DE2534906C3 - Selbstanlaufender Synchronkleinmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen selbstanlaufenden Synchronkleinmotor nach Oberbegriff des Hauptanspruches.

Solch ein selbstanlaufender Synchronkleinmotor ist an sich bekannt (DE-AS 16 13 588). Bei diesem bekannten Synchronkleinmotor sind die Pole mit hoher Koerzitivkraft durch magnetisch leitende Abstandsstükke von den übrigen Polen getrennt, und das Motorgehäuse besteht ebenfalls aus magnetisch leitfähigem Material. Diese Ausgestaltung bei Synchronkleinmotoren ist dazu gewählt worden, daß der magnetische Fluß von dem Rotor des Motors über den Luftspalt zu den Statorpolen verläuft und dann einen Rückweg mit niedriger Reluktanz zurück zu dem Rotor verfolgt. Der Rücklaufweg mit niedriger Reluktanz wird bei dem bekannten Synchronkleinmotor dadurch geschaffen, daß die Abstandsstücke und das umgebende Gehäuse aus magnetischem Material bestehen. Der Verbesserung der Laufeigenschaften solcher Motoren ist somit durch die zur Verfügung stehenden magnetischen Materialien für das Gehäuse eine Grenze gesetzt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Synchronkleinmotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen guten Wirkungsgrad und bessere Start- und Laufeigenschaften als der bekannte Synchronkleinmotor hat.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Synchronkleinmotor dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus nicht-magnetischem Material besteht. Es hat sich überraschend herausgestellt, daß mit einem nicht-magnetischen Gehäuse in Kombination mit der im Oberbegriff des Hauptanspruches angegebenen Statorausführung ein Synchronkleinmotor mit gutem Wirkungsgrad und erheblich besseren Start- und Laufeigenschaften gebaut werden kann. Der erfindungsgemäße Sychronkleinmotor bedeutet daher eine Abkehr von dem bisherigen Bauprinzip und hai dadurch die angestrebten Vorteile. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Synchronkleinmotors nach Anspruch 2 hat den Vorteil, daß eine elektrische Isolierung zwischen den unter Strom stehenden Teilen des Motors und dem Gehäuse, insbesondere zwischen den elektrischen Anschlüssen und dem Gehäuse, überflüssig ist

Eine vorteilhafte Weiterbildung der letzgenannien Ausführung des erfindungsgemäßen Synchronkleinmotors ist in Anspruch 3 gekennzeichnet Dabei ergibt sich eine besonders einfache Anordnung zur Zuleitung des Stromes an die Erregerspule, und die Statorpolstücke müssen nicht gesondert isoliert werden, da sie von dem ι ο elektrisch nicht leitenden Gehäuse umgeben sind.

Schließlich ist eine vorteilhafte Ausführung des

erfindungsgemäßen Synchronkleinmotors in Anspruch 4 gekennzeichnet Bei dieser Ausgestaltung können die die Ansätze der Statorpolstücke in der Praxis als Stecker verwendet werden, und es entfallen sogar Durchführungen durch das Gehäuse, die erforderlich wären, wenn das Gehäuse elektrisch leitend wäre. Mit diesen Steckanschlüssen kann der erfindungsgemäße Synchronkleinmotor leicht an eine externe Stromquelle angeschlossen werden.

Insgesamt ergibt sich der Vorteil, daß der erfindungsgemäße Synchronkleinmotor bei verbesserten Eigenschaften aus verhältnismäßig einfachen mechanischen und elektrischen Teilen aufgebaut und damit wirtschaft-Hch herstellbar und im Betrieb zuverlässig ist

Ausfüh.-ungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung eines Wechselstrom-Synchronkleinmotors nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig.2 einen Schnitt durch den Synchronkleinmotor von Fig. 1;

Fig.3 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen dem magnetischen Fluß in den Statorpolen des Synchronkleinmotors;

F i g. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 von F i g. 2;

F i g. 5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 von F i g. 2, wobei Teile des Synchronkleinmotors in Draufsicht gezeigt sind;

·"' Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Wechselstrom-Synchronmotors nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 7 einen Schnitt ähnlich dem Schnitt von Fig.4 durch den Motor von F i g. 6.

In der perspektivischen Darstellung von F i g. 1 ist ein Wechselstrom-Synchronmotor mit einem becherförmigen Gehäuse 10 und einem koaxialen, zylindrischen Getriebekasten 11 gezeigt. Das Gehäuse 10 und der Getriebekasten 11 bestehen jeweils aus Kunststoff oder 5» einem anderen isolierenden und magnetisch nicht leitendem Material und sind durch eine Schnappverbindung aneinander befestigt, um eine kompakte, zylindrische Anordnung zu bilden. Der Getriebekasten 11 enthält eine Reihe von Untersetzungszahnrädern 15 (Fig.4), um eine geeignete Geschwindigkeitsuntersetzung an einem Abtriebsritzel 16 zu verwirklichen.

