DE2658998A1

DE2658998A1 - Elektromotor

Info

Publication number: DE2658998A1
Application number: DE19762658998
Authority: DE
Inventors: Claude Morris Brimer
Original assignee: LINEAR INTERNATIONAL CORP
Current assignee: LINEAR INTERNATIONAL CORP
Priority date: 1976-01-05
Filing date: 1976-12-27
Publication date: 1977-07-14
Also published as: FR2337458B3; JPS52101402A; IT1074403B; GB1574015A; US4081726A; FR2337458A1

Description

D'ipe.-Img. H.WeiGKMAMiM» Bepl.-]?hys. Br. K. Fencke Dipil.-In:g. F, ä.¥eicem&kn» Dipl-Chem. B. Hhber

S MÖNCHEN S&„ DEN

MÖHISITKÄSSE 22, RUFNÖMMEBL 98.392Ϊ//22

Linear* Siteriiational Corporation

Sreertview 21

Raneiro Ea Costa _r CaIIf.- 920Q8/USÄ

Elektromotor

BIe Erf!netting betrifft ein^n Elektromotor, Insbesondere einen Wechsels trom-Iniaktlansrao>to>r,.

Es slndi bereits Tersciileienartlge Elektromatoreii In der "bekanjit undi es werden geviöiinllcii bestimmte iEypen bekannter Motoren für einen bestimmten ¥erwenddjngszweelc_t for den sie slcit besonders eignen, gewänlt, Je naen ier GMarakterlstlk des Motors. So Ist In manchen lallen das Jünlarafmoment nxcnt meittlg und es wird mir gefordert» daS der Elektromotor Im kontinulerllciien Betrieb ißit einer Sesehwlndlgkelt läuft _t die gleicii oder proportional zu ier Ire^enz des angelegten ¥ecnselstroms ist· Ein derartiger Motor wird als S^ncnronmotor bezeichnet« In anderen Fällen Ttcomien. fίετ den in Frage kommenden Verwendungszweck andere zweckmäßige Eigenschaften für Elektromotoren vorgesehen sein« Zu= solchen Motoren gehören die sogenannten Kurzschlußläufermotoren_r die sogenannten Spaltpolmotoren, die Linearmotoren oder Mnearantrlebe» Mir einige Zwecke sind Gleichstrommotoren oder Brehstrommotoren vorteilhaft, sie sind jedoch nicht günstig für Haushaltsgeräte und andere Anwendungen, wo Grlelchstrom oder Brehstrom ohne besondere Anstrengungen und/oder

2858998 .6.

Ausgaben nicht zur Verfugung steht« Viele Wechselstrommotoren bekannter Art sind generell, nicht ohne weiteres in der lage, kontinuierlich eine energiereiche, rasch umkehrende Bewegung zu liefern» insbesondere eine Bewegung, die sieh durch ein hohes Anlaufmoment und eine niedrige Drehzahl auszeichnet. Desgleichen entnehmen herkömmliche Motoren, speziell solche mit Anlaßwicklungen im JTebenschluß u.dgl., im allgemeinen einen sehr hohen Strom* wenn, sie angelassen werden, und solche Motoren können daher im allgemeinen nicht fortwährend im Startmodus betrieben werden, wie dies bei ihrer Verwendung zum Erzeugen einer raschen Ein— and Herbewegung verlangt würde.

Zu anderen typischen Wechselstrommotoren für einen speziellen Zweck gehört der in einem Wattstundenzähler verwendete Typ, bei dem nur eine Stromwiekluiig vmä eine gesonderte Spannungswicklung verwendet wird und bei dem das Funktionsprinzip dem eines Wirbelstrommotors entspricht. Derartige Motoren erzeugen Jedoch nicht bei jeder Geschwindigkeit ein nennenswertes Drehmoment.

Da eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin besteht, einen Motor vorzusehen, der unmittelbar als !Peil eines in Schwingungen versetzbaren Mechanismus, beispielsweise eines ¥aschmaschinenrührers_f arbeiten kann, ist es notwendig, daß ein für diesen Zweck brauchbarer Motor ständig umgekehrt und gelegentlich angehalten werden, lcann und dabei frei von schädlichen Wirkungen bleibt« So ist es zum Beispiel klar, daß es beachtliche Vorteile mit sieh brächte, gewisse Mechanismen, wie etwa ¥aschmaschinenrührer und Schleudertrommeln, unmittelbar anzutreiben, da dann die benötigte Schwingbewegung direkt von dem Motor geliefert werden könnte und nicht über eine komplizierte Transmission, die sonst nötig wäre, um den gewünschten Bewegungszyklus hervorzubringen. Aber die Erzeugung einer solchen Bewegung ist entweder mit den bisher verfügbaren Elektromotoren nicht möglich, oder wo sie möglich ist, ist sie von verminderter Effizienz·

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Die Erfindung will daher einen Elektromotor mit verbesserter Konstruktion schaffen, der in ständige Hin- und Herbewegungen versetzbar und sogar anhaltbar ist, ohne daß er übermäßige Wärme entwickelt und ohne daß er aus dem Speisekreis, an den er angeschlossen ist, einen übermäßigen Strom entnimmt. Der Motor soll ferner über einen weiten Geschwindigkeitsbereich und einen weiten Bereich der Drehmomentlast leicht regelbar sein und insbesondere frei von negativer Drehmoment-Geschwindigkeitsbeziehung sein. Der Motor soll diese Eigenschaften über ein verhältnismäßig breites Spektrum von Betriebsdrehzahlen haben. Er soll ein verhältnismäßig niedriges Rotor-Trägheitsmoment haben und frei von unerwünschten Schwankungen des Drehmomentes sein, die manchmal als Jaulen in Erscheinung treten.

