DE1925305B1

DE1925305B1 - Elektrischer Einphasenmotor

Info

Publication number: DE1925305B1
Application number: DE19691925305
Authority: DE
Inventors: Alwin Borchers; Sjotun Kyrre Guttorm; Hansen Gunnar Lyshoj; Jorgen Rono-Clausen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1969-05-17
Filing date: 1969-05-17
Publication date: 1970-12-17
Also published as: CA931614A; US3614494A; GB1312957A; SE359412B; NL142842B; ES379674A1; CS179361B2; NL7007010A; BE749599A; FR2042713A1; CH503412A; AT295717B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Einphasenmotor, bei dem einem Stator mit zwei gegeneinander versetzten Wicklungen, von denen die erste (Hilfswicklung) eine andere Auslegung hat als die zweite (Hauptwicklung), zwei im Gegensinn umlaufende Rotoren zugeordnet sind, von denen der zweite erst in seiner Arbeitsdrehrichtung hochläuft, nachdem der erste im wesentlichen hochgelaufen ist, insbesondere für Ölbrenner, bei denen der erste Rotor ein Gebläse und der zweite Rotor verzögert eine Ölpumpe antreibt.

Bei einem solchen Einphasenmotor erfahren zunächst beide Rotoren ein Antriebsdrehmoment im gleichen Drehsinn. Läuft der zweite Rotor langsamer hoch als der erste Rotor oder wird er gar festgehalten, so erfährt in gewissen Fällen der zweite Rotor nach einiger Zeit ein Antriebsdrehmoment im entgegengesetzten Drehsinn. Der Aufbau auf der Statorseite entspricht einem üblichen Einphasenmotor; es ist eine Hauptwicklung vorhanden und eine Hilfswicklung, die nach dem Hochlaufen beider Rotoren abgeschaltet wird.

In der Regel ist der zweite Rotor so ausgelegt, daß er nur dann wirksame Arbeit zu leisten vermag, wenn er gegensinnig zum ersten Rotor umläuft. Dies gilt beispielsweise für einen älteren Vorschlag, bei dem der erste Rotor ein Gebläse für eine Feuerungsanlage antreibt und der zweite Rotor eine zugehörige Ölpumpe, die nur in einer Richtung wirksam ist. Läuft der zweite Rotor nicht im Gegendrehsinn hoch, versagt die Anlage.

Wenn bei einem solchen Einphasenmotor in der Spannungszuführung eine kurze Unterbrechung auftritt, kann es geschehen, daß der erste, mit dem Gebläse verbundene Rotor beim Wiederauftreten des Stromes noch läuft und daher wieder seine normale Drehzahl annimmt, während der zweite Rotor bereits zum Stillstand gekommen ist und — da die Hilfswicklung abgeschaltet war — nur noch gleichsinnig mit dem ersten Rotor oder gar nicht hochlaufen kann. Außerdem hat es sich gezeigt, daß der Effekt des verzögerten gegensinnigen Hochlaufens des zweiten Rotors stark von der angelegten Spannung abhängig ist. Insbesondere genügte oft schon eine Erhöhung der Spannung innerhalb der üblicherweise zugelassenen Toleranz, um ein Hochlaufen des zweiten Rotors im gewünschten Sinn zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Einphasenmotor mit zwei Rotoren, die gegensinnig zueinander umlaufen sollen, anzugeben, der gegenüber den geschilderten Problemen bei kurzzeitigem Stromausfall und bei Spannungsschwankungen (Stillstand oder Anlauf eines Rotors in unzulässiger Drehrichtung) unempfindlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Wicklungen gemeinsam ein- und ausschaltbar sind und daß die Phasendifferenz der Ströme in beiden Wicklungen im Anlauf augenblick kleiner als 20° ist, aber bei der höchstmöglichen Betriebsspannung bis zum Beginn des Hochlaufs des zweiten Rotors in seiner Arbeitsdrehrichtung 0° nicht unterschritten hat.

