DE2304455C3 - Drehzahlveränderlicher Kurzschlußläufer-Elektromotor mit Schrittmotoreigenschaften - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen drehzahlveränderlichen Kurzschlußläufer-Elektromotor mit Schrittmotoreigenschaftem und relativ hohem Drehmoment bei niedrigen Dehzahlen, dessen Statorspulen durch eine elektronische Steuereinrichtung steuerbar sind. Ein derartiger drehzahlveränderlicher Kurzschlußläufer-Elektromotor ist aus der DT-AS 11 63 442 bekannt.

Für eine Reihe von Antriebszwecken wird ein einfacher und robuster Elektromotor ohne Getriebe benötigt, der im Bereich sehr niedriger Drehzahlen, beispielsweise bis 5/min, Schrittmotoreigenschaften besitzt und beispielsweise im Bereich zwischen 5 und 600/min kontinuierlich in der Drehzahl gesteuert werden kann und dabei gerade bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment abzugeben vermag.

EfTsind unter der Bezeichnung Dreistatormotoren Schrittmotorkonstruktionen bekannt (Elektro-Anzeiger Nr 8/1969, S. 51 bis 53), welche aus drei vollständigen hintereinander angeordneten Stator-Rotor-Systemen bestehen. Bei diesen Dreistatormotoren ist jeder Stator mit einer ringförmigen Wicklung versehen, die in das U-förmig ausgebildete Statorpaket eingebettet ist Bei Erregung des bekannten Schrittmotors m der Reihenfolge 1-2-3-1 usw. soll sich der Rotor in Schritten von '/3 der Polteilung bewegen, in welcher Weise die Erregung erfolgt, ist der angegebenen Quelle nicht zu entnehmen. Der Rotor ist beim bekannten Motor mit einer Erregerwicklung oder mit Permanentmagneten ausgerüstet.

Es ist außerdem bekannt (US-PS 32 93 460), be, einem anderen bekannten Schrittmotor mit mehreren Stator-Rotor-Systemen zur magnetischen Entkopplung der einzelnen Rotoren Trennschichten aus nicht, magnetisierbarem Werkstoff vorzusehen. Wie an sich bekannt, verhindert diese Maßnahme, daß durch magnetische Streufiüsse über benachbarte Pole die von der einzelnen Statorspule auf den ihr zugeordneten Rotor ausgeübte Kraft geschwächt wird.

Es ist weiterhin ein elektrodynamischer Schrittmotor bekannt (DT-PS 11 63 442), der aus einem Drehstrom motor mit Kurzschlußläufer besteht, bei dem zwei Ständerwicklungen in Reihe geschaltet und an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen und die dritte Ständerwicklung mit einem Impulsgenerator verbunden ist. Dieser bekannte Motor besitzt die nachteilige Eigenschaft, daß er mit Gleichspannung betrieben wird. Soll ein rolcher Motor eine beträchtliche Leistung abgeben, so sind entsprechend leistungsfähige Gleichspannungcquellen erforderlich, die nur in aufwendiger Form durch Batteriesätze, Netzteile oder umlaufende Umformer zu verwirklichen sind.

Des weiteren ist es bekannt (CH-PS 4 44 309), einen Schrittmotor mittels einer auf seiner Abtriebsachse angeordneten, mit Öffnungen versehenen Steuerscheibe und sich jeweils an der Steuerscheibe gegenüberliegenden Lichtquellen und Phototransistoren zu steuern.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen vollständigen, d. h. aus mechanischem Aufbau und Elektrik bzw. Elektronik bestehenden drehzahlveränderlichen Kurzschlußläufer-Elektromotor zu schaffen. Der neue Motor soll aus einer einfachen, überall vorhandenen Energiequelle, nämlich einem Mehrphasennetz, gespeist werden können. Er soll eine Drehrnoment/Drehzahl-Kennlinie besitzen, welche bei niedrigen Drehzahlen ein hohes oder das maximale Drehmoment besitzt (typische Schrittmotoreigenschaft). Außerdem soll der neue Motor aber auch mechanisch und elektrisch einfach aufgebaut sein, damit er preiswert hergestellt und folglich vielfältig angewendet werden kann. Diese Aufgabe soll bei einem drehzahlveränderlichen Kurzschlußläufer-Elektromotor der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelösi werden, daß der Stator aus eine der Phasenzahl eines Mehrphasennetzes oder einem Vielfachen davon entsprechenden Anzahl in Motorlängsrichtung aneinander gereihter Statorscheiben zusammengesetzt ist, von denen jede aus einem geblechten Ringkern mit einer Mehrzahl auf sei-

_eem Innenumfang verteilten Statorspulen besteht, die «leichzeitig in Abhängigkeit von der die Stromfließzeit bestimmenden Steuereinrichtung durch elektronische Schalter an jeweils eine Phase des Mehrphasennetzes HischaUbar sind, und daß in der Blechung des Kurz-Schlußläufers symmetrisch zu den Trenn ,teilen der Statorscheiben Trennschichten aus nicht magnetisierbarem Werkstoff eingefügt sind.