Die Erfindung will ferner einen Motor schaffen, in dem direkt ein verhältnismäßig hohes Drehmoment erzeugt werden kann, selbst bei einem Rotor mit recht geringem Außendurchmesser. Die Wicklungen des Motors sollen in der Lage sein, eine hohe Kraftdichte zu erzeugen. Der Motor soll für seinen Betrieb nicht von der Erzeugung elektromotorischer Rückkräfte abhängen, die ausschließlich oder hauptsächlich in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Rotors oder Ankers hervorgerufen werden. Weiter will die Erfindung einen Motor schaffen, bei dem die Ausgangsgeschwindigkeit und das Ausgangsdrehmoment weitgehend proportional zu der an den Motor angelegten Spannung sind und der demzufolge über einen weiten Bereich der angelegten Spannung ohne Leistungsverluste betreibbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen Motor ist die Stromentnahme weitgehend nicht durch erzeugte elektromotorische Rückwärtskräfte begrenzt, sondern durch die den Schaltungen eigene Impedanz. Bei dem erfindungsgemäßen Motor sind ferner die beweglichen Elemente frei von Eisen, was zur Folge hat, daß variable elektromotorische Gegenkräfte und unerwünschte Oberwellenfrequenzen der Spannung nicht in einem wahrnehmbaren Umfang erzeugt werden« Die verhältnismäßig offene Konstruktion des erfindungsgemäßen Motors sorgt für eine effiziente Wärmeabführung. Der erfindungsgemäße

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Motor mit den gewünschten Eigenschaften soll mit dem üblichen Haushaltstrom betreibbar sein. Der Motor kann in seiner einen Drehrichtung ein höheres Drehmoment haben als in der entgegengesetzten Drehrichtung. Sein Drehmoment ist mittels einer an einem Bedienungselement veränderbaren Kapazität variabel.

Um einen Motor der gewünschten Eigenschaften und der erwähnten Vorzüge zu schaffen, sieht die Erfindung einen Elektromotor vor, der eine Motorwelle hat, die durch einen Rotor in der Form einer im wesentlichen flachen Scheibe gedreht werden kann, die in einem axialen Abstand nahe an der Oberfläche von Polschuhen eines ringförmigen, unterteilten Stators liegt und im Betrieb an diesen vorbeiläuft, der in in ihm geformten Schlitzen verteilte Mehrphasenwicklungen enthält, wobei die Wicklungen für jeden Pol auf zwei oder mehr Schlitzpaare verteilt sind.

In einer Ausführungsform ist die Erfindung in einem Motor für unmittelbaren Antrieb verwirklicht, bei dem die Motorwelle durch eine Wabe hindurch starr an einem ringförmigen, scheibenartigen Rotor befestigt ist, der in einem axialen Abstand zwischen einem Paar von Magnetpolschuhen liegt, von denen jeder mit Zweiphasenwicklungen versehen ist, die in querlaufenden Schlitzen in den Polschuhen oderStatorkörpern liegen. Der Polschuh kann ein einziger Körper sein, der einer Stirnfläche der als Rotor wirkenden Scheibe zugekehrt ist, oder es können zwei Polschuhe vorgesehen sein, die einander zugekehrt sind, wobei die Scheibe des Rotors dazwischenliegt. In jedem Fall ist eine magnetische Rückführung durch ein quergeschlitztes sogenanntes magnetisches Kurzschlußelement aus permeablem Material vorgesehen. Die Funktion dieses Elements kann durch ein quergeschlitztes Kurzschlußjoch selbst ausgeübt werden oder durch den anderen Stator oder Polschuh, wobei in einer solchen Konstruktion jeder Stator dann als das Kurzschlußelement für den gegenüber angeordneten Stator dient.

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Weitere Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden genauen Beschreibung zweckmäßiger Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen durchgehend gleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Es zeigens

Pig.1 eine vertikale Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Elektromotors;

Pig.2 eine Draufsicht^ teilweise im Horizontalschnitt, die verschiedene Merkmale des Elektromotors der Pig.1 erkennen läßt?

Pig.3 eine ausgebreitete Skizze^ die eine Porm von Statorkörpern oder Polschuhen zeigt_? die im Rahmen der Erfindung verwendbar sind₉ sowie eine typische Art der Verteilung der Wicklungen darin?

Pig.4 ein elektrisches Schaltschema des Motors §

Pig_o5 ein Diagramm_s das die Drehmoment-Greschwindigkeitscharakteristik des erfindungsgemäßen Motors ₉ sowie solche Charakteristiken für typische bekannte Induktionsmotoren zeigte

Bevor auf die Einzelheiten der zweckmäßigen Ausführungsbeispie« Ie des erfindungsgemäßen Motors eingegangen wird_s sei erwähnt^ daß der Motor anhand von Beispielen beschrieben wird, bei denen ein Element angetrieben werden soll, mit dem die Motorwelle im Betrieb ohne zwischenliegende Zahnräder, Scheiben, Riemen ο»dglο verbunden ist_s und insbesondere ohne daß Zahnräder oder andere Mechanismen zwischengefügt werden«, die den Charakter der von der Motorwelle beschriebenen Bewegung ändern können. Der erfindungsgemäße Motor ist jedoch auch in einer anderen Umgebung nützlich;, einschließlich solcher Fälle, bei denen aus anderen Gründen einige der aufgezählten oder auch andere zusätzliche Mechanismen erwünscht sind.

In PigoT ist eine zweckmäßige Ausführungsform des erfindungs-

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gemäßen Motors bei 10 gezeigt. Wie aus Pig.1 deutlich erkennbar ist, weist der Motor 10 eine Anzahl von Hauptelementen auf, nämlich einen insgesamt mit 12 bezeichneten Motorrahmen, eine Motorwelle 14 und einen Rotor 16, der an seinem äußeren Teil eine im wesentlichen dünne, flache, ringförmige Rotorscheibe 18 hat. Das andere Hauptelement ist die Polschuhoder Statoranordnung 20, die in dem gezeigten Beispiel einen unteren Statorkörper 22, in dem axiale Schlitze 84 ausgebildet sind, in welche untere Wicklungen 26 angeordnet sind, sowie einen oberen Statorkörper 24 umfaßt, in dem axiale Schlitze 86 vorgesehen sind, in welchen obere Wicklungen 28 liegen. Zwischen den sich in Achsrichtung gegenüberstehenden Teilen 30, 32 des unteren und des oberen Körpers 22 und 24 befindet sich ein Luftspalt 34» durch welchen die Rotorscheibe 18 läuft, wobei der äußere Rand 36 des Rotors 18 in radialer Richtung außerhalb der Außenränder 38, 40 der Statorkörper 22, 24 liegt und der innere Rand 50 der Rotorscheibe in radialer Richtung innerhalb der Statorkörper 22, 24.

