DE1927245A1 - Einphasenmotor mit proportional der Frequenz der Speisespannung veraenderlicher Drehzahl - Google Patents

Description

VDO TACHOMETER WERKE ' FRANKFURT/M W 90

ADOLF SCHINDLING GMBH' GRÄFSTRASSE 103

Einphasenmotor mit proportional der Frequenz der Speisespannung veränderlicher; Drehzahl, _

Die Erfindung "betrifft einen Einphasenmotor mit proportional der Frequenz der Speisespannung veränderlicher Drehzahl nach Art eines Spaltpol-Hysteresemotors, dessen gespaltene Statorpole aus je einem Hauptpol und einem um einen bestimmten Winkel in Umfangsrichtung versetzten, eine Kurzschlußwicklung tragenden Ililt'spol bestehen, und dessen Rotor aus radial magnetisieren, scheiben- oder ringförmigen, zur Erzeugung des Hauptanteils des synchronen Drehmoments dienenden Dauermagneten und einem scheiben- oder ringförmigen, im wesentlichen iiur Erzeugung eines Asynchronmomenbs dienenden Element aus einem magnetisierbarer! Werkstoff mit ausgeprägter Hysterese zusammengesetzt ist,

In vielen Anwendungsgebieten der Technik werden Antriebsmotoren mit proportional zu einer Steuerfrequenz veränderlicher Drehzahl benötigt, die zudem aus Kostengründen möglichst einphasig betrieben werden sollen, weil dreiphasige Generatoren nicht unerheblich aufwendiger sind,, Als Anwendungsmöglichkeit sei auf Antriebsmotoren für elektrische, mit einem Wegstreckenzählwerk gekoppelte Geschwindigkeitsmesser .für Kraftfahrzeuge hingewiesen, Hierbei kann der Antriebsmotor von einem Frequenzgenerator gespeist werden, der beispielsweise Von einer Radachse des Fahrzeuges angetrieben sein kann. Da das Zählwerk des Geschwindigkeitsmessers vom Beginn der Bewegung das Fahrzeuges und damit von der Frequenz Null an zählen muß und auf der anderen Seite der Geschwindigkeit,-] ■ messer bei hohen Drehzahlen bzw, Frequenzen von 50 Hz und mehr noch genau arbeiten soll, ist ein Antriebsmotor erforderlich, dessen Drehzahl in einem breiten, von Null ausgehenden Bereich proportional der Geschwindigkeit des Fahrzeuges veränderbar sein muß. Hierbei soll der. Motor im untersten Bereich von Null ab im Schrittbetrieb arbeiten, um eine exakte Zählung der aurückgelog · ten Wegs trecke zu erreichen, Die Geschwindigkeitsmessung dagogoti™ mit in der Regel unterdrücktem Nullpunkt - kann bei einer Geschwindigkeit von etwa 5 km/h beginnen, d.h. von einer dieser Geschwindigkeit entsprechenden Frequenz der Speisespannung an uoll.

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der Motor im Sjnohronba trieb bis zur oberen G-renzfrequenz sicher arbeiten, Der Erfindung war die Aufgabe gestellt, einen Motor für einen solchen Anv/andungsaweck -zu schaffen, der möglichst einfach 'im Aufbau und dahär billig in der Herstellung sein, sxalct bei Bewegungsbeginn de; iahrzeugas im Schrittbetrieb ein Übliches Wegs brockensählv/erk labreibsn, einen sicheren Übergang \rom Schritt in den Synoiironb'triub b-jsituen sowie-das notwendige Drehmoment für den Ln erleb eiiis fuchouitf ters bis zur Endgeschwindigkeit, beispielsweise eines Uir^eLntromtachomaters abgeben und bei einem Au'2 ar fci* i ', h f al Ίβη aus irgendeinem G-runde selbsttätig schnell wie— d Q ν i η d 3 η ü γη c η r ο η b e t r i e b laufen sol 11 e,

Jj¹Ui* di:ia--:ii Z,,'Hok bieten -.--Si-Jh zunächst die für Regel- und Steuerawecke in vieler:. ;lui5führ-ang£t'ormeri bekannten Cynehronmotore, so-. genannte Synchron, Drehmelder o, dgl., on, Solche Motoren können abac au3 physikalischen Gründen nur drei- oder mehrphasig betriebs α ward-3ii und sind daher r'ilatir teuer. Auch der notwendige Leitun^aauf -,-/and und dis S trir-vrif äLligkeit sind zu-groß.

