DE1961719B2

DE1961719B2 - Selbstanlaufender Synchron-Kleinmotor

Info

Publication number: DE1961719B2
Application number: DE1961719A
Authority: DE
Inventors: Yasuyoshi Kameyama; Yasuo Suzuki
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1968-12-09
Filing date: 1969-12-09
Publication date: 1974-04-04
Also published as: JPS5214405B1; US3614495A; DE1961719A1; DE1961719C3

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstanlaufenden Synchron-Kleinmotor mit koaxial zu der Rotorwelle angeordnetem, eine Erregerspule aufweisenden Stator, der mit zwei je einer Polarität zügeordneten Polzahngruppen versehen ist, die jeweils eine gleiche Anzahl von gleich breiten und regelmäßig über den Umfang verteilten Polzähnen aufweisen und die derart zueinander angeordnet sind, daß die Polzähne der einen Gruppe aus der Mittellage zwisehen benachbarten Polzähnen der anderen Gruppe in Umfangsrichtung versetzt sind, und mit einem Rotor, der eine der Gesamtzahl der Polzähne gleiche Anzahl von abwechselnd angeordneten N- und S-Polen aufweist.

Ein solcher Synchronmotor ist in der französischen Patentschrift 1413 365 beschrieben. Dabei sind die Zähne der beiden Polzahngruppen gleich breit gehalten, die Verteilung und Breite der Magnetpole gleicher Anzahl ist aber äußerst unterschiedlich und unregelmäßig, was die Herstellung eines solchen Polzahnträgers sehr aufwendig gestaltet. Darüber hinaus verleiht die getroffene Anordnung der Polzähne und Magnetpole im Motor zwar die Eigenschaft des Selbstanlauf es bei Einschalten des Stromes; die Drehrichtung, in der der Motor selbst anläuft, ist aber unbestimmt. Zur Festlegung der Selbstanlaufdrehrichtung ist zusätzlich eine mechanische Einrichtung erforderlich.

Bei einem anderen bekannten kleinen Synchronmotor bestehen die Statorpole aus zwei Arten von Zähnen, den Hauptpol- und den Hilfspol-Zähnen (österreichische Patentschrift 216 089), so daß der von beiden Polen erzeugte Induktionsfiuß einen Phasenunterschied aufweisen muß, um den Selbstanlauf des Pastors in immer gleich bleibender Richtung zu gewährleisten. Die Synchronmotore mit solchen Hilfspolzähnen haben einen schlechten Wirkungsgrad im Selbstanlauf und sind wegen ihres komplizierten Aufbaues sehr teuer. Einen besonders kleinen Wirkungsgrad hat der sogenannte Hysterese-Synchronmotor, wobei für den Rotor ein magnetisches Hysteresematerial verwendet wird.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Synchron-Kleinmotor anzugeben, der immer in einer bestimmten Drehrichtung anläuft, ohne Hilfspolzähne oder mechanische Vorrichtung zur Drehrichtungsbestimmung zu benötigen.

Diese Aufgabe wird bei einem Motor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Polzähne der einen Gruppe schmaler als die Polzähne der anderen Gruppe und in Drehrichtung versetzt sind und daß die N- und S-PoIe des Rotors gleich breit und regelmäßig über den Umfang verteilt sind.

Der erfindungsgemäße, richtungsstabil selbst anlaufende Motor zeichnet sich durch eine regelmäßige und einfach zu fertigende Polzahn- und Magnetpolanordnung aus, wobei die Maßnahme, die N- und S-PoIe des Rotors gleich breit und regelmäßig verteilt über den Umfang anzuordnen, aus der vorgenannten österreichischen Patentschrift 216 081 an sich bekannt ist.

Die Erfindung wird an Hand des ir. der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Synchronmotors,

F i g. 2 eine Ansicht des im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 vorgesehenen Stators,

Fig. 3 eine Ansicht des magnetisierten Rotors des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1,

F i g. 4 A bis 4 E Abwicklungen des Rotors und des Stators,

F i g. 5 ein Diagramm, daß das Selbstanlaufverhalten des Motors veranschaulicht.