Aus Pig«1 ist außerdem ersichtlich, daß die Rotoranordnung 16 eine Nabe 42 aufweist, in der eine zylindrische Bohrung 44 angebracht ist. Eine Befestigung zwischen Nabe und Welle in der Form eines Keils oder einer Madenschraube 46 legt die Nabe 42 auf der Welle 14 fest. Die Rotorscheibe 18, die vorzugsweise aus einem unmagnetischen, elektrisch leitenden Material ist, etwa Aluminium, ist an der Habe 42 mittels mehrerer Befestigungselemente 48 festgemacht, die durch den inneren Rand 50 der Rotorscheibe 18 treten und in einen äußeren Rand oder Plansch 52 der Nabe 42 ragen.

Die axialen Enden 54, 56 der Nabe 42 sind in Lagern 58, 60 abgestützt, deren radial äußere Teile in Buchsen 62, 64 gelagert sind, die jeweils Teile einer unteren Platte 66 bzw. einer oberen Platte 68 bilden, welche beide Hauptbestandteile des Motorrahmens 12 sind. Wie weiter aus I¹Xg.2 ersichtlich, ragen Befestigungsmittel, beispielsweise Bolzen 70 o.dgl., durch

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einen äußeren Teil 72 der oberen Platte 68 und von dort nach unten in eine entsprechende Stelle an der unteren Platte' 66, um die Platten in einer festen Lage zueinander zu halten, Fig.2 zeigt auch, daß der Körper der Rotorscheibe 18 mehrere radiale Luftspalte oder öffnungen 74 von verhältnismäßig geringer Breite in Umfangsrichtung hat. Die Öffnungen 74 sind in radialer Richtung langgestreckt, so daß sie eine etwas größere radiale Reichweite haben als der Abmessung eines oder beider Statoren 22, 24 in radialer Richtung entspricht. Die Punktion dieser Einheiten wird im Verlauf der weiteren Beschreibung noch deutlich.

Pig.2 zeigt ferner, daß die unteren Wicklungen, die insgesamt mit 26 bezeichnet sind und Bestandteil des unteren Statorteils 22 sind, tatsächlich in zwei Gruppen angebracht sind, nämlich einer ersten oder sogenannten A-Phasenwicklung 26A und einer zweiten oder sogenannten B-Wicklung 26B.

Die Pig.3 die eine schematische Abwicklung des Motors, in der die Statorkörper 22, 24 anstelle von ringförmigen Segmenten als gestreckt dargestellt sind, ermöglicht ein besseres Verständnis der Wicklungskonfiguration einer Ausführungsform der Erfindung. Die Wicklungskonfiguration wird zuerst für die Wicklung 26 im unteren Stator 22 erläutert, in dem es Paare jedes Buchstabens gibt, der Teile der gleichen Spule bezeichnet. In der Pig. beziehen sich die Buchstaben 26a, 26a¹, 26c, 26c¹ und 26e, 26e' alle auf Spulen der sogenannten Α-Phase der unteren Wicklung 26. Die anderen Ziffern 26b, 26b¹, 26d, 26d· und 26f, 26f beziehen sich auf Spulen der sogenannten B-Phase der unteren Wicklung 26. Die Spulen 26a und 26a^f, 26b und 26b♦ sind so gewickelt, daß die Stromrichtung in jeder Spule gleich ist; daher bilden die Spulen 26a und 26a¹ zusammen einen Magnetpol des ^Motors; entsprechend erzeugen die Ziffernpaare 26b-26b", 26c-26c' usw. einzelne Pole. Die Wicklungsrichtung der Pole ist so, daß alternierende Pole einer bestimmten Phase für eine gegebene Stromflußrichtung entgegengesetzte Magnetpole bilden. Wenn beispielsweise in Pig.3 26a-26a^f einen magnetischen Nord-

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pol erzeugen, erzeugen 26c-26c^!, die Spulen der gleichen Phase sind, einen magnetischen Südpol für eine bestimmte Stromrichtung in der sogenannten A-Phase. Desgleichen wenn 26b-26V einen Nordpol bilden, dann bilden 26d-26d' zum gleichen Augenblick in der sogenannten B-Phase einen Südpol.

Normalerweise kann jede Phase in einem Statorsegment die gleiche Anzahl von Spulen und daher eine gleiche Zahl von Magnetpolen enthalten; in manchen Anwendungen kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn in einer Phase verglichen mit der anderen eine oder mehrere Spulen weggelassen sind, so daß die von dem Kondensator verursachte Phasenverschiebung des Stroms, die noch beschrieben wird, für eine Drehrichtung anders ist als für die andere Drehrichtung. Dies führt dazu, daß das Drehmoment in einer Drehrichtung größer ist als in der anderen Drehrichtung.

Wenn beispielsweise in Fig.3 die Spule 26f' weggelassen wird oder wenn beide Spulen 26f und 26f' weggelassen sind, gibt es in der B-Phase weniger Spulen als in der Α-Phase. Nimmt man an, daß in allen Spulen beider Phasen die gleiche Größe und die gleiche Windungszahl des Drahtes verwendet ist, dann hat die Phase B eine geringere gesamte Reaktanz als die Phase A.

Aus Fig.4, die ein Schaltschema des Motors (mit zwei Statoren) ist, sieht man, daß, wenn die Reaktanzen von PA-1, PA-2 und PB-1, BP-2 gleich sind, ein Kondensator 90 die gleiche Phasenverschiebung hervorruft, ungeachtet der Stellung eines Umkehrschalters 92. Wenn jedoch, wie oben erläutert, die Reaktanzen von PA-1, PA-2 und PB-1 und PB-2 ungleich sind, dann bestimmt die Stellung des Umkehrschalters 92 die relativen Reaktanzen der zwei Phasen und damit die von dem Kondensator 90 bewirkte Phasenverschiebung. Es ist einzusehen, daß dieses gleiche unbalancierte Drehmoment auch durch andere ungleiche Windungszahlen in den Spulen der zwei Phasen erzeugt werden kann oder durch Verwendung eines dickeren oder dünneren Drahtes in einer Phase gegenüber der anderen Phase oder durch irgendeine andere

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•lt.