Pur den ^rwünsohtfm Einphao-enbetrieb sind ferner Spaltpol-Hystereöy;.notore bekannt, die in der Regel einen sweLpoligen Stator besitzen, dessen Pole in ^inen Hauptpol und einen um ei.-ien bestimmten V/inkel in Unifangari^htung '/ersetzten, eine Kurzschlußwicklung tragenden Hilfspol gespalten sind, Der Rotor besteht aus magnetiöitirbarei>i 7/erkshjff mit einer ausgeprägten Hysterese, Diese bekannten Spaltpolrao toren nind ju-louh in ihrer Leistung zu schwach und fallen bereits bei g3ri/ig.ir Belas tu/ig außer Tritt, Tor allem aber haben bib den inchteil, d.--iß boim Sehr it tbetrieb keine definierte Ro borruh ;lage und daher kein gloiehblüibender Schaltv/inkel gewährleistet ist, "Zur Le is tungsverbessarung und Erhöhung des synchronen Drehmoments solohor f>pal tpol-Hya fceresomo toren i-^;jt eine Ausführung bekannt, bei der auf dem Rotor aus Hyateresewerksboff eine oder mehrere, radial niigne tlüi^r te nch^iben- oder ringförmige Dauermagnete fjfjt angeoi/dnet sind. Durch die Dauermagnete wird das Synchronmoi.ient wesentlich erhöht, Da aber gleichzeitig durch den Γ> treufluß der Dariormagnu te, der feste PoLe auf dem Hys bereseteil don Rotors aufzudrückun vermag, und wegen des von dem Dauermagneten bowirkton KLebemoiiients da« vom Hystereseteil do j Rotors he.-rührende Ais/riGhronnioment gonchwächt wird, fällt fiuch dieser Motor im Über-=·

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gangstereich vom Schrittbetrieb in den Synehronbetrieb bereits bei geringen Belastungen außer Tritt, Diese im Aufbau einfachen, einphasigen Spaltpolmotoren sind daher auch nur für den Synchronbetrieb bei bestimmten Drehzahlen gut geeignet.

Die Erfindung geht zur Lösung der gestellten Aufgabe vom Aufbau der vorstehend, zuletzt erwähnten und eingangs beschriebenen Spaltpol-Hysteresemotoren aus und behebt deren Nachteil für den Schrittbetrieb dadurch, daß der Querschnitt der auf den Hilfspolen angeordneten Kurζschlußwicklung derart bemessen ist, daß das Maximum des Asynchronmoments im unteren Teil des Frequenzbereiches der Speisespannung des Motors, vorzugsweise zwischen 5 und 20 Hz liegt. Durch eine möglichst große Bemessung des Querschnittes der Kurzschlußwicklung auf den Hilfspolen bis zu der durch die räumlichen Verhältnisse und die zulässige Erwärmung gegebenen Grenze v/ird in Verbindung mit der Wahl eines Hysteresewerkstoffes mit möglichst hoher Remanenz und geringer Koerzitivkraft, die zwischen der von Dauermagneten und magnetisch weichen Stoffen liegt, das bei einer bestimmten Erregung der Hauptpole durch die Statorwicklung erzielbare Maximum des Verlaufes des Asynchronmoments in Abhängigkeit von der Frequenz der Speisespannung soweit'nach dem unteren Frequenzbereich verschoben, daß bei relativ flach ausgeprägtem"" Maximum de-c asynchronen Momentenverlaufes im kritischen Frequenzbereich dee Motors, -«dem Übergang vom Schrittbetrieb in den Synchronbetrieb noch ein so hohes asynchrones Anzugsmoment wirksam ist, daß ein Kicherer Übergang auch bei der vorgesehenen Belastung, beispielsweise durch ein, einen hohen Reibungswiderstand aufweisendes übliches · Wegstreckenzählwerk gewährleistet ist. Durch die erfindungsgemäße Bemessung des Querschnittes der Kurzschlußwicklungen auf den Hilfspolen kann die von den Dauermagneten herrührende Schwächung des Asynchronmoments durch Klebemoment und Streufluß gerade im- kritischen Übergangsbereich durch die Verschiebung des Momentenverlaufes weitgehend kompensiert werden. Als weiterer Vorteil-ergibt sich durch die Verstärkung des Asynchronmoisente im untersten Frequenzbereich eine verstärkte "Dämpfung der Schwingungen" des Rotors im ?chrittbetriet und damit'eine sichere Ruhelage nach jedem Schaltschritt.