Da die Hilfswicklung während des Motorlaufs dauernd eingeschaltet bleibt, wirkt sie auch nach einem Stromausfall in der üblichen Weise, so daß der zweite Rotor in seiner Arbeitsdrehrichtung entgegen dem ersten Rotor hochlaufen kann. Damit sich aber durch die dauernde Wirksamkeit der Hilfswicklung im Betrieb kein Nachteil ergibt, wird sie so ausgelegt, daß die Phasendifferenz der Wicklungsströme erheblich keiner ist als üblich. Interessanterweise hat es sich gezeigt, daß bei Einphasenmotoren mit zwei Rotoren trotz der geringeren Phasendifferenz einwandfreie Startbedingungen geschaffen werden. Zu Beginn braucht im wesentlichen nur das Anlaufmoment für den ersten Rotor und das damit gekuppelte Aggregat zur Verfügung zu stehen. Nach dem Hochlauf des ersten Rotors wirkt dessen Drehfeld derart auf den zweiten Rotor ein, daß dieser bei seinem Hochlauf ein erhebliches Kippmoment erzeugt. Je kleiner das Antriebsmoment für das vom ersten Rotor anzutreibende Aggregat ist, um so kleiner kann die Phasendifferenz gewählt werden; nach dem Hochlaufen des ersten Rotors steht für den zweiten Rotor ein ausreichendes Moment zur Verfügung

Unabhängig hiervon sollte eine untere Grenze der Phasendifferenz beachtet werden. Die Phasendifferenz ist sowohl von der Betriebsspannung als auch vom Hochlauf-Zustand der Rotoren abhängig. Damit sicher ist, daß unter allen Betriebszuständen der zweite Rotor im richtigen Drehsinn hochläuft, sollte die Phasendifferenz bei der höchstmöglichen Betriebsspannung zu Beginn des Hochlaufs des zweiten Rotors in seiner Arbeitsdrehrichtung 0° nicht unterschritten haben.

In der Praxis hat sich eine Phasendifferenz im Anlaufaugenblick bei Nennspannung von 5 bis 8° als sehr günstig herausgestellt. Bei einer solchen Phasendifferenz ließ sich innerhalb eines Spannungsbereichs von 160 bis 240 V sowohl das Gebläse als auch verzögert die Ölpumpe einer Feuerungsanlage mit Sicherheit antreiben.

Die gewünschte kleine Phasendifferenz läßt sich auch bei einenm höheren ohmschen Widerstand der Hilfsphase auf einfache Weise dadurch erzielen, daß die Hilfswicklung eine höhere Windungszahl als die Hauptwicklung hat.

Die Windungszahl der Hilfswicklung beträgt vorteilhafterweise mindestens das zweifache der Windungszahl der Hauptwicklung. Bei einer praktischen Ausführung wurden mit dem Faktor 2,7 gute Ergebnisse erzielt.

Damit trotz dieser Windungszahlverhältnisse die im Stator vorgegebenen räumlichen Gegebenheiten gut ausgenutzt werden können, empfiehlt es sich, die Hauptwicklung aus einem Material höheren spezifischen Widerstandes, z. B. Aluminium, als demjenigen des Materials der Hilfswicklung, z.B. Kupfer, bestehen zu lassen.

Günstig ist es ferner, wenn der Strom in der Hilfswicklung demjenigen in der Hauptwicklung voreilt. Dann ist die Gefahr, daß die Phasendifferenz bei Spannungserhöhungen unter 0° sinkt, geringer.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sollte das Produkt von Länge und Widerstand des ersten Rotors größer sein als dasjenige des zweiten Rotors. Insbesondere können die Rotorlängen annähernd gleich und der Widerstand des ersten Rotors größer als derjenige des zweiten Rotors sein. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, daß die Kurzschlußringe und gegebenenfalls die Stäbe des ersten Rotors aus Aluminium und diejenigen des zweiten Rotors aus Kupfer bestehen. Bei einer solchen Auslegung ist sichergestellt, daß das Anlaufmoment des ersten Rotors so groß ist, daß dieser Rotor als erster

hochläuft. Daß der zweite Rotor dabei ein kleineres Anlaufmoment erhält, ist wegen dessen Drehrichtungsumkehr ohne Bedeutung. Dafür hat aber der zweite Rotor infolge seines geringeren Rotorwiderstandes ein höheres Kippmoment, wie es gerade für eine Pumpe benötigt wird. Bei gleicher Rotorlänge hat sich in der Praxis ein Widerstandsverhältnis von 1:1,3 als günstig herausgestellt. Dieser Gedanke läßt sich mit Vorteil auch bei Motoren dieser Art mit abschaltbarer Hilfsphase anwenden.