Anordnung, die eine unausgeglichene Reaktanz in den Phasen bewirkt .

Bisher wurde nur die Drahtführung des unteren Stators 22 beschrieben. Wie weiter aus ]?ig_e3 hervorgeht, hat der Stator 24 eine Bewicklung 28, die in ähnlicher Weise angeordnet ist. Die Spulen 28a, 28a«, 28b, 28b¹, 28c, 28c· usw. der Bewicklung 28 im oberen Stator 24 müssen jedoch derart gewickelt sein, daß die in diesem Stator erzeugten Magnetpole den in der Bewicklung 26 des unteren Stators 22 erzeugten entgegengesetzt sind, wenn die Statoren kooperativ arbeiten sollen_o Wenn die Statoren gesondert erregt werden sollen oder in einer nichtkooperativen Weise_s wie beispielsweise} wenn unterschiedliche Drahtführungen in den beiden Statoren verwendet werden^ ist dies nicht notwendig« Ferner zeigt Figo4 zwei Kondensatoren 90 und 94 (die einen verschiedenen V/ert haben), die in der Anordnung mit einem Schalter 96 bestimmen, welche Kapazität zu jedem gewünschten Zeitpunkt in den Kreis gelegt wirdo Da für bestimmte Y or» bedingungen die Höhe des von diesem Motor erzeugten Drehmomentes von der in den Kreis eingeführten Kapazität abhängt₉ ist diese Anordnung nütslich₉ um beispielsweise in einer Wasehma== sohine hohe Drehmomente für einen maximalen Waschvorgang oder hohe Schleudergeschwindigkeiten vorzusehen^ während hohe Kapa= zitätswerte für einen sanften Waschvorgang oder geringe Sehleu-=* äergeschwindigkeiten verwendet werden könnenο

Eine Anordnung der Wicklungen gemäß der Erfindung macht es möglich9 daß die Schlitze 84 in den betreffenden Statorkörpern 22 und 24 von einfacher₉ offener Konstruktion sind» Da die einzelnen Pole von mehreren Spulen gebildet sind₉ erzeugt ein Zahn mit parallelen Seiten bei keiner Betriebsgeschwindigkeit Effekte des Schlitzsperrens oder Jaulenso In der bisherigen Technik wird eine sogenannte geschlossene Schlitzkonstruktion verwendet, um Schlitzsperr- und Jauleffekte zu unterbinden« Eine solche Konstruktion führt dazu, daß der Magnetfluß sich über einen im Verhältnis zu der vorliegenden Parallelschlitz-

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• ⁴T-

konstruktion weiteren Zahnbereich verteilt. Da die von dem Motor entwickelte Kraft proportional dem Produkt aus der Zahnfläche mal der Flußdichte im Quadrat ist, erzielt die erfindungsgemäße Konstruktion höhere Leistung als die bisherige Technik, beseitigt dabei zugleich die Schlitzsperr- und Jauleffekte, die bei dieser Schlitzkonfiguration bisher auftraten.

In der Darstellung haben beide Wicklungen A und B gleichmäßige Abstände, d.h. jeder Ast jeder Spule nimmt jeden dritten Schlitz ein. Eine Wicklung kann jedoch so angeordnet sein, daß die Äste jeder Spule in weiter beabstandete Schlitze fallen, d.h. bei der einen Wicklung können die Äste jeder Spule beispielsweise in jeden dritten Schlitz fallen, während bei der anderen Wicklung die Äste beispielsweise in jeden vierten, sechsten oder achten Schlitz fallen. Aufgrund der Erregung dieser Spulen mit Wechselstrom, wobei der Strom in der einen Wicklungsgruppe gegenüber dem Strom in der anderen Wicklungsgruppe phasenverschoben ist, wird in bekannter Weise ein sich bewegendes Magnetfeld erzeugt und dies hat zur Folge, daß von dem im Rotor 18 induzierten Strom Seaktionskräfte erzeugt werden, die eine Bewegung der Rotorscheibe 18 hervorrufen. Da die Natur des Magnetfeldes solcher Art ist_s daß die Stromrichtung jedesmal, wenn das Vorzeichen des Signals wechselt, umgekehrt wird, erfolgen die Änderungen im Magnetfeld in relativ weiteren oder engeren Intervallen je nach der Konfiguration der Spulen. Für hohe Rotationsgeschwindigkeiten werden daher die Spulen so angeordnet, daß sie eine verhältnismäßig geringe Zahl von gleichmäßig beabstand eten Polen in dem ringförmigen Stator bilden, wogegen für eine geringere Geschwindigkeit eine große Anzahl von Polen vorgesehen wird. Einen Wechselstrom von 60 Hz vorausgesetzt, würde beispielsweise eine Vierpolanordnung eine Drehzahl von 1800 U/min weniger dem Schlupf vorsehen, wogegen eine Zweipolanordnung 3600 U/min und eine Achtpolanordnung 900 U/min liefern würde.

Ein weiterer Punkt in Fig.2 betrifft die Öffnungen 74 im Ro-

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tor 18. Wie man weiß, verlaufen im Betrieb des Motors die Pfade des Induktionsstromes im wesentlichen radial durch den Rotor, so daß das diesen Strompfaden zugeordnete Magnetfeld von den Magnetfeldern, die von den Wicklungen in den Statorkörpern 22, 24 erzeugt v/erden, abgestoßen wird. Um diese Strompfade einzuengen und dadurch die Stromdichte zu erhöhen und die Streuung des Stroms und Erzeugung unerwünschter Wirbelströme möglichst zu unterbinden, sind die öffnungen 74 vorgesehen. Es sei jedoch darauf verwiesen, daß diese Luftspaltöffnungen nur eine Form von elektrischen Isolationsmitteln sind, die vorgesehen sein können, um zu gewährleisten, daß die Strompfade nicht durch sie hindurchgehen; es können zu diesem Zweck auch andere geeignete Mittel vorgesehen sein.