Da die Verschiebung des Maximums des a^vnchronen Drehmomente nach äem untersten Frscrae^r:rrereioh- zu jedo:u bewirkt, daß in' c"h»ren Fre-

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BADORiGlNAL

quenzbereich - bedingt durch den fallenden Kurvenverlauf - der vom Hystereseteil des Rotors herrührende Anteil am synchronen Drehmoment des Motors geschwächt wird, kann das zur Folge haben* daß der belastete Motor beispielsweise bei kurzzeitigem Aussetzen der Speisespannung bei hohen Drehzahlen nicht mehr ein genügend hohes asynchrones Anzugsmoment besitzt, um schnell wieder in den Synchronbetrieb laufen bezw. anlaufen zu können. Um diesen Mangel auszuschließen, sieht die Erfindung als weitere Maßnahme vor, auf dem Rotor mindestens zwei Dauermagnete in Achsrichtung getrennt anzuordnen, deren Magnetisierungsachsen in Umfangsrichtung um den gleichen oder annähernd gleichen Winkel gegeneinander verdreht sind,· um den je ein Haupt- und ein Hilfspol des Stators in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind. Durch diese Ver- W Setzung der Magnetachsen der Dauermagnete ergibt sich eine derartige magnetisphe Feldverteilung des Rotors in Umfangsrichtung, daß das von den Dauermagneten ausgeübte Klebemoment erheblich verkleinert und auch deren Streuflußwirkung vermindert wird. Die~ se Verminderung der schwächenden Wirkung der Dauermagnete ergibt im oberen Frequenzbereich bei hohen Drehzahlen des Motors die gewünschte Anteilsverbesserung am synchronen Drehmoment vom Hystereseteil des Rotors und auch ein eventuell notwendiges ausreichendes asynchrones Anzugsmoment.

Eine die Verschiebung des Maximums des asynchronen Drehmoments bewirkende Bemessung des Querschnittes der Kurzschlußwicklung auf . den Hilfspolen nach der Erfindung ist dann besonders vorteilhaft, wenn dieser Querschnitt größer ist als der Querschnitt des Eisenkernes der Hilfspole. Die Anlauf- und Schaltrichtung des Motors kann durch eine, eine Vorzugsrichtung bewirkende Gestaltung der Statorpolschuhe, und zwar in V-ekannter V/eise durch dex'en einseitige Verlängerung in Biehrichtung, zusätzlich gesichert sein. Für einen kompakten Motoraufbau ist es ferner vorteilhaft, die Statorwicklung als Ringspule auszubilden.

Ler Drehmomentverlauf und der Aufbau des Motors nach der Erfindung sei anhand dor Zeichnung einet- Aur-führungsbeispieles näher erläxitert. Diese zeigt in

fig. 1 ein TIomerit'Hagramm,

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Fig. 2 an einem Achsenschnitt schematisch den Aufbau des . · Motors und ,

* . Pig. 3 eine Ansicht einer Kurzschlußv/icklung.

Im Diagramm der Fig, 1 ist der Momentverlauf in den drei, die Be-»

triebsarten des Motors unterscheidenden Bereichen in Abhängigkeit von der Frequenz der Speisespannung bezw, der Drehzahl des diese beispielsweise geschwindigkeitsabhängig erzeugenden Frequenzgenerators dargestellt. Im Bereich I arbeitet der Motor im Schrittbetrieb und der Bereich II kennzeichnet den kritischen Frequenzbereich, in welchem der Übergang vom Schrittbetrieb in den mit III bezeichneten Bereich des Synchronbetrie"bes stattfindet. Während die Kennlinie a den Verlauf des'Gesambmoments des Motors zeigt, gibt die linie b den Verlauf des asynchronen, vom Hystereseteil des Rotors und die Linie c den Verlauf des synchronen, von den Dauermagneten auf dem Rotor herrührenden Moments wieder. Die Kennlinie d zeigt zum Vergleich den Verlauf des Asynchronmomentes eines Spaltpol-Hysteresemotors ohne die Maßnahmen nach der Erfindung und ohne Dauermagnete auf dem Rotor :■ Es ist erkennbar, daß ein solcher Motor für den Schrittbetrieb ungeeignet ist,

Für den Anlauf des Motors im Schrittbetrieb (Bereich I) ist zunächst ausschließlich das Synchrohmoment c' des Dauermagnetbeiles wirksam. Bei einer Frequenz der Speisespannung von etwa 2 ■3 Hz bricht dieses Moment praktisch zusammen - es pendelt im kritischen Bereich II Undefiniert zwischen positiven und negativen Werten - und tritt am Ende des Bereiches II als Synchronmoment mit einem Verlauf nach der Kennlinie c für den Dauerlauf des Motors wieder" auf. Die Lücke im kritischen Fi«iuenabereich II, dem Übergang vom Schritbbe trieb in den Synehronbetrieb, wird nach der Erfindung durch die Verschiebung der asynchronen Kennlinie b nach dem untersten Frequenzbereich zu ausgefüllt. Das nun in diesem Bereich bereits wirksame, vom Hysterese beil c1e3 Rotors herrührende asynchrone Drehmoment ist ausreichend groß, um ein Außerbrittfallen des Motors am Ende des Schrlttbereichea I zu verhindern, den Übergangsbereich II Lm asynchronen Lauf zu überbrücken und einen schnellen Übergang in den Synehronbetrieb (Bereich III) sicherzusbellen* ·