Der Stator enthält vier Polstücke 17, 18, 19 und 20. Diese Polstücke weisen jeweils einstückige, ausgeprägte Statorpole 17a, 18a, 19a und 20a auf, die in einer μ zylindrischen Anordnung unter gleichen Abständen zu der Drehachse des Motors liegen. Die Statorpole 17a und 18a sind aus kaltgewalztem Stahl oder einem anderen vergleichsweise weichen magnetischen Material, während die Statorpole 19a und 20a aus t ■ hochgekohltem Stahl sind, der durch eine Wärmebehandlung gehärtet ist. Dazu können die Polstücke 19 und 20, die die Pole 19a und 20a bilden, auf eine Temperatur von etwa 650°C erwärmt und dann

beispielsweise in Wasser abgeschreckt werden, um die gewünschte Härtung zu erhalten.

Die weichmagnetischen Statorpole 17a und 18a sind einander gegenüberliegend in der Erregerwicklung 23 angeordnet (F i g. 1 und 2). Die gehärteten Statorpole 19a und 20a sind ebenfalls einander gegenüberliegend in der Wicklung 23 angeordnet und bilden mit den Polen 17a, 18a ein Winkel von 45° —90° vorzugsweise jedoch 90°. Die Wicklung 23 wird von einem Spulenkörper 25 getragen, der zwei Flansche 26 und 27 und einen mittleren Nabenabschnitt 28 aufweist

Die Statorpolstücke 17 und 19 sind U-förmig ausgebildet Die Statorpole 17a und 19a dieser Polstücke liegen innerhalb des Nabenabschnittes 28 des Spulenkörpers und verlaufen parallel zu der Achse des Motors. Die Polstücke 17 und 19 erstrecken sich radial von den Polen 17a und 19a entlang der Außenfläche des Flansches 26 weg und verlaufen dann parallel zu der Motorachse entlang der Außenseite der Wicklung 23 und durch entsprechende Schlitze 29 und 30 in dem nichtleitenden Gehäuse 10, so daß Polstückansätze 31 bzw. 32 gebildet werden (F i g. 2). Die beiden Anschlüsse der Wicklung 23 sind an die Polstücke 17 und 19 angelötet oder anderweitig elektrisch mit diesen verbunden, so daß die Ansätze 31 und 32 als elektrische Anschlüsse für den Motor verwendet werden können.

Das Statorpolstück 18 ist im wesentlichen L-förmig, wobei der eine Schenkel des L den Statorpol 18a bildet, und der andere Schenkel sich in radialer Richtung entlang der Oberfläche des Flansches 27 erstreckt. Das Statorpolstück 20 ist andererseits U-förmig und weist zusätzlich zu dem Statorpol 20a, der den einen Schenkel des U bildet, einen zweiten Schenkel 20b auf der Außenseite der Wicklung 23 und einen verbindenden, radialen Abschnitt 20c auf, der ebenfalls an der Außenfläche des Flansches 27 des Spulenkörpers liegt.

Mehrere Warzen 33 sind an den Außenflächen der Flansche 26 und 27 auf dem Spulenkörper 25 angegossen. Diese stehen durch dazu passende Öffnungen in den Polstücken 17, 18, 19 und 20 vor, um die Polstücke in ihren richtigen Lagen zu halten.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 5 hat die Statoreinrichtung des Motors nur ein einziges Paar einander gegenüberliegender, ausgeprägter Statorpole 17a und 18a aus weichem magnetischem Material und nur ein einziges Paar, einander gegenüberliegender, ausgeprägter Statorpole 19a und 20a aus gehärtetem, magnetischem Material. Jeder der Pole 17a, 18a, 19a, und 20a steht über den magnetischen Fluß mit einem Rotor 35 in Wirkverbindung. Der Rotor 35 ist ein verhältnismäßig langer, dünner Zylinder aus einem magnetischen Keramikmaterial, das derart permanent magnetisiert ist, daß es ein einziges Paar einander gegenüberliegender Pole als Nordpol und Südpol hat Das Material des Rotors ist verhältnismäßig »hart«, d. h. es hat eine hohe Koerzitivkraft, eine geringe Permeabilität, ein hohes magnetisches Energieprodukt und ein geringes spezifisches Gewicht also beispielsweise Bariumferrit mit einer Zusammensetzung von BaFe^Oig.