Der in der Zeichnung dargestellte Synchronmotor ist in ein Gehäuse, das aus einem oberen Teil 1 und einem unteren Teil 2 besteht, eingebaut. Das untere Gehäuse 2 ist aus einem magnetischem Material hergestellt und bildet einen Teil des magnetischen Kreislaufs. Das untere Gehäuse hat die Form eines Zylinderkopfes, in dessen Boden eine zentrale Bohrung 3 vorgesehen ist. In diese Bohrung ist ein zylindrische] Magnetkern 4 eingepaßt. Der Magnetkern wird vor einem Spulenkörper 5' umfaßt, auf den eine Erregerspule 5 aufgewickelt ist. Ein Stator 6 hat die Fora

einer Scheibe und ist mit einer zentralen Bohrung? Rotors 12 (dem Stator6 gegenübergestellt) sind abversehen. Der Stator 6 ist am oberen Ende des wechselnd und regelmäßig zweiunddreißig N una Spulenkörpers so angeordnet, daß sein äußerer Rand £_p_oi_{e un}ter dem Winkel ""^ magnetisiert worden, in das obere Gehäuse 2 eingepaßt ist und der innere ² „

Rand der Bohrung 7 in eine Ausdrehung 4a des 5 Femer werden auf der anderen Oberfläche des κο-Kernes 4 eingreift. Dadurch wird ein geschlossener tors 12 (dem oberen Gehäuse zugekehrt) eine geeigmagnetischer Kreis über den Magnetkern 4, das nete Anzahl von N- und 5-Polen so magnetisiert, aaD untere Gehäuse 2 und dem Stator 6 gebildet. Am im Falle zu heftiger Anziehung des Rotors IZ durcn unteren Ende der Bohrung des Kernes 4 ist ein den Stator 6 diese durch magnetische Anziehung zwi-Lager 8 und in einer Bohrung des oberen Gehäues 1 xo sehen den magnetisierten Polen des Rotors und des ein zweites Lager 9 festgelegt. Eine Welle 10 aus rost- oberen Gehäuses ausgeglichen werden Können, roigfreiem Stahl ist in den Lagern 8 und 9 gelagert. Die lieh wird das Auftreten einer übergroßen Belastung Welle 10 ist am unteren Ende auf einer Stahlkugel, am unteren Ende der Welle auf die stahlkugel ix die in das Lager 8 eingepreßt ist, abgestützt. Am verhindert.

oberen Bereich der Welle 10 ist ein Rotor 12 mittels 15 Die Arbeitsweise des selbst anlaufenden bynctironeiner Büchse 13 mit Spielraum gegenüber dem Sta- motors nach der Erfindung wird an Hand der* lfr* tor 6 festgelegt. Der Rotor 12 ist aus hartmagne- erläutert, welche abgewickelte Darstellungen des statischem Material hergestellt und hat die Form einer tors (Fig. 2) und des Rotors (Fig. 3) im gegen^ei-Scheibe, auf der die Pole N uud S radial magnetisiert tigen Zusammenhang zeigt. Am Rotor IZ "enn^n sind. Diese Magnetisierung wird später beschrieben. 20 sich zweiunddreißig N- und S-PoIe, die aDwecnseinu Die Drehbewegung der Welle 10 wird mittels eines und unter regelmäßigen Abstanden unter dem win-Ritzels 14, das an derem oberen Ende festgelegt ist, _kel « + ß magnetisiert wurden. Auf dem Rotor 6 auf eine anzutreibende Einrichtung übertragen. 2

Fig. 2 zeigt die Anorcnung der Polzähne des weichen die schmaleren Polzahne 33 bis ⁴^J Stators 6 für den Fall eines Motors, der zweiunddrei- »5 -_Deii_ebi_gen Drehrichtung um den Winkel ^—γ— ^von ßie Pole aufweist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, . . . _c._ofr>r

be"steht der Stator 6 aus einem inneren Ring 15 und der Lage ab, in welcher alle zweiunddreißig Statoreinem äußeren Ring 16. Vom inneren Ring 15 gehen polzähne abwechselnd und bei regelmäßiger verteiradial und in gleichen Abständen sechzehn Polzähne lung gelegen waren. . .