Sodann ist es zweckmäßig, die Pumpe bis zum Anlauf in der Arbeitsrichtung unwirksam zu machen. Dies kann dadurch geschehen, daß die Pumpe einen mit einem Rückschlagventil versehenen Kurzschlußpfad besitzt, über den Öl umgewälzt wird, wenn die Pumpe entgegen ihrer Arbeitsdrehrichtung angetrieben wird. Sehr günstig ist es auch, dem zweiten Rotor eine Vorrichtung zuzuordnen, die eine Rotation nur in der Arbeitsdrehrichtung erlaubt. In dem letztgenannten Fall steht ein größeres Drehmoment für den Antrieb des ersten Rotors zur Verfügung.

»Der beschriebene Einphasenmotor eignet sich auch für andere Anwendungszwecke, z. B. für den Antrieb eines Gebläses einer Gasheizung, bei der der zweite Rotor verzögert ein Gasventil öffnet, was z. B. über eine angekuppelte Torsionsfeder geschehen kann, die beim Abschalten des Motors das Gasventil wieder schließt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Einphasenmotor in schematischer Darstellung,

F i g. 2 ein Schaltbild für diesen Einphasenmotor und

Fig. 3 ein Strom-Spannungs-Diagramm für die Ströme in den beiden Statorwicklungen.

Ein Einphasenmotor 1 besitzt einen Stator 2, einen ersten Rotor 3 und einen zweiten Rotor 4. Der Stator besitzt eine Hauptwicklung 5 und eine Hilfswicklung 6, der Rotor 3 einen Kurzschlußkäfig 7 und der Rotor 4 einen Kurzschlußkäfig 8. Der Rotor 7 treibt über eine im Lager 9 gehaltene Welle 10 ein Gebläserad 11. Der Rotor 4 treibt über eine in einem Lager f 12 gehaltene Welle 13 eine Ölpumpe 14, die über eine Leitung 15 Öl ansaugt und über eine Leitung 16 an eine Zerstäuberdüse fördert.

Der Welle 13 ist ein Gesperre 17 zugeordnet, das eine Drehung des Rotors 4 im Sinne des Pfeiles I (Arbeitsdrehrichtung des Rotors 3) verhindert und nur eine Drehung im Sinne des Pfeiles II zuläßt. Statt dessen kann auch eine Kupplung vorgesehen sein, die die Pumpe 14 nur bei einer Drehung des Rotors 4 im Sinne des Pfeiles 2 mitnimmt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, der Pumpe einen Kurzschlußkanal 18 mit einem Rückschlagventil 19 zuzuordnen, das öffnet, wenn die Pumpe 14 durch den Rotor 4 so angetrieben wird, daß sie Öl entgegen ihrer normalen Arbeitsrichtung fördert.

Die Schaltung der Statorwicklungen ist sehr einfach. Wie F i g. 2 zeigt, sind die Hauptwicklung 5 und die Hilfswicklung 6 einander parallel geschaltet und über einen gemeinsamen Schalter 20 an die Netzklemmen 21 gelegt.

In F i g. 3 sind der Strom I₅ durch die Hauptwicklung 5 und der Strom /₆ durch die Hilfswicklung 6 in ihrer Phasenlage bezüglich der Spannung U dargestellt. Zwischen den Strömen I₅ und /₆ ist eine Phasendifferenz ψ vorhanden, die im vorliegenden Fall beim Einschalten des Motors kleiner als 20° sein soll, in der Praxis bei etwa 6 bis 7° liegen kann und auch bei der höchstmöglichen Betriebsspannung U zu Beginn des Hochlaufs des zweiten Rotors in seiner Arbeitsdrehrichtung Π 0° nicht unterschritten hat.

Bei einem Ausführungsbeispiel nahm die Hauptwicklung 5 zwei Drittel der Polteilung und die Hilfswicklung ein Drittel der Polteilung ein. Die Hilfswicklung bestand aus Kupfer und hatte die 2,7fache Windungszahl als die aus Aluminium bestehende Hauptwicklung 5. Die beiden Rotoren 3 und 4 besaßen die gleiche Länge des Blechpaketes. Der Widerstand des Kurzschlußkäfigs 7 war aber um 30 % größer als der Widerstand des Käfigs 8.