Im Rahmen der Erfindung können ein Statorkörper und eine Mehrphasenbewicklung dieses Typs auch als oberer Stator 24 verwendet werden; es könnte jedoch ehenso gut für die Spulen 28a usw. des oberen Stators 24 eine andere Wicklungsanordnung benutzt werden. In letzterem Pail würde die Erregung des oberen Stators zu einer unterschiedlichen Drehzahl der Rotorscheibe oder Drehmomentcharakteristik führen, während bei einer Ausbildung des oberen Stators 24 in gleicher Konfiguration wie der untere Stator 22 und beim gleichzeitigen Betreiben beider Statoren sich für die Motorwelle 14 die gleiche Drehzahlcharakteristik ergeben würde wie mit nur einem Stator, aber annähernd das doppelte Drehmoment gegenüber demjenigen, das ein einziger Stator liefern könnte, unter der Annahme von ungefähr gleicher Spannung und gleichem Strom in der oberen und der unteren Bewicklung.

In Fig.5 ist in einem Diagramm die Geschwindigkeit über dem Drehmoment für verschiedene Elektromotoren aufgetragen, einschließlich bisher gebräuchlicher Motoren. In diesem Diagramm veranschaulicht die mehr krummlinige Kurvenschar A, B und C das typische Verhalten eines Wechselstrominduktionsmotors des gewöhnlich in Verbindung mit einer mechanischen Transmission

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benutzten Typs zum Betreiben einer Waschmachine o.dgl., bei der ein Rührer kontinuierlich beschleunigt und abgebremst und in seiner Richtung umgekehrt werden muß und dieser Prozeß oftmals in der Minute wiederholt werden muß. Die Kurve A zeigt das Betriebsverhalten eines solchen Motors bei voller Nennspannung, Kurve B zeigt das Verhalten eines solchen Motors bei 90 fo der Nennspannung und Kurve C zeigt das Verhalten bei 80 fo der Nennspannung. Die Kurven AL, BL und CL veranschaulichen den Geschwindigkeit/Drehmomentverlauf eines erfindungsgemäßen Motors, wobei die Kurve AL das Verhalten bei Nennspannung, die Kurve BL das Verhalten bei 90 °/o der Nennspannung und die Kurve CL das Verhalten bei 80 fo der Nennspannung zeigt.

Die gestrichelte Linie D ist eine Kurve, die allgemein das zum Antreiben typischer Lasten erforderliche Drehmoment zeigt, beispielsweise der Last an einem in Luft laufenden Gebläse, einer Hydraulikpumpe oder einer V/aschmaschine im gefüllten Zustand. Aus dieser Kurve ist ersichtlich, daß ein wachsendes Drehmoment notwendig ist, wenn die Drehgeschwindigkeit, die an die Last angelegt werden soll, zunimmt. Vergleicht man die durch die gestrichelte Kurve D dargestellten Lastanforderungen mit dem Drehmoment, das ein für die Durchführung dieser Aufgabe üblicher Induktionsmotor liefert, so sieht man, daß die Kurven A und B von der Kurve D bei einer verhältnismäßig hohen Drehzahl geschnitten werden, daß aber die Kurve D auch die Kurve C an einem Punkt J schneidet, dessen Ordinate lediglich 300 U/min, entsprechend einer Geschwindigkeitszahl 0,3»beträgt. Andererseits sind Geschwindigkeitszahlen von 6,4 bzw. 5»7 an den Schnittpunkten H und I mit den Kurven A und B verfügbar.

Der herkömmliche Induktionsmotor kann nicht am Punkt J betrieben werden, weil dieser Punkt unter dem sogenannten Kippmoment des Motors liegt und der Motorbetrieb in diesem Bereich charakteristischerweise einen viel zu hohen Strom braucht, um einen kontinuierlichen Betrieb zu ermöglichen. Bekanntlich sollen Induktionsmotoren nicht nur über dem Kippmo-

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ment arbeiten, sondern auch in Geschwindigkeitsbereichen, die etwas über den Geschwindigkeiten liegen, bei denen das maximale Drehmoment (Punkte E, F und G) auftritt. In anderen V/orten: Das maximale Drehmoment für eine vorgegebene Spannung wird an den Punkten E, i¹ und G erzeugt, wo die Geschwindigkeit/Drehmomentkurven Umkehrpunkte eines "Knies" haben. Ein Induktionsmotor kann jedoch nicht kontinuierlich bei maximalem Drehmoment betrieben werden ohne die Gefahr eines überhöhten Stromverbrauchs, einer Überhitzung und Beschädigung des Motors. Daher wird ein solcher Motor gewöhnlich in einem Geschwindigkeitsbereich betrieben, der über der Stelle liegt, bei der das maximale Drehmoment entwickelt wird, und das im Normalbetrieb verwendete Drehmoment sollte zwischen einem Drittel und zwei Dritteln des maximalen Drehmoments, das der Motor erzeugen kann, liegen. Hierzu sei noch darauf verwiesen, daß die Linie D die Kurve C sehr nahe am Punkt E schneidet und daß demgemäß ein Motor mit einer der Kurve G entsprechenden Spannung nicht unter Drehmomentbedingungen betrieben werden könnte, wie sie durch die Kurve D dargestellt sind. Folglich könnten typische Induktionsmotoren bei einer unter der optimalen Spannung liegenden Spannung nicht den Bedingungen genügen, die von einer last des Typs, wie er durch die Linie D dargestellt ist, auferlegt werden, und mit einer solchen Anordnung lassen sich keine befriedigenden Ergebnisse erzielen.