17. 18, 19, 20, 21, 22, 23. 24, 25, 26, 27. 28, 29, 30 Bei der Anordnung der Polzahne des Stators sind 30. 31 und 32 aus und sind mit dem äußeien Ring 16 die Polzähne 33 bis 48, wie oben beschrieben, über sehr schmale Bücken 17', 18', 19', 20', 21', 22', schmaler als die der anderen PoIz 23', 24·, 25'. 26', 27', 28', 29', 30', 31' und 32' 33 und weichen in Drehnchtung verbunden. Vom äußeren Ring 16 wiederum erstrek- Pfeil P in F i; g. 4 A bis 4E) ab. Bei ken sich weitere sechzehn Polzähne 33, 34, 35, 36, 35 und Rotor in der m den Fig. 4A 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44. 45, 46, 47, 48 zum Lage zueinander, so daß die schmaleren Po ineren Ring 15 hin und sind so angeordnet, daß sie Stators 33 bis 48 den N- und ™len*» . .. zwischen den Polzähnen 17 bis 32 liegen und mit im wesentlichen mit der ganzen Oberfläche und cUe dem inneren Ring 15 über sehr schmale Bracken 33', anderen Polzähne 17 bis 32 den S- _uncI Abölen des W 35' 36' 37' 38' 39' 40' 41' 42' 43' 44', 40 Rotors 12 nur mit der halben Oberflache gegenuber-45-; 46','47' undii* Verbunden'sind.'Die Breite der stehen, so bleibt der Rotor 12 unbeweglich.Diese zweiten Zahngruppe 33 bis 48 ist gleich der Hälfte unbewegliche Lage, wie mFig.4A.oder Fig. 4B der Zahnbreitf dursten Gruppe.17 bis 32.. dar^eUt, ändert sich auch dann ni ht, weiche

dargesiellt, äd

^ausgehend'^{werden nach} S^JKSffllÄSSÄ

^K?£fiS£1Ä den Mittellinien der Pol- obenerwähnte ständig unbewegliche Lage gemäß zähne 33 bis 48 und denen der Polzähne 17 bis 32 Fig. 4A oder 4B zurück. Wechselbzw, der anliegenden Polzähne in Drehrichtung (hier 50 Wird die Erregerspule nun durch eine Wechsel angenommen entgegen dem Uhrzeigersinn) des spannung erregt so <^teht mjto.Pgg^<f Rotors 12 wird durch den Winkel« angegeben, wäh- Stators 17 bis 32 und »emen J™» rend die Entfernung zwischen den Mittellinien der bis 48 eine einander entgegengesetzte ™*™£ *™ Polzähne 33 bis 48 und denen der Polzähne 17 bis spricht die Lage des State« und Roton,der nacö 32 bzw. der anliegenden Polzähne in der der Dreh- 55 Fig. 4 A, wenn ^£"

in Drehrichtung des Rotors um den Winkel —γ- _wei_sen Jedoch erhalten die N-PoIe des Rotors IZ

bei regelmäßiger Anordnung gelegen wären. aui;u «-ruiamai atunw_Uw_U, .

F i g. 3 zeigt den Rotor 12 in magnetisiertem Zu- 65 finden. Auf diese Weise wird der ganze Rotor

stand, der mit dem Stator 6, abgestimmt auf den Fall Linksrichtung bewegt, d. h., er läuft entgegei

der in F 5 g. 2 gezeigten zweiunddreißig Pole, einge- Uhrzeigersinn um. setzt wird. Das heißt, an der unteren Oberfläche des Da beide Kräfte — zum einec werden die l·

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des Rotors 12 von den Polzähnen des Stators 33 bis 48 (mit S-Polarität) angezogen, zum anderen werden die entsprechenden S-PoIe durch die Polzähne des Stators 17 bis 32 (mit W-Polarität) nach rechts (entgegengesetzte Drehrich'iung) angezogen — in entgegengesetzte Richtungen wirken, so daß sie einander ausgleichen, wird die Drehbewegung in dieser Lage unterbrochen. Diese Lage ist in F i g. 4 C wiedergegeben. Der Arbeitsgang bis zu dieser Lage findet in der ersten Halbperiode der Wechselstromspannung statt.

