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Drehzahlumschaltbarer elektromotorischer Antrieb.
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Die Erfindung betrifft einen drehzahlumschaltbaren elektromotorischen
Antrieb, insbesondere für eine Wasch- und Schleudermaschine, bestehend aus einem
vielpoligen Induktionsmotorteil für den Waschgang und aus einem davon isolierten
zweipoligen# Kommutatorniotorteil für den Schleudergang. Ein solcher Antrieb wird
vorwiegend in Waschvollautomaten mit einphasigem Netzanschluß eingebaut, die eine
um eine waagerechte Achse umlaufende Innentrommel und eine im Maschinengehäuse schwingbeweglich
gelagerte AußenLro/-besitzen. Die programmgemäße automatische Steuerung des Ablaudset
der Teilsorgänge Waschen, Spülen und Schleudern (Entwässern) setzt eine einfache
Umschaltbarkeit des Antriebs zwischen den weit auseinanderliegenden Drehzahlen für
den Wasch- bzw. Spül-und Schleuderbetrieb voraus. Da die optimale Waschdrehzahl
möglichst unverändert beibehalten werden soll, wächst mit der Verbesserung des Entwässerungsgrades
durch Erhöhung der Schleuderdrehzahl die dem Antrieb abverlangte maximale Drehzahlspreizung
auf über 1:20. Daneben hat das Steigern der Schleuderdrehzahl auch zur Folge, daß
die Unwuchtkräfte bei ungleichmaßiger Verteilung der Wäsche am Innentrommelmantel
quadratisch zunehmen, sodaß u.a. Mittel zur Verbesserung der Wäscheverteilung vorzusehen
sind.
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Bekanntlich können Drehzahlspreizungen über etwa 1:12 nicht mehr durch
einzelne polumschaltbare Induktionsmotoren erreicht werden, wenn man nicht zu große
Schwierigkeiten bei der Herstellung der Wicklung, zu hohen Gewichts- und Raumbedarf
und zu geringen Wirkungsgrad inkauf nehmen will. Dasselbe gilt bei Drehzahls#reizungen
über 1:20 auch für den Zweimotorenantrieb mit Riemengetriebe und für den Einmotorenantrieb
mit Zahnradgetriebe, wobei zusätzliche Fehlerquellen auftreten.
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Eine bekannte, für Drehzahlspreizungen über 1:20 geeignete Lösung
verwendet einen vielpoligen Einphasenmotor mit Kurzschlußläufer für das Waschen
und einen Reihenschlußmotor für das Schleudern (Entwässern), wobei beide Teilmotoren
durch ein Gehäuse und eine Welle zu einer konstruktiven Einheit zusammengefaßt sind
(DT-GM 1907025.). - Das Hochlaufverhalten des Reihensehlußmotors kommt den Anforderungen
in einem Waschvollautomaten entgegen. Die lange gemeinsame Welle, auf die wei Lauferpakete
mit ausreichendem Abstand aufgepreßt werden müssen, verlangt äedoch engere Fertigungstoleranzen
und erschwert das Wickeln und die Montage; ähnliche Schwierigkeiten gelten für das
lange gemeinsame Gehäuse.
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Eine weitere bekannte Lösung benutzt einen mit Gleichstrom betriebenen
Motor, der ein Läuferpaket und eine Anzahl Ankerwicklungen und Kommutatoren besitst,
die der Anzahl der für den Betrieb des Motors vorgesehenen Drehzahlstufen entspricht
(F-PS 97o733). Obgleich dieser Motor für Drehzahlspreizungen über 1:20 geeignet
wäre, bedeutet die Beschränkung auf Gleichstrom ein für viele Anwendungsfälle zu
großes Hindernis.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für Ein-phasenanschluß
geeigneten drehzahlumschaltbaren elektromotorischen Antrieb der eingangs genannten
Art derart auszugestalten, daß er nur noch ein Ständer- und ein Läuferpaket benötigt,
ohne daß sich die umschaltbaren Ständer- und Läuferwicklungen wechselseitig merklich
beeinflussen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß in einem gemeinsamen
Ständerpaket die Erregerwicklung des Kommutatormotorteils um die beiden Hauptpole
herum angeordnet und die Primärwicklung des Induktionsmotorteils in Nuten unter
den Polschuhen der beiden Hauptpole untergebracht ist, und daß sich die als Phasenwicklung
ausgebildete kurzgeschlossene Sekundärwicklung des Induktionsmotorteils und die
Ankerwicklung des Kommutatormotorteils in einem gemeinsamen genuteten Läuferpaket
be-.