Im Gegensatz zu der geschilderten Situation wird auf die Schnittpunkte K, L und M verwiesen, in denen die Kurven AL, BL und GL die Kurve D bei Geschwindigkeitszahlen von etwa 3,8 bzw. 2,9 bzw. 1,9 schneiden. Wie man sieht, ergeben Spannungsänderungen relativ lineare Änderungen in Drehmoment und Drehzahl, während in jedem Fall die erzeugte Geschwindigkeit so groß ist, daß der Motor.nicht das maximale Drehmoment erzeugen muß. Demnach kann die Last "D" von einem erfindungsgemäßen Motor angemessen bewältigt werden, selbst wenn der Motor mit einer verhältnismäßig niedrigen Spannung betrieben wird.

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Ήηη. noch zu einem anderen Gesichtspunkt der Motorleistung. In einem herkömmlichen Induktionsmotor wird das maximale Drehmoment erzeugt, wenn eine maximale elektrische Energie vom Stator oder Feld des herkömmlichen Motors durch den Luftspalt auf die Stangen des Rotors übertragen wird. Die auf diese Weise übertragene Induktionsenergie kann mit der Situation in einem Transformator verglichen werden, wobei das Feld oder der Stator des Motors zu den Primärwicklungen des Transformators analog ist und die Rotorleiter oder -stangen zu der Sekundärwicklung oder Ausgangswicklung des Transformators. In einem solchen Fall tritt die maximale Energieübertragung, die ein maximales Ausgangsdrehmoment ergibt, dann auf, wenn der Ohmsche Widerstand des Rotorteils des Kreises gleich dem induktiven Blindwiderstand des Rotors ist. In einem nach der Lehre der Erfindung konstruierten Motor wird ein Material mit sehr niedrigem Widerstand verwendet, etwa eine Aluminiumplatte, und das maximale Drehmoment wird deshalb dann übertragen, wenn der induktive Blindwiderstand des Kreises ein Minimum ist. Eine splche Bedingung tritt ein, wenn alles magnetische Material beseitigt wird, da Eisen oder ein anderes ferromagnetisches Material eine sehr hohe Reaktanz hat. Demgemäß wird das maximale Drehmoment in dem erfindungsgemäßen Motor bei oder im Bereich nahe bei der Mindestgeschwindigkeit erzeugt. Diese Eigenschaft, nämlich ein sehr hohes Startdrehmoment, ist ideal, wenn von der Motorwelle 14 unmittelbar eine schwere Last angetrieben werden soll. Dies ist der Fall, wenn die Welle 14 z.B. direkt an einen Rührer einer Waschmaschine angeschlossen ist und der Rührer nicht nur eine verhältnismäßig hohe Trägheit und einen beträchtlichen Beschleunigungswiderstand hat, sondern auch fortlaufend abgebremst und danach in der entgegengesetzten Richtung beschleunigt werden muß. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß eine größere Gesamtleistung erzielt wird, wenn die Trägheitseffekte der Last praktisch die einzigen vorhandenen Trägheitseffekte sind, und dies wird in der vorliegenden Erfindung dadurch ermöglicht, daß ein Rotor 16 mit geringem Gewicht vorgesehen ist. Wie ein Blick auf Fig.1 zeigt, ist nicht

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nur die gesamte Einheit von einer relativ leichtgewichtigen Konstruktion, sondern es liegen auch die Teile, die eine 'beträchtliche Masse haben, am nächsten zur Mittellinie der Motorwelle 14. Polglich tritt im Betrieb keine übermäßige Trägheitskraft auf, wie sie im Fall eines schweren Läufers aus Eisen oder Kupfer vorhanden wäre, und ein solcher Motor läßt sich daher ohne weiteres rasch umkehren.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Motorkonstruktion liegt darin, daß, da für die Rotorscheibe Aluminium oder ein anderes unmagnetisches Material verwendet ist, der scheibenförmige Rotor eine sehr niedrige Induktanz und auch einen niedrigen Ohmschen Widerstand hat und die von ihm erzeugten elektromotorischen Gegenkräfte ebenfalls sehr schwach sind und sich mit Geschwindigkeitsanderungen oder beim Anhalten nur geringfügig ändern. Im Gegensatz dazu unterliegt ein herkömmlicher Induktionsmotor einer beträchtlichen Änderung der Induktanz, wenn der Rotor oder Läufer zwischen einem Anhaltezustand und einer normalen Betriebsgeschwindigkeit wechselt. Die Änderungen der Gegenspannungen oder elektromotorischen Gegenkräfte betragen während eines solchen Wechsels im typischen Pail das Zwanzigfache oder mehr, d.h. der Motor hat bei normalen Betriebsgeschwindigkeiten bis zu zwanzigmal so viel elektromotorische Gegenkraft als beim Anhalten des Rotors. Demgemäß wird der Arbeitsstrom eines solchen Motors in der Praxis nicht durch die Impedanz der Wicklungen begrenzt, sondern nur durch die vom Rotor entwickelte elektromotorische Gegenkraft. Dies mag in gewissen Situationen vorteilhaft sein, in anderen Fällen ist es jedoch ein Nachteil, da unter gewissen Umständen, insbesondere bei hoher Last und niedriger Geschwindigkeit, von den Wicklungen allein eine verhältnismäßig geringe Impedanz entwickelt wird und daher ein übermäßiger Strom durch die Wicklungen fließt. Andererseits kann bei einem erfindungsgemäßen Motor die Impedanz hauptsächlich oder praktisch ganz durch die Impedanz der Wicklungen begrenzt werden, da die elektromotorischen Gegenkräfte, die während in Präge kommender Geschwindig-

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- Ver-

keitsänderungen entwickelt werden, z.B. nur in der Größenordnung von 5 ^aß> oder weniger betragen, selbst wenn die Geschwindigkeit zwischen einer freien Synchrongeschwindigkeit und der Geschwindigkeit null oder dem vollkommenen Stillstand des Rotors wechselt. Ein erfindungsgemäßer Motor entwickelt daher keine übermäßige Wärme, da die Wärmeerzeugung, die durch das Produkt aus dem Widerstand und dem Quadrat der Stromstärke gegeben ist, am ausgeprägtesten bei plötzlichen Stromanstiegen ist. Bei der Erfindung gibt es keine großen Stromschwankungen, weil ein Motor, der mit einer vorgegebenen Gesamtimpedanz bei einer vorgegebenen gewöhnlichen Strorakapazität berechnet ist, keine Änderung in irgendeiner dieser Variablen erfährt, auch wenn sich die äußeren Bedingungen ändern, und demgemäß nicht anfällig für eine plötzliche Erhitzung ist. In anderen Worten:

Der Motor kann so ausgelegt sein, daß er die durch die soge-

P
nannten I R-Yerluste entwickelte Wärme im normalen Betrieb aushält, und die Werte von I und R ändern sich danach nicht sehr, so daß keine übermäßige unerwünschte Wärme in einem solchen Motor entstehen kann.