Zu dem Zeitpunkt, da ein unerregter Zustand bei der Beendigung der ersten Halbperiode und bei der Richtungsänderung des in der Erregerspule 5 fließenden Stromes entsteht, bewegt sich der Rotor 12 in eine Ruhestellung (Fig. 4B). Durch die Richtungsänderung des Erregerstromes entsteht in den Polzähnen des Stators 17 bis 32 S-Polarität und in den Polzähnen 33 bis 48 entsprechend W-Polarität. Demzufolge sind die S-Polantät aufweisenden Pole des Rotors 12 durch den magnetischen Rückstoß, der zwischen diesen und den Polzähnen des Stators 17 bis 32 (ebenfalls mit S-Polarität) entstanden ist gezwungen, sich in die linke Richtung zu bewegen, so daß der Rotor 12 weiterhin entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird.

Diese rotierende Bewegung erfolgt so lange, bis sich Stator und Rotor in den in Fig. 4C gezeigten Stellungen befinden, d. h. bis die Kraft, mit welcher die entsprechenden W-PoIe des Rotors 12 durch die Polzähne des Stators 17 bis 32 mit S-Polarität nach rechts (entgegengesetzte Drehrichtung) angezogen werden, durch die die Anziehungskraft der entsprechenden S-PoIe des Rotors von den Polzähnen dts Stators 33 bis 48 mit W-PoI arität in linke Drehrichtung (in Drehrichtung) ausgeglichen wird und der Rotor 12 unbeweglich in der Stellung (Fig. 4C) bleibt.

Bei der wiederum erfolgten Beendigung der ersten Wechselspannungsperiode und der abermaligen Richtungsänderung des in der Erregerspule fließenden Stromes, d. h. im unerregten Zustand, findet praktisch kein Induktionsfluß von den Polzähnen des Stators ausgehend statt, und der Rotor bewegt sich in die oben beschriebene, beständig unbewegliche Ausgangsposition (Fi g. 4 A), in der er verharrt. In diesen Zustand, mit den gleichen Bedingungen wie anfangs, kehrt der Rotor nach einer Wechselspannungsperiode zurück. Der Rotor 12 wiederholt den gleichen oben beschriebenen Arbeitsgang und setzt seine Drehung in Gegenuhrzeigersinn (in F i g. 4 nach Ihiks) fort.

Dies heißt mit anderen Worten, der Rotor 12 dreht sich bei jeder der Erregerspule 5 aufgegebenen Wechselspannung entgegen dem Uhrzeigersinn (in normaler Drehnchtung).

Die vorstehende Erläuterung gilt auch, wenn die Richtung der in der ersten Halbperiode aufgegebenen Wechselspannung derjenigen nach Fig. 4B entspricht

Befindet sich der Motor im Zustand, wie in Fig. 4A gezeigt, d. h. wenn die aufgegebene Wechselspannung in der ersten Halbperiode in jene Richtung läuft, bei welcher in den Polzähnen des Stators 17 bis 32 eine S-Polarität entsteht, so wird dem Rotor 12 kein Drehmoment übertragen, da die entsprechenden S-PoIe des Rotors 12 im wesentlichen den Polzähnen des Stators 33 bis 48, die W-Polarität aufweisen, genau gegenüberstehen. Andererseits, wenn die entsprechenden W-PoIe des Rotors 12 von den Polzähnen des Stators 17 bis 32 mit S-Polarität in Drehrichtung abweichen, entsteht ein Drehmoment, das wirksam genug ist, um den Rotor in die entgegengesetzte Drehrichtung zu drehen.