Der Rotor hat eine axiale Bohrung, in der eine Welle 36 durch Kleben, Gießen oder eine andere geeignete Technik befestigt ist. Wie in Fig.4 gezeigt ist, ist die Welle 36 zwischen zwei Lagern 37 und 38 drehbar gelagert, die mittig in der kreisförmigen Wand des Gehäuses 10 bzw. einer Endplatte 39 für den Getriebekasten 11 liegen.

Die Verwendung eines langen Rotors erhöht das zur Betätigung des Motors zur Verfügung stehende Drehmoment Ein verhältnismäßig hohes Drehmoment wird erzeugt wenn das Verhältnis von Rotorlänge zu Rotordurchmesser größer als eiwa 1,25:1 ist. Das nutzbare Nettodrehmoment fällt schnell ab, wenn dieses Verhältnis sich 1 :1 nähert Zusätzlich zu der Maßnahme, daß das Verhältnis bei wenigstens etwa 1,25:1 gehalten wird, ermöglicht die geringe Trägheit des Rotors im wesentlichen ein augenblickliches Starten und Stoppen. Das zuletzt genannte Merkmal ist

ίο besonders vorteilhaft in den Fällen, bei denen der Motor für intermittierende Zeitsteuervorgänge oder für andere Anwendungsfälle verwendet wird, wo es erwünscht ist, kumulative Fehler in der Position der Rotorwelle nach wiederholtem Starten und Stoppen des Motors zu vermeiden.

Wenn der Motor gemäß den F i g. 1 bis 5 als Wechselstrom-Synchronmotor verwendet wird, wird ein Wechselstromsignal, beispielsweise imit 110 Volt und einer Frequenz von 60 Hz, durch die Ansätze 31 und 32 der Polstücke an die Erregerwicklung 23 angelegt Die Wicklung 23 erzeugt einen magnetischen Fluß, um jeden der ausgeprägten Statorpole 17a, 18,a, 19a und 20a alternierend als Nordpol und als Südpol zu magnetisieren. Die auf diese Weise magnetisierten Statorpole wirken mit dem Nordpol und dem Südpol des Rotors 25 zusammen, um den Rotor mit einer synchronen Geschwindigkeit anzutreiben.

Der magnetische Fluß in den weichmagnetischen Statorpolen 17a und 18a folgt dem ankommenden

jo Wechselstromsignal und ist schematiisch durch die Kurve 42 in F i g. 3 gezeigt. Weil für die Statorpole 19a und 20a gehärtetes Material verwendet wird, eilt der Magnetfluß in den letztgenannten. Polen dem Magnetfluß in den weichmagnetischen Polen 17a und 18a in der

J5 Weise nach, wie durch die Kurve 43 gezeigt ist. Bei Erregung der Spule 23 beginnt sich daher der Magnetfluß in den Polen 17a und 18a nahezu augenblicklich aufzubauen, während anfänglich kein oder nur ein geringer Magnetfluß in den Polen 19a und 20a vorhanden ist. Wenn die Spannung über der Wicklung 23 nahezu 75% der Leitungsspannung erreicht, beginnt sich der Magnetfluß in den gehärteten Polen 19a und 20a aufzubauen und erreicht einen Maximalwert, kurz bevor die Eingangsspannung am Ende des ersten Viertels der Periode ihr Maximum erreicht. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Geschwindigkeit, mit der der Magnetfluß in den gehärteten Polen aufgebaut wird, von dem Zeitpunkt der anfänglichen Erregung der Wicklung 23 an erheblich geringer als die Geschwindigkeit ist, mit der der Magnetfluß in den weichmagnetischen Polen aufgebaut wird. Der Magnetfluß in den gehärteten Polen bleibt auf seinem maximalen Wert, der in den meisten Fällen etwas unter dem maximalen Wert des Flusses in den weichmagnetischen Polen ist, bis nach dem Zeitpunkt, an dem der Magnetfluß in den weichmagnetischen Polen abzufallen und sich für die nächste Polaritätsänderung umzukehren beginnt. Der Fluß der gehärteten Pole eilt jederzeit dem Fluß in den weichmagnetischen Polen nach.

Wenn die Wicklung 23 entregt wird, fällt der Fluß in den weichmagnetischen Statorpolen 17a und 18a nahezu augenblicklich auf null ab. Ein gewisses Maß an Restmagnetisierung bleibt jedoch in den gehärteten Statorpolen 19a und 20a zurück, so daß im Ruhezustand des Motors einer der gehärteten Pole ein Nordpol und der andere gehärtete Pol ein Südpol ist. Dieser Restmagnetismus bewirkt, daß der Rotor 35 eine

Ruhlage einnimmt, in der jeder der nicht-ausgeprägten Rotorpole einem der gehärteten Statorpole 19a und 20a gegenüberliegt.