Ein weiterer Vorzug des Motors ist, daß, da der Stator sich über weniger als 360 erstreckt, die Wärmeableitung wirkungsvoller ist als im lall eines über 360° reichenden Stators bzw. mehrerer solcher Statoren. Eine weitere günstige Eigenschaft eines gemäß der Erfindung konstruierten Motors ist, daß Streuoder Wirbelströme, die in einer neutralen oder nichtadditiven Richtung bezüglich der Erzeugung von Magnetfeldern in der gewünschten Richtung verlaufen, gegeneinander versetzt sind und zwar Wärme, aber keine stärkeren Magnetfelder erzeugen, wie sie zum Erzeugen eines zusätzlichen Drehmoments erforderlich sind. Demgemäß müssen die Öffnungen 74 in der Rotorscheibe 18 so eng wie möglich auf eine radiale Länge isoliert sein, die gleich oder geringfügig größer ist als die radiale Abmessung der Statorkörper 22, 24, während der äußere Rand 36 der Rotorscheibe die Statoren 22, 24 überlappen muß. Ebenso muß der innere Rand 50 in radialer Richtung weiter innen liegen als

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die innere Grenze der Statorkörper 22, 241 um an der Innenseite und an der Außenseite niederohmige Strompfade in Umfahgsrichtung außerhalb der am stärksten konzentrierten magnetischen Kraftlinien vorzusehen, wobei die Strompfade in einem solchen Motor eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen benachbarten radialen Strompfaden erlauben. Ein solcher ununterbrochener Pfad in einem Induktionsmotor, wenn man ihn in Verbindung mit den von den radialen Strömen entlang den Rotorstangen verfolgten Pfaden betrachtet, begründet, daß ein derartiger Motor manchmal als sogenannter Kurzschlußläufermotor charakterisiert wird. Ein erfindungsgemäßer Motor hat analoge elektrische Strompfade und kann in diesem Sinn als ein Motor mit einem vollkreisförmigen, axial gerichteten Stator mit charakteristischen Kurzschlußläuferströmen darin angesehen werden.

Im Betrieb des erfindungsgemäßen Elektromotors sei angenommen, daß· eine elektrische Phase in geeigneter Y/eise an die leiter PA-1 und PA-2 angeschlossen ist und daß die andere elektrische Phase an die Leiter PB-1 und PB-2 gelegt ist. Bei Erregung wird die Scheibe 18 mit ihrer niedrigen Trägheit rasch und stark in einer gegebenen Richtung beschleunigt und ist Je nach den Lastbedingungen bestrebt, sich einer vorbestimmten Synchrongeschwindigkeit zu nähern. Palis ein solcher Motor so angeordnet ist, daß seine Motorwelle 14 unmittelbar einen Waschmaschinenrührer antreibt, soll die Drehrichtung des Rührers periodisch umgekehrt werden, vielleicht mit einer Geschwindigkeit von fünf bis dreißig oder mehr Zyklen pro Minute. Dafür kann außerhalb der Motorschaltung ein elektrisches oder mechanisches Mittel vorgesehen sein. Eine derartige Einrichtung, die sehematisch bei 92 gezeigt ist, kann die gleiche sein, wie in der US-PS 3 914 963 dargestellt, oder sie kann von anderer bekannter Art sein, \ienxi eine solche Umkehreinrichtung oder ein Schalter 92 betätigt wird, wird der Motor beispielsweise eine Drehung im Uhrzeigersinn beginnen, und danach kraftvoll bis zum Anhalten abgebremst werden, um danach entgegen dem

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Uhrzeigersinn beschleunigt zu werden, bis der Vorgang wieder umgekehrt wird.

Angenommen, die zugeordneten Teile einer Waschmaschine o.dgl. sind richtig mechanisch angeschlossen, kann ein derartiger äußerer Schaltmechanismus dann abgeschaltet oder abgehängt werden und der Motor kann dazu benutzt v/erden, die Schleudertrommel einer V/aschmaschine kontinuierlich in einer Drehrichtung weiterzudrehen. Die Drehzahl dieser Betriebsweise hängt, v/ie oben erwähnt, von der Anzahl der Schlitze in dem Stator ab, die tatsächlich für Wicklungen benutzt v/erden. Falls für eine Betriebsart ein niedriges Drehmoment und eine hohe Drehzahl der Motorwelle 14 und für eine andere Betriebsart ein hohes Drehmoment und eine geringe Drehzahl gewünscht werden, können der untere und der obere Stator 22 und 24 Wicklungen enthalten, die derart angeordnet sind, daß der eine einen Stator mit acht, zwölf oder sechzehn Polen bildet, während der andere Stator eine geringere Polzahl hat, etwa zwei oder vier Pole. In diesem Fall dient der nicht benutzte Stator als Kurzschlußjoch für den in den gegenüberstehenden Stator gerichteten Magnetpfad, wenn ein solcher gegenüberstehender Stator betätigt wird, und umgekehrt. Falls beispielsweise nur der Stator 22 Wicklungen enthalten würde, müßte ein Mittel für den magnetischen Kurzschluß, ein sogenanntes Kurzschlußjoch, gegenüber und dem Stator zugekehrt angeordnet werden. Torzugsweise kann die Konstruktion dieses Elementes von üblicher Art sein, nämlich ein Weicheisengebilde, vorzugsweise aus Lamellen bestehend, das Schlitze des bei 84 in Fig.2 gezeigten Typs hat und in jeder Hinsicht dem Stator 24 gleicht, ausgenommen, daß keine Wicklungen in ihm vorgesehen sind.