Wird aber die in Fig. 4D gezeigte Stellung des Rotors 12 und des Stators 6 erreicht, so werden die Kräfte, mit welchen einerseits die entsprechenden W-PoIe des Rotors 12 von den Polzähnen des Stators

jo 17 bis 32 mit S-Polarität nach rechts (in umgekehrter Drehnchtung) angezogen und andererseits die entsprechenden S-PoIe des Rotors 12 von den Polzähnen des Stators 33 bis 48 mit W-Polarität nach links (in normaler Drehrichtung) angezogen werden, gegenseitig ausgeglichen. Demzufolge wird jede weitere Drehung des Rotors 12 unterbunden. Daraufhin, also im unerregten Zustand, während welchem die erste Halbperiode der Wechselspannung zu Ende geht und sich die Richtung des durch die Erregerspule fließen-

äo den Stromes umkehrt, gebt im wesentlichen von den Polzähnen des Stators kein Induktionsfluß aus, so daß sich der Rotor 12 leicht in Drehnchtung von der Lage gemäß F i g. 4 fortbewegt und zur Lage gemäß F i g. 4 A zurückkehrt. Anschließend wird die Rich-

»5 tung des durch die Erregerspule fließenden Stromes umgekehrt, in den Polzähnen des Stators 17 bis 32 wird W-Polarität und in den Polzähnen 33 bis 48 entsprechend S-Polarität erzeugt.

Es ist leicht zu erkennen, daß letztere Arbeitsgänge die gleichen sind, wie sie in der ersten Erläuterung beschrieben wurden. So fährt der Rotor 12 fort, sich bei jeder Periode der Wechselspannung wegen des doppelten Abstandes zwischen den anliegenden PoI-zahncn des Rotors 12 von verschiedener Polarität entgegen Uhrzeigersinn zu drehen.

Die oben beschriebene Erläuterung kann auch dann berücksichtigt werden, wenn die Richtung der ersten Halbperiode der aufgegebenen Wechselspannung, wie in Fig. 4B. so verlauf!, daß in den PoI-zähnen des Stators 17 bis 32 W-Polariiät entsteht. In diesem Falle bewegt sich der Rotor 12 während der ersten Hälfte der Periode in entgegengesetzte Drehrichtung, beginnt aber in der zweiten Halbperiode eine kontinuierliche Drehbewegung in normaler Drehnchtung.

Der allgemeine Vorgang, wie er aus der vorstehenden Erläuterung zu ersehen ist ist folgender: Der Rotor 12 beginnt für den Fall, daß bei der ersten Halbperiode in den Polzähnen des Stators 33 bis 48 dieselbe Polarität wie in den ihnen entsprechenden gegenüberliegenden Polen des Rotors 12 entsteht, sich in normaler Drehnchtung zu drehen. Bilden sich jedoch während der in der ersten Halbperiode aufgegebenen Spannung entgegengesetzte Polaritäten in den Polzähnen des Stators 33 bis 48 hinsichtlich der entsprechend gegenüberliegenden Pole des Rotors 12 aus, so wird sich der Rotor 12 während dieser ersten Halbperiode in entgegengesetzter Richtung drehen, daraufhin aber die normale Drehnchtung einnehmen.

In Fig.5 sind die Ergebnisse von Messungen wiedergegeben, die die Abhängigkeit zwischen der Breite der Polzähne 17 bis 32 sowie der Polzähne 33 bis 48 und der Startfahigkeit in gleichbleibender Richtung des Rotors 12 veranschaulichen. Diese Messun-

gen wurden unter Beibehaltung des gleichen Motors mit 32 Polen — wie in der dargestellten Ausführung — durchgeführt

In dem Diagramm sind auf der Ordinate die Brei-

— ","if -'-

ten der Polzähne des Stators 17 bis 32 und auf der Abszisse die Breiten der Polzähne 33 bis 48 aufgetragen. Im Hinblick auf die Selbstverständlichkeit, daß die Summe der Breiten der Polzähne weniger als 360°/16, also 22,5°, ergibt und daß in dem Falle, in dem die Summe beider Polzahnbreiten gleich ist, keine richtungsgleiche Startfähigkeit erzielt werden kann, wurden die Bereiche des Diagramms in Fig. 5, die mit dem Zeichen IEl versehen sind, nicht gemessen.