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finden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, daß der Kommutatormotorteil
als Reihenschlußmotor ausgeführt ist, daß ~eine Wicklung des Induktionsmotorteils
dreiphasig und die andere zweiphasig ausgebildet ist, daß die Primärwicklung des
Induktionsmotorteils als dreiphasige Spulenwicklung mit einer Nut je Pol und Phase
und die Sekundärwicklung des Induktionsmotorteils als zweiphasige Spulenwicklung
mit einer Nut je Pol und Phase ausgelegt ist, daß die Sekundärwicklung des Induktionsmotorteils
als Wellen-Wicklung mit einem Leiter je Nut ausgebildet ist, daß die Erregerwicklung
des Kommutatormotorteils angezapft ist, und daß der Abstand zwischen den benachbarten
Nuten für die Primärwicklung des Induktionsmotorteils unter den Polschuhen je eines
Hauptpols abweicht von einem ganzen Vielfachen der untereinander gleichmäßigen Teilung
der Nuten für die Primänvicklung des Induktionsmotorteils unter den Polschuhen eines
Hauptpols.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß StSnder- und Läuferpaket sowohl bei Betrieb des Induktionsmotorteils als auch
bei Betrieb des Kommutatormotorteils ausgenutzt werden, daß sich der Wirkungsgrad
verbessert, daß sich Gewichts- und Raumbedarf verringert, und daß die bei nichtdrehzahlumschaltbaren
Elektromotoren üblichen Fertigungsverfahren und -toleranzen weitgehend beibehalten
werden können.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 das Schaltbild der erfindungsgemäßen
Anordnung mit Steuerunge- und Anschlußeinrichtungen, Fig. 2 ein Beispiel für ein
Ständerblech mit zwei genuteten Hauptpol en, Fig. 3 die Ansicht auf die Kommutatorseite
eines vollständigen husfthrungsbeispiels in der linken Bildhälfte, während imrechten
oberen
Bildviertel Lagerdeckel mit Bürstenapparat entfernt worden ist und im rechten unteren
Bildviertel ein Schnitt etwa in der Mitte der Blechpakete dargestellt ist, Fig.
4 einen Vorschlag für die Ausführung der Primärwicklung des Induktionsmotorteils,
und Fig. 5 einen Vorschlag für die Ausführung der Sekundärwicklung des Induktionsmotorteils.
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Die im Ständer untergebrachte Primärwicklung 1,2,3 des Induktionsmotorteils
ist in Fig. 1 beispielsweise dreiphasig ausgebildet; ihre drei Wicklungsstränge
mit untereinander gleichen Wickeldaten sind durch die Brücke 4 in Sternschaltung
miteinander verkettet. Der Anfang des Wicklungsstrangs 1 ist direkt mit der Netzanschlußklemme
Mp verbunden; die Anfänge der Wicklungsstränge 2,3 sind mit je einem Belag des Kondensators
5 verbunden, der die erforderliche Phasenverschiebung in Steinmetzschaltung bei
Einphasenanschluß bewirkt. Die Schalter 6,7 sollen die automatische Steuerungsvorrichtung
von Waschvollautomaten, soweit sie den Antrieb betrifft, repräsentieren. Der Schalter
6 dient während des Teilvorgangs Waschen zum Betätigen und Reversieren des Induktionsmotorteils
durch abwechselndes Verbinden des einen und des anderen Belags des Kondensators
5 mit der Netzanschlußklemme R. - Zur Bildung des Antriebsdrehmoments arbeitet dabei
die Primärwicklung 1,2,3 mit der in Läufernuten angeordneten erfindungsgemäßen Sekundärwicklung
8 zusammen, die durch einen Kreis angedeutet ist.
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Während des Teilvorgangs Schleudern (Entwässern? stellt der Schalter
7 die Verbindung der Netzanschlußkleinme R mit dem Kommutatormotorteil über die
Bürste 9 her und versorgt die gleichfalls durch einen Kreis angedeutete Ankerwicklung
10. Im Ausffihrungsbeispiel ist der Kommutatormotorteil als Reihenschlußniotor dargestellt;
die weitere Verbindung erfolgt daher über die BiTrste 11 durch die Erregerwicklung
12 mit der anderen Netzanschlußklemme Mp.