Wie oben ausgeführt, kann der Motor jedoch auch mit gleichen Wicklungen in dem oberen und dem unteren Stator 22, 24 betrieben werden und die Wicklungen 26, 28 solcher Statoren können gleichzeitig erregt werden, wobei jeder Stator eine Rückführung für die von seinem Gegenspieler erzeugten Magnetfelder liefert.

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Motoren gemäß der Erfindung bieten eine höchst kompakte Konstruktion, die rationell und im Gebrauch effizient ist und eine Gesohwindigkeits/Lrehmoment-Charakteristik des Typs liefert, der für einen unmittelbaren Antrieb in hohem Maß günstig ist, und hohes Startdrehmoment und eine in hohem Maß steuerbare Wärmeerzeugung und Geschwindigkeitssteuerung in sich schließt.

Die Erfindung schafft also einen neuen, verbesserten Elektromotor, der eine Reihe von Vorteilen und günstigen Eigenschaften hat, einschließlich der hierin dargelegten und anderen, die der Erfindung eigen sind.

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Claims

Ansprüche

1. Elektromotor, gekennzeichnet durch

wenigstens eine Statoreinheit (20) mit einem Statorkörper (22_S 24), der teilweise von einem inneren Rand und einem äußeren Rand (38, 40) begrenzt ist und wenigstens eine im wesentlichen ebene Oberfläche (30) hat und mit mehreren beabstandeten Schlitzen (84_? 86) versehen ist* die mit der Oberfläche (30) in Verbindung sind und sich zwischen den Rändern in Querrichtung des Statorkörpers erstrecken und die eine offene Form mit parallelen Seiten haben,

und wenigstens zwei Statorwicklungen (26A₉ 26Bj 28A, 28B), die durch gesonderte Erregung unterscheidbar sind und von denen jede Teile hat₀ die in wenigstens zwei Schlitzpaaren liegen^ so daß jeder Pol aus wenigstens zwei getrennten Spulen (zoB* 26a_s 26a⁸) besteht₂ wobei jede Statorwicklung (26A₈ 26b) von einer Stromquelle erregbar ist₅ die gegenüber der Stromquelle für die andere Wicklung phasenverschoben ist j ·

einen Rotor (16), mit dem eine Motorwelle (14) verbunden ist und der eine ringförmige Scheibe (18) aus einem elektrisch leitenden unmagnetischen Material hat_? die zwischen ihrem radial inneren Rand (50) und ihrem radial äußeren Rand (36) zwei im wesentlichen ebene_s in Achsrichtung weisende Oberflächen hat und deren Ränder (36_} 50) weiter nach außen bzw. nach innen reichen als die Ränder des Statorkörpers, dem die Scheibe derart zugeordnet ist₅ daß die ebene Oberfläche (30) des Statorkörpers einer Oberfläche der Scheibe (18) gegenüberliegt und zwischen beiden ein axialer Luftspalt (34) gebildet ist, und einen magnetisch permeablen Teil, der eine Rückführung für die in dem Stator erzeugten Magnetfelder bildet und der von der anderen Oberfläche der Scheibe (18) durch einen zweiten axialen Luftspalt getrennt ist.

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•ir.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorkörper (22, 24) die Form eines ringförmigen Sektors eines Kreisringes hat.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Statorkörper (22, 24) vorgesehen sind und jeder Körper mit seiner Oberfläche (30, 32) in einem axialen Abstand von den Oberflächen der Rotorscheibe (18) angeordnet ist und daß die Wicklungen (26, 28) in beiden Statorkörpern gleichzeitig erregt werden.

4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein Statorkörper vorgesehen ist und jeder Statorkörper einen Oberflächenteil in einem axialen Abstand von den Oberflächen der Rotorscheibe hat und daß die Wicklungen in den Statorkörpern von unterschiedlicher Konfiguration sind und jeder Statorkörper zu einer anderen Zeit erregt wird wie der andere, wodurch der Motor in mehr als einem Rotationsmodus betreibbar ist.

5. Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (96) zum Umkehren der elektrischen Anschlüsse zu den Wicklungen vorgesehen ist, durch die der Motor als Umkehrmotor betrieben werden kann.

6. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rotorscheibe (18) mehrere im wesentlichen radial gerichtete Strompfade dadurch vorgesehen sind, daß in der Scheibe mehrere radial laufende elektrisch isolierende Bereiche angebracht sind, die zwischen sich die radialen Strompfade eingrenzen und die im wesentlichen die gleiche radiale Erstreckung haben wie der der Rotorscheibe zugeordnete Statorkörper.

7« Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisch permeable Rückführungs-

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teil aus einem Körper "besteht, der die gleiche allgemeine form hat wie der Statorkörper, aber nicht mit Wicklungen versehen ist.

8. Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorscheibe (18) aus Aluminium ist.

9. Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorwelle (14) mittels einer drehbaren zentralen Nabe (42) fest mit der Rotorscheibe (18) verbunden ist.

10. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß niederohmige Strompfade vorgesehen sind, die jeweils die Enden der radial gerichteten Strompfaäe verbinden, wobei die verbindenden Strompfade in TJmfangsrichtung der Scheibe (18) laufen und außerhalb des konzentrierten Magnetflußbereiches der Statoren liegen.

11. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwicklungen (26a, 26b) unterschiedliche Reaktanz haben, um in den beiden Drehrichtungen unterschiedliche Kräfte vorzusehen.

12. Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kondensator (90, 94) zum Erzeugen der Phasenverschiebung, wodurch der Motor für die gewöhnlich verfügbare Einphasenstromversorgung brauchbar wird.

13. Motor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität durch Umschalten veränderbar ist, um verschiedene Ausgangsdrehmomente vorzusehen·

14. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung der einzelnen Pole in mehr als einer Spule angeordnet

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ist, um in allen Betriebsbedingungen einen gleichmäßigen Betrieb ohne Schlitzsperren oder Jaulen vorzusehen.

15. Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählte Art der Bewicklung die wirksamste Schlitzkonfiguration für eine hohe Motorleistung erlaubt.

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