Diejenigen Bereiche des Diagramms gemäß Fig. 5, welche durch Linksschraffur gekennzeichnet sind, gewährleisten die Funktion des Motors nicht, der Rotor läuft nicht selbst an. In den Bereichen innerhalb der beiden konzentrischen Ringlinien mit Rechtsschraffur läuft der Rotor zwar an, ist aber unbeständig, was die Anlauf richtung anbelangt (er dreht sich in O bis 8O°/o der Fälle in umgekehrter Richtung). Lediglich in den Bereichen der Kreuzschraffur läuft der Rotor in jedem Falle in der gewünschten, bestimmten Drehrichtung an.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisse gegenwärtiger Messungen über die Abhängigkeit zwischen den Abweichwinkeln in Drehichtung der Polzähne des Stators 33 bis 48 und der Startfähigkeit des Rotors wiedergegeben:

a-ß 2	0°	Selbstanlaufverhalten
	Der Rotor läuft selbsttätig an, aber
1 bis 3°	nicht drehrichtungsbestimmt
	Drehrichtungsbestimmter Selbstan
Mehr als 4° ..	lauf
Unbeständiger Anlauf

Wie aus Fig. 5 und der Tabelle ersichtlich, kann festgelegt werden, daß eine gute und drehrichtungsbestimmte Startfähigkeit dann erzielt werden kanu, wenn bei den Polzahngruppen des Stators, die verschiedene Polarität aufweisen sollen, die Polbreite der einen Zahngruppe die Hälfte der Polbreite der Zahngnippe mit anderer Polarität beträgt und ungefähr 1 bis 3° in jede beliebige Drehrichtung abweicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen «9 514/1E

Claims

1 96i Patentansprüche:

1. Selbstanlauf ender Synchron-Kleinmotor mit koaxial zu der Rotorwelle angeordnetem, eine Erregerspule aufweisenden Stator, der mit zwei je einer Polarität zugeordneten Polzahngruppen versehen ist, die jeweils eine gleiche Anzahl von gleich breiten und regelmäßig über den Umfang verteilten Polzähnen aufweisen und die derart zueinander angeordnet sind, daß die Polzähne der einen Gruppe aus der Mittellage zwischen benachbarten Polzähnen der anderen Gruppe in Umfangsrichtung versetzt sind, und mit einem Rotor, der eine der Gesamtzahl der Polzähne gleiche Anzahl von abwechselnd angeordneten N- und S-Polen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Polzähne (33 bis 48) der einen Gruppe schmaler als die Polzähne (17 bis 32) der anderen Gruppe und in Drehrichtung versetzt sind und daß die N- und S-PoIe des Rotors (12) gleich breit und regelmäßig über den Umfang verteilt sind.

2. Synchronmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen scheibenförmigen Stator (6) mit einem inneren Ring (15), an dem die Polzähne (17 bis 32) der einen Gruppe radial nach außen abstrebend ausgebildet sind, und mit einem äußeren Ring (16), an dem die Polzähne (33 bis 48) der anderen Gruppe radial nach innen abstrebend ausgebildet sind.

3. Synchronmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Polzähne (17 bis 32 bzw. 33 bis 48) einer Gruppe jeweils über schmale Stege (17' bis 32' bzw. 33' bis 48') mit dem der anderen Gruppe zugeordneneten Ring verbunden sind.

4. Synchronmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polzähne (33 bis 48) der einen Gruppe des Stators (6) Vt bis Vs so breit sind wie die Polzähne (17 bis 32) von dessen anderer Gruppe und ihre Versetzung in Richtung der breiten Polzähne etwa 16 bis 48 elektrische Grade beträgt.

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