
23 regelmäßig verteilten normalen Nuten 25. Um Blech zu sparen, ist über
der Lücke 24 das Joch 26 zur Bohrung hin verdrängt.
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Die Verwendung eines Blechschnitts nach F i g. 2 hat gegenüber
einem konventionellen Blechpaket mit mehreren unbewickelten Nuten den Vorteil, daß
sich keine störenden Oberfelder ausbilden können, welche die Verluste und die Geräusche
des Motors einpfindlieh erhöhen.
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Schaltet man nur die stehende Erregerwicklung 2 ein, so dreht sich
der Zwischenläufer mit der dazugehörigen reduzierten Leerlaufdrehzahl von beispielsweise
2700 U/min. Die Welle 6 dagegen steht still. Erst wenn man auch die
Erregerwicklung 5 dazu einschaltet, dreht sich die Welle 6. Je nachdem,
welche Drehrichtung man schaltet, überlagert sich die Leerlaufdrehzahl von
3000 U/min gegensinnig oder gleichsinnig zu der Drehzahl des Zwischenläufers,
so daß sich an der Welle 6 die Drehzahlstufen 300 U/min und
5700 Ufmin ergeben.
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Die Erregerwicklungen 2 und 5 sowie die Widerstände des äußeren
und inneren Käfigs des Zwischenläufers werden vorteilhaft so ausgelegt, daß die
stehende Erregerwicklung 2 eine Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie 28 (F i
g. 3) mit dem Zwischenläufer bildet, die rotierende Wicklung 5 dagegen
eine Kennlinie 29. Für die Surnmenschaltung beider Drehzahlen ist es zweckmäßig,
daß beide Anzugsmomente MA und #die Kippmomente MZ und MK"' etwa gleich sind. Bei
Belastung mit dem Nerminoment MN stellt sich in der Differenzschaltung die
Drehzahl als Ab-
schnitt zwischen dem motorischen Bereich der Kennlinie
29 und dem spiegelbildlich zur Drehzahlachse aufgetragenen Ast
28" der generatorischen Kennlinie 28' ein. Der belastete Läufer dreht
sich relativ zu der Erregerwicklung, die für die niedrigere Leerlaufdrehzahl ausgelegt
ist, im generatorischen Bereich mit übersynchroner Drehzahl. Für die Differenzschaltung
ist es vorteilhaft, daß die Kennlinien 28' und 29 im Bereich von der
Leerlaufdrehzahl bis zum Kippmoment möglichst steil verlaufen, so daß die Kennlinie
28" die Kennlinie 29 möglichst im Bereich ihres Kippmoments MI(" schneidet.
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Besonders im Hinblick auf die Verwendung als Antriebsmotor für eine
vollautomatische Waschmaschine ist es vorteilhaft, die stehende Erregerwicklung
zusätzlich polumschaltbar auszuführen, vorzugsweise im Verhältnis 2: 4. Dadurch
lassen sich ohne wesentlichen Aufwand zwei weitere Drehzählstufen verwirklichen.
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Die Wicklungsstränge der Teil-Erregerwicklungen lassen sich grundsätzlich
sowohl parallel als auch in Reihe schalten. Auch die Verwendung nur eines Betriebskondensators
für beide Wicklungen ist möglich, falls eine Speisung durch ein Einphasen-Wechselstromnetz
erfolgt.
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Man kann ferner zur Kupplung der beiden Läufer eine der Erregerwicklungen
gemäß F ig. 4 mit Gleichstrom erre-en. In eine Netzzuleituno, der in Steinmetzsdhaltung
an das Einphasennetz angeschlossenen Erregerwicklungen 2 und 5 sind je ein
Einweg-Gleichrichter 30 in Reihe mit einem Widerstand 31
geschaltet.
Die Schalter 32 und 33 sind normalerweise geschlossen und überbrücken
die Reihenschaltung von Gleichrichter und Widerstand. Die Widerstände
31 dienen zur einstellbaren Begrenzung des Gleichstroms.
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Bei öffnung des Schalters 32 ist der Läufer mit dem Zwischenläufer
nach dem bekannten Prinzip einer asynchronen Schlupfkupplung gekuppelt. Man kann
derart die von der stehenden Erregerwicklung bewirkte Drehzahl des Zwischenläufers
abzüglich einer Schlupfdrehzahl von etwa 100 U/min auf die Welle
6 übertragen.
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Derart lassen sich in einfacher Weise bereits ohne Verwendung polumschaltbarer
Wicklungen drei verschiedene Drehzahlstufen erreichen.
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Eine weitere Möglichkeit, um vorteilhaft mit einfachen Mitteln eine
weitere Drehzahlstufe zu erzielen, ist die kapazitiv generatorische Ankopplung des
Zwischenläufers an eine der Erregerwicklungen. Dabei macht man von der Tatsache
Gebrauch, daß ein angetriebener, jedoch vom Netz getrennter Betriebskondensatormotor
sich selbst zu erregen vermag, so daß er als Asynchrongenerator wirkt. Diese Selbsterregung
beginnt meist erst im Bereich der auf 50 Hz bezogenen Synchrondrehzahl und
ist durch die Größe der Kapazität zu beeinflussen. Desgleichen hängt die Drehzahl
des Beginns der Selbsterregung auch von der Art der Zuschaltung einer oder mehrerer
Kondensatoren zu nur einem oder mehreren Wicklungsteilen ab. Bei einphasigger Selbsterregung
in der Schaltung als Betriebskondensatormotor bewirken schondie Eigenverhiste des
Motors ein bremsendes Drehmonient. Man kann jedoch auch zusätzlich ohmsche Belastungswiderstände
an die Motorklemmen anschließen.
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Schließt man die rotierende Erregerwicklung 5 an das Netz an
und betreibt die polumschaltbar ausgeführte Erregerwicklung 2 in 4poliger Schaltung
mit kapazitiver Selbsterregung, so dreht sich der Zwischenläufer relativ zum Ständer
je nach Größe der
zugeschalteten Kapazität mit etwa
1300 bis beispielsweise 2500 Uimin. Die Läuferdrehzahl beträgt dann
1600 bis 400 U/min, Wenn man stufenweise Kondensatoren zuschaltet und zusätzlich
stellbareBelastungswiderstände vorsieht, lassen sich die Drehzahlen in diesem Bereich
stetig einstellen, im