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Die Unterbringung der Primärwicklung 1,2,3 des Induktionsmotorteils
und der Erregerwicklung 12 des Kommutatormotorteils erfolgt in einem gemeinsamen
Ständerpaket, das aus einzelnen Ständerblechen 13 zusainmengeschichtet worden ist.
Das Ständerblech 13 ist durch zwei Zonen vergrößerten Luftspalts um die Querachse
14 herum gekennzeichnet. Die senkrecht zur Querachse 14 angeordnete Längsachse 15
fällt mit der Mittellinie der beiden Hauptpole 16, 17 zusammen. Die Zonen vergrößerten
Luftspalts um die Querachse 14 herum werden durch die Polspitzen 18,19 bzw. 20,21-
begrenzt und nehmen im Ausführungsbeispiel jeweils einen Mittelpunktswinkel von
etwa 500 ein, der im allgemeinen zweckmäßig zwischen 400 und 600 gewählt werden
sollte. Diese Zone dient der Verminderung des Ankerquerfeldes, der Verbesserung
der Kommutierung und der Bereitstellung des für die beiden Teilspulen der Erregerwicklung
12 benötigten Wickelraums.
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Unter den Polschuhen der Hauptpole 16,17 befinden sich im Ausführungsbeispiel
je 12 Nuten 22 in gleichmäßiger Teilung tn zur Aufnahme der Primärwicklung 1,2,3
des Induktionsmotorteils; in vielen Fällen wird dafür bevorzugt eine Nut je Pol
und Strang gewählt werden. Die Aufhebung der Rotationssymmetrie durch die Zonen
vergrößerten Luftspalts um die Querachse 14 herum hat zur Folge, daß die Primärwicklung
1,2,3 statt eines Drehfeldes zwei sich unterstutzende Wanderfelder erzeugt. - Der
Abstand zwischen benachbarten Nuten 23,24 je eines Hauptpols beträgt im allgemeinen
ein ganzes Vielfaches der Nutteilung tn ; zur Verminderung von Nutungserscheinungen
kann dieser Abstand auch etwas von einem ganzen Vieafachen der Nutteilung tn abweichen.
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Die Lage der Wickelköpfe der Ständerwicklungen geht aus der An-Sicht
im rechten oberen, durch die Querachse 14 und die Längsachse 15 begrenzten Quadranten
hervor. Die Ansicht zeigt das Bild, das sich durch Entfernen des Lagerdeckels 25
mit dem Bürstenapparat 26, die auf der Seite links von der Längsachse T5 zu sehen
sind} ergibt. Der Wickelkopf 27 der Erregerwicklung 12 des Kotsutatormotorteils
ist zweckmäßigerweise außen, der
Wickelkopf 28 der Primärwicklung
1,2,7 des Induktionsmotorteils dem Luftspalt zugewandt angeordnet; dabei wird die
Lage der Erregerwicklung 12 weitgehend durch die Polspitzen 20,2t fixiert.
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Auf der Läuferwelle 29 ist der Kommutator 30 befestigt; für die Läuferwicklungen
der beiden Motorteile ist die Bandage 51 vorgesehen. Im rechten unteren Quadranten
sind aufgrund eines Schnitts etwa in der Mitte der Blechpakete das Ständerblech
Ig, eingefaßt vom Gehäusemantel 32, und das Läuferblech 33 zu sehen.
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Selbstverständlich sind auch gehäuselose Konstruktionen möglich.
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Die Läufernut 34 nimmt im Ausführungsbeispiel in der Unterlage die
Ankerwicklung 10 des Kommutatormotorteils auf, getrennt durch eine Isolationsbeilage
35 von der Sekundärwicklung 8 des Induktionsmotorteils in der Oberlage; hier ist
wahlweise eine Aufteilung auf einzelne Nuten moglich. Zur Verminderung von Streuinduktivitäten
der Sekundärwicklung 8 ist es in jedem Fall zweckmäßig, die Leiter dieser Wicklung
möglichst nahe am Luftspalt anzuordnen.