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Fig, 2 seigb sohematiach den Aufbau 'eines Motors· nach der Er-» findung an einem Achsenschnitt durch.die Hilfspole, Der Wickel« kfirper 1 mit Ringapulwlcklung 2 ist von einer PoTblechschale 3 und einem Deokaltsil 4 allseits umschlossen» Aus dem Boden der Schals 3 und dem Deekel 4 sind die Statorpole ausgestanzt und auf die innere Sylinderfläche des S'tators umgebogen,, "Von den Polen sind in der Schnittζeiühnuiig nur die Hilfspole 5 sichtbar, In Lagerbüchsen 6 im Paulen 3 und Deckel 4 ist der Rotor mit seiner Welle 7 gelagert« Die Vfelle 7 trägt einen eSktrisch nichtleitenden Karnteil 8, auf welchem in der Mitte ein Ring aus Hys toresewerkstoff 9 und au dessen beiden Seiten Dauermagnetringu 10 festsitzend angeordnet sind,

Auf den Hilfspolen 5 ist die Kürzsohlußwicklung in IPorm von je zwei Eupferschöiben 11 aufgeschoben. Fig. 3 zeigt eine Ansicht dieser Kurzschlußseheiben und man erkennt* daß der wirksame Querschnitt der gesamten Kuraschlußwicklung im gezeichneten Bei-=« apiel größer int als der Eisenkernquerschnitt der Hilfspole 5. In Pig. 3 sind gestrichelt ein Hilfspol 5 und der dazugehörige_? sonst nicht gezeigte Hauptpol 12 angedeutet, der in einem Sektorausschnitt der Kurzschlußscheibe 11 liegt. Etwa um den gleichen Winkel, um den je ein Haupt- und ein Hilfspol das Stators in ITmfangsrichtung versetzt sind, sind die Magnetisierungsachsen der beiden Dauermagnetringe 10 gegeneinander verdreht, Die Form der Scheiben 11 dient der Schaffung von Webonschlußijiegen für die Kurzsehlußströme und der besseren Ableitung der in den Seheiben entstehenden Wär-nie.

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Claims (5)

Patentansprüche♦

1./ Einphasenmotor mit proportional der Frequenz der Speisespannung veränderlicher Drehzahl nach Art eines Spaltpol-Hysteresemotors, dessen gespaltene Statorpole aus je einem Hauptpol und einem um einen bestimmten Winkel in Umfangsrichtung versetzten, eine Kurzschlußwicklung tragenden Hilfspol bestehen und dessen Rotor aus radial magnetisierten, scheiben- oder ringförmigen, zur Erzeugung des Hauptanteiles des synchronen Drehmoments dienenden Dauermagneten und einem scheiben- oder ringförmigen, im wesentlichen zur Erzeugung eines asynchronen Moments dienenden Element aus einem magnetisierbarer! YJerkstoff mit ausgeprägter Hysterese zusafsmerigesetzt ist, dadur^i^^gekenn^ichnyßt, daß der Querschnitt der auf den Hilfspolen angeordneten KurEschlußvjicklung derart bemessen ist, daß das Maximum des Arynehronraoments im unteren Teil des Frequenzbereiches, der Speisespannung;» vorzugsweise zwischen 5 und 20 Wz liegt.

2./ Einphasenmotor nach Anspruch 1, dadurch zeiclmet, daß der Querschnitt der Kurzselilußwicklung größer ist als der Querschnitt des EiEcnlie der Hilfspole.

3·/ Einphasenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzelclmet, daß mindestens zwei in Achsrichtung peirptmt angeordnete Dauermagnete auf dem Rotor vorgesehen und deren Magnet!sierungsaehseii in Umfangsrichtung um den gleichen oder annähernd gleichen Winkel gegeneinander verdreht sind, um den ,je ein Haupt- und ein Hilfspol des Stators in Umfangsiichtung gegeneinander versetzt sind.

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4./ Einphasenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine, eine Vorzugsrichtung bewirkende Gestaltung der Statorpolschuhe.

5./ Einphasenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung als Ringspule ausgebildet ist.

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L e e r s e i t e