Wenn die Wicklung 23 wieder erregt wird, beginnt der Rotor 35 sich sofort in einer vorbestimmten Richtung zu drehen. In Fig.2 ist beispielsweise die Ruhelage des Rotors so, daß sein magnetischer Nordpol gegenüber dem gehärteten Statorpo! 19a und sein magnetischer Südpol gegenüber dem gehärteten Statorpol 20a liegt. Wenn der weichmagnetische Statorpol 17a anfänglich einen magnetischen Südpol bildet, wenn die Wicklung erregt wird, zieht der Pol 17a den Nordpol des Rotors an, und der Rotor beginnt, sich im Uhrzeigersinn zu drehen. Wenn andererseits der weichmagnetische Pol 17a anfänglich einen Nordpol bildet, dreht sich der Rotor um einen Winkel, der etwas größer als 90° ist, im Gegenuhrzeigersinn, worauf er, we/in die Polarität der Statorpole sich nach Beendigung der ersten Halbperiode umkehrt, seine Richtung ändert und sich im Uhrzeigersinn zu drehen beginnt.

Der Effekt der gehärteten Statorpole 19a und 20a beim Erreichen der in einer einzigen Richtung erfolgenden Drehung des Rotors 35 ist mit jener Wirkung vergleichbar, die bei den bekannten Motoren mit Spaltpolen auftritt. Ein Vorteil der gehärteten Pole gegenüber der Verwendung von Spaltpolen besteht jedoch darin, daß der Restmagnetismus in den gehärteten Polen den Rotor in die für den Start vorteilhafteste Lage positioniert. Das Maß der Magnetflußnacheilung in den gehärteten Polen kann bis zu einem gewissen Maß durch den Härtegrad gesteuert werden, der durch die Wärmebehandlung an den Polen erzeugt wird.

Die ausgeprägten Statorpole 17a, 18a, 19a und 20a haben einen nichtmagnetischen Rückweg, der durch das Gehäuse 10 und den Getriebekasten 11 gebildet wird. Die herkömmliche Praxis besteht darin, diese Bauteile aus Stahl oder einem anderen magnetisch leitfähigen Material herzustellen, um die Reluktanz des Weges für den Magnetfluß des Statorpols auf einem Minimum zu halten und dadurch den Motor bei einem optimalen . Wirkungsgrad zu betreiben. Mit einem nichtmagnetischen Gehäuse und einem nichtmagnetischen Getriebekasten in Kombination mit den gehärteten Statorpolen zeigt jedoch der erfindungsgemäße Motor einen guten Wirkungsgrad und erheblich bessere Start- und Laufeigenschaften als die früheren Motoren, die einen magnetischen Rückführungsweg für den Magnetfluß der Statorpole aufweisen. Da das Gehäuse nichtleitend ist, wird auch die Verwendung der Statorpoistücke 17 und 19 als elektrische Eingangsanschlüsse für den Motor sehr erleichtert

In jedem vorgegebenen Moment während des Betriebs des Motors haben die weichmagnetischen Statorpole 17a und 18a eine entgegengesetzte magnetisehe Polarität, ebenso wie die gehärteten Statorpole 19a und 20a. Der Magnetfluß folgt einem Weg von den Statorpolen mit der einen Polarität über den Rotor zu den Statorpolen mit der entgegengesetzten Polarität und dann zurück über den nichtmagnetischen Rückweg zu den erstgenannten Polen. Der Rotor erzeugt ein erstaunlich hohes Ausgangsdrehmoment und dreht sich, bis die Feldwicklung entregt wird.

In den Fig.6 und 7 ist ein Elektromotor gezeigt, dessen Betriebsweise ähnlich wie die des Motors aus den F i g. 1 bis 5 ist Bei dem Motor gemäß den F i g. 6 und 7 wird die Notwendigkeit für einen getrennten Getriebekasten für ein Untersetzungsgetriebe vermieden. Der Motor weist die zylindrische Statoreinrichtung mit den Polstücken 17,18, 19 und 20 und die Wicklung 23 sowie den permanentmagnetisierten Rotor 35 mit nicht ausgeprägten Polen wie bei dem oben beschriebenen Motor auf. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Motor hat jedoch der Motor gemäß F i g. 6 und 7 ein verhältnismäßig tiefes Gehäuse 50 aus Kunststoff oder einem anderen isolierendem Material. Mit Ausnahme des Abtriebsritzels 16 und der Polstückansätze 31 und 32 schließt das Gehäuse 50 alle Bauteile des Motors ein. Das offene Ende des Gehäuses ist durch eine runde Endplatte 51 verschlossen.