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Für die in Fig. 4 vorgeschlagene Ausführung der Primärwicklung 1,2,3
des Induktionsmotorteils wurde eine Einschichtwicklung mit Spulen gleichen Wickelschritts
bei einer Nut je Pol und Strang unter Berücksichtigung der für das Ständerblech
15 angenommenen Nutenzahlen gewählt. Damit umfaßt eine Polteilung tp drei Nutteilungen
tn; bei einer extrapolierten Gesamtnutenzahl von 36, die sich aus den 2 x 12 vorhandenen
Nuten unter den Polschuhen der Hauptpole 16,17 und den 2 x 6 infolge der beiden
Zonen vergrößerten Luftspalts um die Querachse 14 herum weggefallenen Nuten zusammensetzt,
bedeutet das eine Polzahl von 36/3 = 12 Selbstverständlich können unter Beachtung
der bekannten Regeln für die Wicklungsaualegung auch andere Nut-, Phasen-, Polzahlen
und Maßnahmen zur Berücksichtigung der Randeffekte (Elektrotechnische Zeitschrift,
Ausgabe A, Jahrgang 1974, Heft 11, Seiten 601 bis 606) gewählt werden. Zur Vermeidung
von unerwünschten Oberwellenerscheinungen sollte dabei aber erfindungsgemäß je weils
eine Wicklung des Induktionsmotorteils dreiphasig und die andere zweiphasig ausgelegt
werden.
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Die gegenseitige Beeinflussung der Primärwicklung 1,2,3 des Induktionsmotorteil-s
und der in Fig. 4 nicht gezeichneten Erregerwicklung 12 des Kommutatormotorteils
kann vernachlässigt werden (Elektrotechnische Zeitschrift, Jahrgang 1934, Heft 42,
Seiten 1024 bis ja26), Jedoch würden in einer als Kurzschlußkäfig ausgebildeten
Sekundärwicklung 8 des Induktionsmotorteils auch bei Betrieb des Kommutatormotorteils
Ströme fließen und bremsend wirken; sie muß daher erfindungsgemäß als Phasenwicklung
ausgeführt sein, die durch Reihenschaltung der einzelnen Wicklungselemente gekennzeichnet
ist. Nur die Anfänge K bzw. L und Enden M bzw. N der Phasenwicklung sind kurzgeschlossen.
Man kann vereinfachend sagen, daß eine vielpolige Phasenwicklung als Sekundärwicklung
nur mit einer Primärwicklung gleicher Polzahl zusammenarbeitet, sodaß in ihr die
größtmöglichen Ströme fließen, während ein Kurzschiußkäfig durch Änderungen der
Stromrichtungen und -beträge in den einzelnen Nuten die Zusammenarbeit mit Primärwicklungen
nahezu beliebiger Polzahl zuläßt.
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In Fig. 5 ist ein Vorschlag für die Ausführung der Sekundärwicklung
8 dargestellt, wobei eine Läufernutzahl von 24 angenommen wurde. Bei der im Gegensatz
zur dreiphasigen Primärwicklung 1,2,9 zweiphasigen Sekundärwicklung 8 führt das
auf die in vielen Fällen bevorzugte Anzahl von einer Nut je Pol und Strang. Das
Einbringen der Sekundärwicklung 8 vereinfacht sich erheblich durch die erfindungsgemäße
Ausbildung als Wellenwicklung mit einer Windung je Nut; sie benötigt dann nur noch
eine einzige Verbindungsstelle je Strang.
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Die in Fig. 5 nicht gezeichnete zweipolige Ankerwicklung 10 des Kommutatormotorteils
kann als Durchmesser- oder als gesehnte Wicklung beliebig ausgeführt werden; ihre
z Spulen bilden, über die Kommutatorlamellen verbunden, ein in Polygonschaltung
verkettetes-- z-Phasensystem. Bei den infragekommenden Nut- und Polzahlen kaanldie
gegenseitige Beeinflussung der als vielpolige Phasenwicklung ausgeführten Sekundärwicklung
8 und des zweipoligen z-phasensystems der Ankerwicklung 10 aus ähnlichen Gründen
wie im Ständer vernachlässigt werden.
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Da das Steigern der Schleuderdrehzahl u.a. zur Folge hat, daß die
Unwuchtkräfte bei ungleichmäßiger Verteilung der Wäsche am Mantel der Innentrommel
quadratisch zunehmen, werden in vielen Fällen Mittel zur Verbesserung der Wäseheverteilung
vorgesehen. Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann dazu so weitergebildet werden,
daß es nach Ausrüstung mit einer in Reihe mit der Erregerwicklung 12 geschalteten
Zusatzerregerwicklung eine Schondrehzahl entwikkelt.
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Selbstverständlich können auch zusätzliche elektronische Mittel eingesetzt
werden, um bestimmte Drehzahlen annähernd konstant zu halten oder neue Zwischendrehzahlen
zu bilden. Außerdem ist die Ausnutzung des Induktionsmotorteils zum Bremsen möglich.
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7 Patentansprüche 5 Figuren