Der neue Motor zeichnet sich gegenüber den bekannten Motoren (Elektro-Anzeiger und US-PS 3293 560) durch einen einfacheren mechanischen Aufbau aus. Da neue Motor besitzt aber auch eine einfache Elektrik, über die bezüglich der bekannten Motoren nicht bekannt ist.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 und der nachfolgenden Beschreibung der F i g. 1 bis 5 erläutert. Es zeigt

F i g. 1 den mechanischen Aufbau des neuen Motors in Seitenansicht mit dem Stator im Längsschnitt,

Fig.2 in perspektivischer Darstellung eine Statorscheibe,

F i g. 3 den Stromverlauf in den Statorwicklungen bei dem neuen Motor in Dreiphasen-Ausführung,

Fig.4 die Anordnung zur Drehzahlsteuerung des neuen Motors und

F i g. 5 die Schaltungsanordnung zur Anschaltung der Statorwicklungen an das Mehrphasennetz.

Wie aus F i g. 1 zu erkennen, besteht der Stator des Motors aus einer der Anzahl der Phasen des zum Bedieser Vorgang fur den in F i g. 1 gezeigten Motor (Dreischeiben-Statoi = Ausführung für Dreiphasennetz) verdeutlicht. Dabei zeigt die obere Kurve den Strom in bzw. die Spannung an den Statorspulen der Statorscheibe la, die mittlere und untere Kurve entsprechendes an den Statorspuien libzw. Ic.

Aus F i g. 3 geht somit hervor, daß beim Betrieb des Motors gemäß F i g. 1 zum Zeitpunkt ίο bis κ die Spulen der Statorscheibe la an die Phase R, von ,'1 bis /2 die Spulen der Statorscheibe \b an 5 und von ti bis η die Spulen der Statorscheibe lean Γ gelegt werden. Bei η ist die Ausgangsstellung des Rotors wieder erreicht und das Schaltspiel beginnt entsprechend von neuem, solange die elektronische Steuereinrichtung eingeschaltet ist. Wie aus F i g. 3 auch zu erkennen ist, erfolgt die Anschaltung jeder Phase im Spannungs- bzw. Stromnulldurchgang, so daß eine aufwendige Entstörung des Motors, wie beispielsweise bei Anschnittsteuerungen erforderlich ist, entfallen kann.

Wie aus F i g. 5 ersichtlich, ist zwischen jede Phase R. S, Γ des Mehrphasennetzes und die Spulen jeder Statorseheibe la, Ib und Ic eine elektronische Steuereinrichtung eingefügt, welche den Strom zu den Spulen ein- oder abschaltet. Diese Steuereinrichtung besteht im wesentlichen aus der Brückcnschaltung der Dioden D\ bis Da, in deren Diagonalzweig der Thyristor T angeordnet ist. Die Steuerelektrode des Thyristors wird von einem lichtempfindlichen elektrischen Bauelement gesteuert, in F i g. 5 durch den im Basiskreis des Transi-

trieb des Motors verwendeten Mehrphasennet/es oder 30 stors Γ: eingeschalteten Photowiderstand 7.

einem ganzzahligen Vielfachen derselben entsprechenden Anzahl von in Motorlängsrichtung aneinandergereihter Statorscheiben. In Fig. 1 ist eine Ausführung lies Motors gezeigt, die für den Betrieb am Dreiphasen-Zur Urzeugung der Betriebsspannung für den Photowiderstand 7 und den Transistor 7i> ist parallel zur Brückenschaltung ein aus Transformator, Gleichrichter und Glättungskondensator bestehendes Netzteil ge-

netz gedacht ist; der Stator 1 ist aus den Statorscheiben 35 schaltet. Zum Schulz des Thyristors gegen die hohen

la, \b und Ic zusammengesetzt. Bei dem Rotor 2 han de!t es sich im wesentlichen um einen Kurzschlußläufer-Rotor mit Käfigwicklung. An sich könnte ein Kurz-Schlußläufer-Rotor mit achsparalle! verlaufenden Ro-Ein- und Ausschaltstromspitzen ist parallel zu ihm eine /^C-Senenschaltung angeordnet.

F i g. 4 zeigt eine Anordnung, mit welcher die lichtempfindlichen elektrischen Bauelemente der .Steuerein

torpolen verwendet werden. Die Verwendung eines 40 richtung in Fig. 5 gesteuert werden. Diese besteht aus

Rotors mit schräg verlaufenden Rotorpolen 3 — wie aus F i g. 1 ersichtlich — hat sich jedoch als zweckmäßig erwiesen: Anders als beim Kurzschlußläufer der bekannten Asynchronmaschine sind beim Rotor 2 des neuen Motors entsprechend den Trennstellen der Statorscheiben Trennschichten 4 aus nicht magnetisierbarem Werkstoff eingefügt.

In F i g. 2 ist eine der in einem Motor stets gleich aufgebauten Statorscheiben — beispielsweise die Statorscheibe la — verdeutlicht. Jede Statorscheibe besteht aus einem geblechten Ringkern, dessen Bleche einen solchen Schnitt besitzen, daß der fertige Ringkern am Innenumfang, gleichmäßig über den Umfang verteilt, eine der Anzahl der Statorpole entsprechende Anzahl von Vorsprüngen 5 besitzt, auf denen die Statorspulen 6 angeordnet sind. F i g. 2 zeigt somit den Eisenkern einer Statorscheibe für einen Motor in achtpoliger Ausführung. Die Statorspule 6 kann entweder als eine auf einen Spulenkern gewickelte Spule ausgeeinem drehzahlgesteuerten Gleichstrommotor 8 mit kleiner Leistung und kleinen Abmessungen. Die veränderliche Drehzahl des Gleichstrommotors 8 ist durch den Stellwiderstand 9 angedeutet. Auf der Abtriebswelle des Gleichstrommotors 8 ist eine — wie die rechts daneben gezeichnete Draufsicht zeigt — kreisförmige Steuerscheibe 10 befestigt, die mit einem in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitz 11 versehen ist. Mit dem dem Schlitz 11 entsprechenden Absland vom Mittelpunkt der Steuerscheibe sind entsprechend der Phasenzahl über den Umfang verteilt — bei der im Ausfuhrungsbeispiel verwendeten dreiphasigen Ausführung jeweils 120 Winkelgrade gegeneinander versetzt — zu beiden Seiten der Steuerscheibe 10 sich jeweils einander gegenüberliegend eine Lichtquelle 12 und ein Photowiderstand 7 angeordnet.

Die Steuereinrichtung arbeitet in folgender Weise: Wird der Gleichstrommotor 8 in Gang gesetzt, dann wird der mit der Steuerscheibe 10 umlaufende Schlitz

führt oder in einer sonst bekannten Weise ausgebildet, 60 11 zu einem bestimmten Zeitpunkt (z. B. to in F i g. 3) an

z. B. körperlos gewickelt und anschließend vergossen oder getränkt sein.

Bei dem neuen Motor sind alle Spulen einer Statorscheibe entweder parallel oder in Serie zueinander geschaltet, und es sind später noch näher erläuterte Mittel vorgesehen, um die Spulen jeder Statorscheibe in vorbestimmter Reihenfolge mit einer bestimmten Phase eines Mehrphasennetzes zu verbinden. In F i g. 3 ist einer der Lichtquellen 12 angelangt sein. Dadurch erhält der gegenüberliegende Photowiderstand 7 Licht, sein Widerstand erniedrigt sich und macht den Transistor 7: leitend. An Stelle des Photowiderstandes kann an der Steuerscheibe auch ein Phototransistor angeordnet sein.

Der Transistor T2 liefert die Zündspannung für den Thyristor Γι, der dann durchzündet. Der Stromfluß zur

Statorscheibe lc ist somit von Tuber Di, Ti, D2 (positive Halbwelle) oder Di, Ti, Da (negative Halbwelle) freigegeben.

Hat der Schlitz 11 die Lichtquelle passiert, so sperrt der Thyristor Ti wieder und der gleiche Vorgang wiederholt sich bei der nächsten Kombination Lichtquelle/Photowiderstand.

Wie an den vorstehenden Ausführungen zu erkennen, kann der neue Motor mit einer hohen Polzahl, d. h. mit sehr kleinen Abständen von Pol zu Pol, aufgebaut werden. Wenn jede Statorscheibe mit dreißig Statorspulen versehen ist, dann entsteht ein Abstand von zwölf Winkelgraden zwischen den Polen einer Statorscheibe.

Besteht der Stator des Motors aus insgesamt sechs derartigen Statorscheiben, welche in Motorlängsriehtung aneinandergereiht, jedoch in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind, so reduziert sich der Polabstand auf zwei Winkelgrade. Ein solcher Motor entspricht in der Nenndrehzahl einem ISOpoligen Normalmotor.

Außerdem kann der neue Motor in einfacher Weise drehzahlgeregelt werden. Hierzu ist es lediglich erforderlich, eine zweite Steuerscheibe, wie sie in F i g. 4 gezeigt ist, auf der Rotorachse zu befestigen. Der drehzahlgesteuerte Gleichstrommotor 8 mit der Steuerscheibe 10 wird dann unmittelbar am Ende der Rotorachse, mit dieser fluchtend, derart angeordnet, daß die beiden Steuerscheiben dicht neben und parallel zueinander angeordnet sind und zwischen den Photowiderständen 7 und den Lichtquellen 12 liegen.

Die zweite Steuerscheibe läuft synchron zur Motordrehzahl um. Wenn beide Steuerscheiben drehzahl- und wirikelsynchron umlaufen, d. h., dL· Schlitze 11 in beiden fluchten, stimmen 1st- und Soli-Drehzahl überetn. Ein Vor- oder Nacheilen der einen oder anderen Steuerscheibe bewirkt eine positive oder negative Regelung d. h„ kürzere oder längere Einschaltzeiten der elektro nischen Schaltungsanordnungen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   \. Drehzahlveränderlicher Kurzschlußläufer-Elektromotor mit Schrittmotoreigenschaften und relativ hohem Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, dessen Statorspulen durch eine elektronische Steuereinrichtung steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator aus einer der Phasenzahl eines Mehrphasennetzes ode: einem Vielfachen davon entsprechenden Anzahl in Motorlängsrichtung aneinander gereihter Statonche ben (la, Xb, Xc) zusammengesetzt ist, von denen jede aus einem geblechten Ringkern mit einer Mehrzahl auf seinem Innenumfang verteilten Statorspulen besteht, die gleichzeitig in Abhängigkeit von der die StromPjeßzeit bestimmenden Steuereinrichtung durch elektronische Schalter an jeweils eine Pliase (R, S, T) des Mehrphasennetzes anschaltbar sind, und daß in der Blechung des Kurzschlußläufers symmetrisch zu den Trennstellen der Statorscheiben Trennschichten (4) aus nicht magnetisierbarer:! Werkstoff eingefügt sind.
2. 2. Kurzschlußläufer-Elektromotor nach Ansp^ruch

   1, dadurch gekennzeichnet, daß als KurzschluOläufer ein Kurzschlußläufer mit schrägverlaufenden Rotorpolen (3) verwendet ist.
3. 3. Kurzschlußläufer-Elektro.notor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuereinrichtung ein drehzahlgesteuerter Gleichstrommotor (8) verwendet ist, auf dessen Abtri:bswelle eine mit einem in Umfangsrichtung verU.ufenden Schlitz (11) versehene kreisförmige Steuerscheibe (10) befestigt ist, zu beiden Seiten derselben sich jeweils einander gegenüberliegend eine der Anzahl der Statorscheiben entsprechende Anzahl von Lichtquellen (12) und lichtempfindlichen akiven oder passiven elektrischen Bauelementen (7) angeordnet sind.
4. 4. Kurzschlußläufer-Elektromotor nach e nem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichne!, daß als elektronischer Schalter ein von einem akiiven und/oder passiven lichtempfindlichen elektrischen Bauelement (7) gesteuerter Thyristor verwendet ist, der in den Diagonalzweig einer zwischen jeder Phase (L, S, T) und den Statorspulen jeder Statorscheibe (la, Xb, lc) geschalteten Gleichrichterbrückenschaltung (DX bis D4) parallel zu einer flC-Schaltung angebracht ist.

   50 Für diese Aufgabe ist der bekannte drehzahlgesteuerte Asynchron-Drehstrommotor nicht geeignet, weil _er ei-e Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie besitzt, welche bei niedrigen Drehzahlen ein niedriges Drehmoment aufweist, das erst mit steigender Drehzahl zu-