Die Erregerwicklung 23 des Motors wird von einem Spulenkörper 55 getragen. Der Spulenkörper 55 hat zwei gegenüberliegende Flanschabschnitte 56 und 57 und einen mittleren Nabenabschnitt 58, der als Kern für die Wicklung dient.

Wie aus F i g. 7 zu ersehen ist, sind mehrere Untersetzungszahnräder 60 direkt an der Außenfläche des Flansches 56 des Spulenkörpers drehbar montiert. Diese Zahnräder dienen dazu, den Rotor 35 und das Abtriebritzel 16 miteinander zu verbinden, so daß die gewünschte Geschwindigkeitsuntersetzung an dem Abtriebsritzel verwirklicht wird. Der Flansch 56 dient auch als gemeinsame Wand zwischen der Wicklung 23 und den Untersetzungszahnrädern 60 und behebt die Notwendigkeit, die Zahnräder in einem getrennten Getriebekasten oder einem anderen Bauteil unterzubringen.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung können auch als Schrittmotor betrieben werden, um den Rotor durch eine einzige, volle Umdrehung in Abhängigkeit von jedem Gleichstroniimpuls zu drehen, der an die Erregerwicklung angelegt wird. Dazu kann eines der sich gegenüberliegenden Paare der ausgeprägten Statorpole permanentmagnetisiert sein, um einen Nordpol bzw. einen Südpol zu bilden. Eine einfache Art, um dies zu erreichen, besteht darin. Streifen aus permanent magnetisiertem Plastiform-Material an den Innenflächen beispielsweise der gehärteten Pole 19a und 20a zu befestigen. Durch diese Anordnung hat der Rotor nur eine einzige Ruhlage, in der der Nordpol des Rotors dem permanent als Südpol magnetisierten Statorpol gegenüberliegt, während der Südpol des Rotors dem permanent als Nordpol magnetisierten Statorpol gegenüberliegt

In den gezeigten Ausführungsbeispielen hat die Statoreinrichtung des Motors nur ein einziges Paar gegenüberliegender Statorpole aus weichmagnetischem Material und nur ein einziges Paar einander gegenüberliegender, ausgeprägter Statorpole aus gehärtetem magnetischem oder hartmagnetischem Material, wobei die Pole in Magnetfluß-Wirkverbindung mit dem Rotor stehen. Um den Aufbau des Motors noch weiter zu vereinfachen, kann nach einer anderen, vorteilhaften Anordnung die Statoreinrichtung nur einen einzigen ausgeprägten Statorpol aus weichmagnetischem Material und einen einzigen ausgeprägten Statorpol aus gehärtetem, magnetischem Material aufweisen. Die zwei Pole liegen etwa um 90° voneinander entfernt und sind in ähnlicher Weise wie beispielsweise die weichmagnetischen Statorpole 17a und der gehärtete Statorpol 19a in F i g. 2 angeordnet Bei Erregung der Feldwicklung für den Motor eilt der Magnetfluß des gehärteten Pols dem Magnetfluß in dem weichmagnetischem Pol in der beschriebenen Weise nach, wie schematisch in Fig.3 gezeigt ist, so daß ein Motor geschaffen wird, der nur in einer einzigen Richtung

startet Wenn die Feldwicklung entregt wird, nimmt der Rotor zuverlässig eine Position ein, bei der einer seiner nicht ausgeprägten Pole dem gehärteten Statorpol gegenüberliegt und von dem weichmagnetischen Statorpol versetzt ist, so daß der Rotor bei Erregung der Feldwicklung von selbst startet

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

•30 208/268

Claims (4)

1 Patentansprüche:

1. Selbstanlaufender Synchronkleinmotor mit einem Gehäuse, in dem eine Erregerwicklung zur Erzeugung des magnetischen Flußes und Statorpole angeordnet sind, die abwechselnd aus weich- und hartmagnetischem Material bestehen, und einen permanentmagnetischen Rotor umgeben, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10, It; 50, 51) aus nichtmagnetischem Material besteht

2. Synchronkleinmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmagnetische Material elektrisch nichtleitend ist

3. Synchronkleinmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (23) elektrisch mit zwei der Statorpolstücke (17, 19) verbunden ist, die Ansätze (31, 32) als elektrische Anschlüsse für den Motor aufweisen.

4. Synchronkleinmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze (31, 32) der Statorpolstücke (17,19) durch das Gehäuse (10, 11; 50,51) nach außen vorstehen.