Die Betriebsweise des Motors bei Verwendung eines Gesperres 17 ist wie folgt: Beim Einlegen des Schalters 20 läuft zunächst der erste Rotor 3 in Richtung des Pfeiles I hoch, während der zweite Rotor 4, auf dem ein im gleichen Drehsinn wirkendes Moment ausgeübt wird, durch das Gesperre 17 festgehalten wird. Nachdem der erste Rotor 3 im wesentlichen hochgelaufen ist, wirkt sich das von ihm erzeugte Drehfeld auch auf den zweiten Rotor 4 aus, und dieser beginnt in Richtung des Pfeiles 2 hochzulaufen. Dabei steht ein genügend großes Drehmoment zur Verfugung, um die Pumpe 14 anzutreiben. Da die Pumpe 14 verzögert gegenüber dem Gebläse 11 anläuft, ist mit Sicherheit dafür gesorgt, daß beim Eintreten des Öls in den Feuerungsraum Frischluft in ausreichender Menge für die Verbrennung zur Verfügung steht. Beim Abschalten kommt der Rotor 4 infolge der Belastung durch die Pumpe 14 rasch zum Stillstand, während der Rotor 3 und das Gebläserad 11 noch längere Zeit auslaufen, was für eine Nachentlüftung des Feuerungsraumes günstig ist.

Wenn nach einem Stromausfall wieder Spannung zur Verfügung steht, läuft der Motor 1 automatisch wieder hoch, da die Hilfswicklung dauernd eingeschaltet blieb. Hierbei ist es gleichgültig, ob ein Rotor oder beide Rotoren bereits zur Ruhe gekommen waren.

Bei Spannungsänderungen an den Klemmen 21 ändert sich wegen der nichtlinearen Impedanzen die Phasenlage der Ströme I₅ und I₀ mit Bezug auf die Spannung U. Mit steigender Spannung nimmt hierbei die Phasendifferenz ψ ab. Diese Verkleinerung ist bezüglich des Anlaufs ohne Nachteil, da sich die Spannung bzw. die Ströme erhöht haben; jedoch darf zu Beginn des Hochlaufs des zweiten Rotors der Wert0° nicht unterschritten sein. Sinkt die Spannung, so wird auch diese Phasendifferenz größer, so daß trotz verminderter Spannung ein ausreichendes Anlaufdrehmoment zur Verfügung steht.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Einphasenmotor, bei dem einem Stator mit zwei gegeneinander versetzten Wicklungen, von denen die erste (Hilfswicklung) eine andere Auslegung hat als die zweite (Hauptwicklung), zwei im Gegensinn umlaufende Rotoren zugeordnet sind, von denen der zweite erst in seiner Arbeitsdrehrichtung hochläuft, nachdem der erste im wesentlichen hochgelaufen ist, insbesondere für Ölbrenner, bei denen der erste Rotor ein Gebläse und der zweite Rotor verzögert eine Ölpumpe antreibt, dadurch gekennzeich-

net, daß die beiden Wicklungen (5, 6) gemeinsam ein- und ausschaltbar sind und daß die Phasendifferenz {ψ) der Ströme in Hauptwicklung (S) und Hilfswicklung (6) im Anlaufaugenblick kleiner als 20° ist, aber bei der höchstmöglichen Betriebsspannung bis zum Beginn des Hochlaufs des zweiten Rotors in seiner Arbeitsdrehrichtung 0° nicht unterschritten hat.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz (ψ) in Hauptwicklung (5) und Hilfswicklung (6) im Anlaufaugenblick bei Nennspannung 5 bis 8° beträgt.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswicklung (6) eine höhere Windungszahl als die Hauptwicklung (5) hat.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl der Hilfswicklung (6) mindestens das zweifache der Windungszahl der Hauptwicklung (5) ist.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptwicklung (5) aus einem Material höheren spezifischen Widerstandes als demjenigen des Materials der Hilfswicklung (6) besteht.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom in der Hilfswicklung (6) demjenigen in der Hauptwicklung (5) voreilt.

7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt von Länge und Widerstand des ersten Rotors (3) größer ist als dasjenige des zweiten Rotors (4).

8. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorlängen annähernd gleich sind und der Widerstand des ersten Rotors (3) größer als derjenige des zweiten Rotors (4) ist.

9. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vom zweiten Rotor (4) angetriebene Pumpe (14) bis zum Anlauf des zweiten Rotors in der Arbeitsdrehrichtung unwirksam ist.

10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Rotor (4) eine Vorrichtung (17) zugeordnet ist, die eine Rotation nur in der Arbeitsdrehrichtung erlaubt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen