DE2356037A1

DE2356037A1 - Vorrichtung mit einem einphasensynchronmotor und einer anlaufkupplung

Info

Publication number: DE2356037A1
Application number: DE2356037A
Authority: DE
Inventors: Bernard Joseph Beusink
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-11-28
Filing date: 1973-11-09
Publication date: 1974-05-30
Also published as: FR2208235A1; NL7216084A; US3824415A

Description

PHW. 6622.

jw/weel/rv,

N.V- Philips¹ C!;:p^:!c«'.?«pTöbrte"fcen

/-.:.ι₈ No. £HN-6622

a vom; 7. NOV. ^973

Vorrichtung mit einem Einphasensynchronmotor und einer Anlaufkupplung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung,

insbesondere einen slektrischen Haushaltapparat wie einen Trockenrasierapparat, einen Haartrockner, einen Mischer usw. mit einem Einphasensynchronmotor und einer Anlaufkupplung mit einem ein oder mehrere exzentrisch gelagerte Pliehkraftgewichte aufweisenden drehbaren primären Teil sowie einem damit zusammenarbeitenden und mittels dieses primären Teils anzutreibenden drehbaren sekundären Teil.

Bei Vorrichtungen dieser Art ist es fast immer eine Anforderung, dass das letzten ,Endes anzutreibende Werkzeug des Apparates im Betrieb eine vorbestimmte Drehrichtung hat. Klein bemessene Einphasensynchronmotoren haben einen Läufer mit einem ver-

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hältnisroässig geringen Massenträgheitsmoment. Insofern der Läufer in dem Augenblick, wo der Motor an das Wechselstromnetz angeschlossen wird, in der richtigen Stellung steht, ist es möglich, dass der Motor seihstanlaufend ist, worunter verstanden wird, dass der Motor ohne weitere besondere Anlaufmittel unmittelbar, gegebenenfalls nach einigen Schwingungen zu drehen anfängt. Es versteht sich, dass diese Eigenschaft kleiner Einphasensynchronmotoren nur mit Vorteil in einem kleinen Haushaltgerät aufgenutzt werden könnte, wenn das anzutreibende Werkzeug nicht oder nahezu nicht die auf der Läuferwelle verringerte Massenträgheit vergrb'ssert; Unter der auf der Läuferwelle verringerten Massenträgheit wird eine fiktive Massenträgheit verstanden, die auf das dynamische Verhalten des Läufers denselben Einfluss ausüben würde wie die Massenträgheit der mit der Läuferwelle gekuppelten sich drehenden Massen.

Einphasensynchronmotoren weisen weiter noch die

Eigenschaft auf, dass bei der synchronen Drehzahl der Motor imstande ist, ein Drehmoment zu liefern, das viel grosser ist als beim Beschleunigen oder Anlaufen des Motors. Das vom Motor zu liefernde Drehmoment darf jedoch niemals einen gewissen Maximalwert überschreiten, da sonst der Motor plötzlich aussetzt. Diese Eigenschaft von Einphasensynchronmotoren ist insbesondere bei Vorrichtungen von Bedeutung, die eine grosse auf der Läuferwelle verringerte Massenträgheit aufweisen.

Wegen der obenstehenden Eigenschaften und Schwierigkeiten von Einphasensynchronmotoren wurden bereits viele Anlaufkupplungen vorgeschlagen. Die Absicht derartiger Kupplungen ist

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immer eine derartige übersetzung zwischen der Läuferwelle und dem

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anzutreibenden Werkzeug zu schaffen, dass beim Anlaufen des Läufers das maximal verfügbare Anlaufmoment nicht überschritten wird und bei der synchronen Drehzahl ebenfalls niemals das maximale verfügbare Drehmoment überschritten wird. Theoretisch wird eine normale Reibkupplung mit Fliehkraftgewichten die gestellten Anforderungen erfüllen. Als grosse praktische Schwierigkeit ergibt sich jedoch immer wieder, dass die Grosse der beim Anlaufen auftretenden Rutschmomente bei dieser Art von Kupplungen unmittelbar mit dem vorhandenen Reibungskoeffizienten zusammenhängt, der zwischen dem gegenüber einander beweglichen Kupplungsteilen auftritt. Die Praxis lehrt, dass die Grosse des Reibungskoeffizienten durch äussere Ursachen wie den

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Änderungen ausgesetzten Feuchtigkeitsgrad der Atmosphäre, Änderungen der Oberflächenbeschaffenheit der einander berührenden Teile der Kupplung und den Einfluss der relativen Bewegungsgeschwindigkeit der übereinander reibenden Teile auf die Reibungskonstante stark schwanken kann. Aus Beobachtungen hat es sich herausgestellt, dass auf diese Weise der Reibungsfaktor leicht um einen Faktor zwei ändern kann. Das bedeutet, dass dann auch das Rutschmoment der Kupplung um einen Faktor zwei ändert. Dies könnte vermieden werden, wenn der Synchronmotor um einen Faktor zwei übermessen wird. Dies ist eine unmittelbare Folge der Tatsache, dass die Kupplung im Betrieb niemals Schlupf aufweisen darf, d.h., dass die primären, und sekundären Kupplungsteile im Betrieb gegenüber einander unbeweglich sein müssen.

It

Es versteht sich, dass eine Uberbemessung des Motors um einen Faktor zwei keine interessante Perspektive zum Gebrauch von Einphasensynchronmotoren ir*..elektrischen Haushaltapparaten ist.

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Derartige Apparate sind ja typische MassenerZeugnisse, sie müssen also was den Preis sowie die Qualität und Lebensdauer anbelangt mit gleichartigen Apparaten auf dem Markt Schritt halten können und müssen ausserdem billig und rationell unter Verwendung möglichst weniger Materialien herstellbar sein.

Eine andere Eigenschaft von Einphasensynehronmotoren ist weiter, dass der Motor keine bevorzugte Drehrichtung aufweist. Die Kupplung muss also als Anlaufkupplung sowie als Rücklaufsperre wirksam sein.

Die Erfindung bezweckt nun, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die mit einer Kupplung mit einem genau reproduzierbaren Schlupfmoment versehen ist, die zugleich als Rücklaufsperre wirksam sein kann und wird dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Drehungsachse des primären Kupplungsteils zwischen der Lagerwelle des Fliehkraftgewichtes und dem Punkt, an dem das Fliehkraftgewicht mit dem sekundären Kupplungsteil zusammenarbeitet, gemessene Winkel zwischen 150° und 180° liegt.

Dadurch, dass die Lagerwelle des Fliehkraftgewichtes

und der Punkt, nachstehend als Reibungspunkt bezeichnet, an dem das Fliehkraftgewicht mit dem sekundären Kupplungsteil zusammenarbeitet, im wesentlichen diametral einander gegenüberliegen, ergibt die Normalkraft im Reibungspunkt nur einen sehr geringfügigen Beitrag zum Momentengleichgewicht des Fliehkraftgewichtes, so dass die Reibungskraft einen gewissen Bruchteil der im Schwerpunkt des Fliehkraftgewichtes angreifenden Massenkraft beträgt und folglich von der Grosse des zwischen dem Fliehkraftgewicht und dem Sekundärteil der Kupplung auftretenden Reibungskoeffizienten nicht oder nur wenig

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abhängig Ist. Eine derartige Kupplung eignet sich ausserdem ohne weiteres als Rücklaufsperre, wie dies in der Figurbeschreibung noch näher erläutert wird.

Selbstverständlich ist es von Bedeutung, dass die

Kupplung selbst derart konstruiert ist, dass ein möglichst kleiner Beitrag zu der auf der Läuferwelle verringerten Massenträgheit ■entsteht.' Im Hinblick darauf ist eine Ausführungsform der Erfindung von Bedeutung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der aus der Drehungsachse des primären Kupplungsteils zwischen der Lagerwelle des Fliehkraftgewichtes und seinem Schwerpunkt gemessene Winkel im wesent--v liehen 90° beträgt. ■ . ■

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben* Es zeigens

Fig.1 eine Seitenansicht, zum Teil im Schnitt, eines elektrischen Trockenrasierapparates.

Fig. 2 eine Draufsicht des Trockenrasierapparates nach Fig. 1 mit entfernter Scherkopfeinheit,

Fig. 3 eine axiale Ansicht des sekundären Teils der im .Trockenrasierapparat nach Fig. i verwendeten Anlaufkupplung, zugleich Rücklaufsperre, wobei In der Figur die mit dem sekundären Teil zusammenarbeitenden Fliehkraftgewichte des primären Kupplungsteil ebenfalls angegeben sind,

FIg, 4- eine ähnliche schematische Ansicht wie in Fig* 3, sit nur einem Fliehkraftgewicht, wobei in der Figur zur Erläuterung der theoretischen Grundlagen der Kupplung eine Anzahl Pfeile und Winkel angegeben sind.

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Der Trockenrasierapparat J^ nach Fig. 1 hat ein

Motorgehäuse 2 und eine Scherkappeneinheit 3· In* Motorgehäuse 2 befindet sich ein elektrischer Einphasensynchronmotor ^, der auf einer Motorplatte 5 angeordnet ist. Auf der Motorplatte 5 ruht eine Montageplatte 6. In Fig. 1 sind viele Einzelheiten, die für die Erfindung unwichtig sind, fortgelassen, wie die Art und Weise, wie das Motorgehäuse 2, die Motorplatte 5j die Montageplatte 6 und die Scherkappeneinheit 3 miteinander verbunden sind. An der Oberseite der Scherkappeneinheit 3 sind die zwei Scherkappen 7 vorgesehen.

Der Synchronmotor ^. enthält ein Blechpaket 8. Es

ist im wesentlichen U-förmig und weist zwei parallele Schenkel 9 auf, von denen in der Figur einer ersichtlich ist. Auf jedem der Schenkel 9 ist eine Spule 10 angeordnet. An ihrem Ende ist zwischen den Schenkeln 9 ein zylinderförmiger dauermagnetischer Läufer 11 gelagert. Die Lagerung der Welle 12 des Läufers 11' erfolgt in der Motorplatte 5 und an der ihr gegenüber liegenden Seite in einem Lagerbügel 13_r der ^a1Jf nicht näher dargestellte Art und Weise auf dem Blechpaket 8 befestigt, ist. Der Läufer _£ ist auf ebenfalls nicht dargestellte Weise fest auf der Motorplatte 5 angeordnet. An der vom Motor _f| abgewandten Seite der Motorplatte 5 ist auf dem herausragenden Ende der Läuferwelle 12 mittels eines gerändelten Teils 14 auf der Motorwelle ein Zahnrad 5 angeordnet. Dieses Zahnrad treibt . die Anlaufkupplung, zugleich Rücklauf sperre _1j> an. Letztere ist auf einer in der Motorplatte 5 und in der Montageplatte 6 befestigten Welle 17 gelagert und umfasst einen primären Teil .18 und einen dami± Zusammenarbeit enden sekundären Teil 19· Auf dem primären Teil 18 sind zwei exzentrisch gelagerte Fliehkraftgewichte 20 und 21 be-

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festigt, die um exzentrische Lagerachsen 22 und 25 Scharnieren können. Diese Lagerachsen sind im flanschförmigen Teil 24 des mit dem Zahnrad 15 zusammenarbeitenden Zahnrads 25» das um die Achse lose drehbar ist, angeordnet. Der sekundäre Teil I9 der Anlaufkupplung 14 umfasst ebenfalls ein Zahnrad 26, das mit einem trommeiförmigen Teil 27 ein Ganzes bildet. Auch der sekundäre Teil 19 ist auf der Achse I7 lose drehbar befestigt. Auf der Montageplatte ist mit Hilfe eines gerändelten Teils 29 eine Steckachse 28 angeordnet. Lose drehbar auf der Steckachse 28 befindet sich ein Zahnrad 30, das mit dem Zahnrad 26 des sekundären Teils der Anlaufkupplung zusammenarbeitet. Die Art und Weise, wie das Zahnrad 30

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mit übrigen Ubersetzungsteilen zum Antrieb der zu den Scherkappen J gehörenden Meissein zusammenarbeitet ist in den Zeichnungen nicht weiter dargestellt und für die Erfindung nicht von Bedeutung.

In Fig. 3 ist die Form der beiden Fliehkraftgewichte und 21 und ihre Lagerung erläutert. Die beiden Fliehkraftgewichte haben eine im wesentlichen halbrunden Teil 3I bzw. 32 mit' damit verbundenen Ohren 33 und 34» die auf den beiden Lagerachsen. 22 bzw. 23 angebracht sind. Jedes der Fliehkraftgewichte weist eine Nase bzw. 36 auf, mit denen die Fliehkraftgewichte mit dem Innenumfang des trommeiförmigen Teils 27 des sekundären Kupplungsteils zusammenarbeiten. Die Fliehkraftgewichte 20 und 21 bestehen aus blechförmigem Metall und sind-um die Lagerachsen 22 und 23 in einer Ebene parallel zur Zeichenebene scharnierbar.

Die Wirkungsweise der Kupplung wird an Hand der Fig. und 4 beschrieben. Wird der Synchronmotor 4_ an das elektrische 'Wechselstromnetz-angeschlossen, so wird der Läufer 11 in einer der beiden möglichen Drehrichtungen zu drehen anfangen. Dabei ist die

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gewünschte Drehrichtung der Kupplung, die unmittelbar mit der gewünschten Drehrichtung des Synchronmotors zusammenhängt, in Fig. 3 durch den Pfeil P angegeben. Wird nun vorausgesetzt, dass nach dem Anschluss an das Wechselstromnetz der Motor sich in einer derartigen Richtung bewegt, dass die Pliehkraftgewichte des primären Kupplungsteils tatsächlich in der Drehrichtung P bewegt werden, so wird die Kupplung wie folgt funktionieren: bei einer Wechselstromfrequenz von 50 Hz wird der Läufer 11 innerhalb eines Zeitabschnittes von 2/100 einer Sekunde auf die synchrone Drehzahl gelangen. Infolge der grossen Impulsänderung, welche die beiden Pliehkraftgewichte 20 und 21 während dieser sehr kurzen Anlaufperiode erfahren, werden diese zunächst um ihre Lagerachsen in Richtung der Achse I7 schwenken. Dies bietet den wichtigen Vorteil, dass durch die Schwenkung die Fliehkraftgewichte vorübergehend weniger zu dem auf der Welle des Motors verringerten Massenträgheitsmoment beitragen. Die auf die Fliehkraftgewichte einwirkenden Zentrifugalkräfte, die mit der Drehgeschwindigkeit des primären Teils der Kupplung schnell zunehmen werden, versuchen jedoch die Fliehkraftgewichte gerade in einer gegenübergesetzten Richtung schwenken zu lassen, bis die Nasen 35 und 36 gegen die Innenoberfläche 37 des trommeiförmigen Teils 27 der sekundären Kupplung drücken, wonach ein Weiterschwenken nicht mehr möglich ist. Infolge der Reibungskräfte, die zwischen den genannten Nasen der Innenoberfläche der Trommel 27 erzeugt werden, wird auf den sekundären Kupplungsteil ein Drehmoment ausgeübt, wodurch auch der sekundäre Kupplungsteil sowie die damit mittels des Zahnradgetriebes gekuppelten übrigen Teile eine Beschleunigung erfahren.. Es ist nun wesentlich, dass im Betrieb das zu liefernde

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Drehmoment niemals das vom Synchronmotor zu erzeugende Drehmoment überschreitet, da sonst eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dein primären und dem sekundären Teil der Anlaufkupplung auftreten wirdi wodurch zwischen den Nasen 35 und 36 der· Fliehkraftgewichte und dem Innenumfärig 37 des trommeiförmigen Teils 2? Schlupf entstehen würde.'Dies wird zu Verschleiss, Energieyerlust und anderen unerwünschten Erscheinungen fuhren. Während der Anlaufphäse ist Schlupf jedoch erlaubt. Die Anlaufkupplung ist in dieser Phase als Momentbegrenzer wirksam, wodurch das vom Synchronmotor zu liefernde Moment, niemals den zulässigen Maximalwert überschreitet« Während der Anlaufphäse werden-von dem auf diese Weise begrenzten Drehmoment der sekundäre Teil 19.der Anlaufkupplung und die damit gekuppelten Teile des Trockenrasierapparates beschleunigt, bis die Drehzahl des primären und die des sekundären Teils der Anlaufkupplung einander gleich sind. Nur in der Anlaufphase tritt also Schlupf in der Kupplung auf . Bei der erfindungsgemässen Kupplung ist das vom primären auf den sekundären Kupplungsteil ausgeübte Drehmoment während dieser Phase vom Reibungskoeffizienten zwischen den beiden Nasen 35 und der Fliehkraftgewichte 20 und 21 und dem Innehuinfang 37 der Trommel 27 vom Reibungskoeffizienten praktisch nicht abhängig. Die theoretische Grundlage davon wird an Hand der Fig. 4 näher erläutert.

Deutlichkeitshalber ist in.Fig. 4 nur ein Fliehkräftgewicht und zwar das Fliehkraftgewicht 20 dargestellt. Der Punkt L ist die Projektion der Mi.ttel.linie der Lagerachse 22 auf die Zeichenebene und der Punkt M die Projektion der Mittellinie der Achse 17 auf die Zeichenebene. Die Mitte des mit dem Aussenumfang 37 der Trommel 27 zusammenarbeitenden Teils der Nase 35 ist durch den Buchstaben A bezeichnet.

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Der Schwerpunkt des Fliehkraftgewichtes 31 ist durch den Buchstaben Z bezeichnet. Der aus dem Punkt zwischen L und dem Punkt A, wo das Fliehkraftgewicht 20 mit der Trommel 27 zusammenarbeitet, gemessene Winkel ist durch cC bezeichnet und hat eine Grosse zwischen I5Ö· und 180°. Weiter ist der Winkel gemessen aus dem Punkt M zwischen dem Punkt L und dem Schwerpunkt Z des Fliehkraftgewichtes 20, welcher Winkel durch β bezeichnet ist, gleich 90°· Das Momentegleichgewicht des Fliehkraftgewichtes 20 um den Punkt L lautet wie folgt:

^M₁₁ » F_z.a - F_t.b - F_n.c = 0 (1)

in der

P s Zentrifugalkraft arbeitend in Z.

F, : Tangentialkraft arbeitend in A. t

F : Normalkraft arbeitend in A. η

a : der Abstand von L bis zur Arbeitslinie von

b : der Abstand von L bis zur Arbeitslinie von F,.

c i der Abstand von L bis zur Arbeitslinie von F . .

wobei weiter gilt: ·■ .

wobei /u der Reibungskoeffizient in A ist.

In der Gleichung (1) sind die beiden Abstände b und c von der Grosse des Winkels c?C abhängig. Falls der Winkel ^- gleich 180° ist, lässt sich die Formel (1) wie folgt vereinfachen:

vM_T « F ;a - F.(a + H) - 0

in der E: der Radius des Innenumfangs 37 ist.

In der Gleichung (3) sind F , a und R Konstanten, so

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dass auch F. konstant sein muss. Daraus folgt, dass bei einem Winkel σ^- - 180° das vom primären Kupplungsteil auf den sekundären Kupplungsteil übertragene Drehmoment, das fur die Kupplung nach Pig. 3» die mit zwei Fliehkraftgewichten ausgebildet ist, gleich 2.F..R sein wird, vom Reibungskoeffizienten /u unabhängig sein wird. Wird cC nicht kleiner gewählt als 150°_t so wird zwar ein gewisser Einfluss des Reibungskoeffizienten auf das genannte Drehmoment vorhanden sein, jedoch in einem Ausmass, das so gering ist, dass dieser Einfluss für das gesetzte Ziel akzeptierbar ist.

Im Hinblick auf das dynamische Verhalten während der Anlaufphase der Kupplung, ist es erwünscht, dass die Fliehkraftgewichte 20 und 21 eine möglichst geringe Masse haben. Die Masse der Fliehkraftgewichte bestimmt die Grosse der im Schwerpunkt Z arbeitenden Kraft F . Wird der Winkel β nicht entsprechend etwa 90° gewählt, so wird in den Gleichungen (i) und (j) nicht F selbst

erwähnt werden müssen, sondern die Projektion davon auf die Normale durch H auf der Linie LM. Diese Projektion ist immer kleiner als F selbst, so dass eine optimale Verwendung der Masse des Fliehkraftgewichtes bei einem Winkel β entsprechend 90° entsteht.

Wenn der Motor sich in einer derartigen Richtung bewegt, dass das Fliehkraftgewicht 20 (siehe Fig. 4) in einer dem Pfeil P entgegengesetzten Richtung bewegt wird, wird auch die Kraft F, der gezeichneten Richtung entgegengesetzt verlaufen. Die sich daraus' ergebende Drehung L wird den Punkt A noch energischer mit dem Innenumfang 37 der Trommel 27 kontaktieren, was zu einer Zunahme von F und folglich auch von F, führen wird. In dieser Situation ist von einer Selbstbremsung die Rede., so dass kein Schlupf wird auftreten

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können. Da der Synchronmotor nicht imstande ist, ohne diese Umstände

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das zur Überwindung der auf der Motorwelle reduzierten Trägheit erforderliche Drehmoment zu erzeugen, wird er -sich während einer nachfolgenden Halbperiode der angelegten Wechselspannung in der anderen Richtung bewegen, in welcher Richtung der Motor dann auf die obenstehend beschriebene Weise anlaufen wird. Die Anlaufkupplung arbeitet also zugleich automatisch als.Rücklaufsperre.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

1·/ Vorrichtung, insbesondere elektrischer Haushaltapparat, wie ein Trockenrasierapparat, ein Haartrockner, ein Mischer usw. mit einem Einphasensynchronmotor und einer Anlaufkupplung mit einem ein oder mehrere exzentrisch gelagerte Fliehkraftgewichte aufweisenden drehbaren primären Teil sowie einem damit zusammenarbeitenden und mittels dieses primären Teils anzutreibenden drehbaren sekundären Teil, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Drehungsachse (17). <ies primären Kupplungsteils (ie) gemessene Winkel zwischen der (den) Lagerachse(n) (21, 23) des(der) Pliehkraftgewichtes(-gewichte) (21, 20) und dem(den) Punkt(en) (a), wo das (die) Fliehkraftgewicht(e) mit dem sekundären Kupplungsteil zusammenarbeitet (zusammenarbeiten) zwischen I5O⁰ und 180° liegt.
2. Torrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet-,

dass der (die) aus der Drehungsachse des primären Kupplungsteils zwischen der (den) Lagerachse(n) des(der) Fliehkraftgewicht(e)es und dem(den) Schwerpunkt(en) desselben(derselben) gemessene(n) Winkel im wesentlichen 90° beträgt(betragen).

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