DE2948722A1

DE2948722A1 - Pole arrangement for improving synchronous motor starting - has screened and unscreened groups of poles each with own reference flux pole

Info

Publication number: DE2948722A1
Application number: DE19792948722
Authority: DE
Inventors: Robert Francis Weaver
Original assignee: Emhart Industries Inc
Current assignee: Emhart Industries Inc
Priority date: 1978-12-04
Filing date: 1979-12-04
Publication date: 1980-07-10
Also published as: JPS5579666A

Abstract

The pole arrangement uses screens to produce a group of screened poles (TS, BS) and a group of unscreened poles (TU, BU) for a given number of stator poles. A reference pole(60, 62) is selected from each group. The flux phase difference between the reference pole and the individual poles in its group is determined and converted into a mechanical angle. The poles are arranged w.r.t. one another in accordance with this mechanical angle. The flux phase difference is determined by comparing with a shared flux source. The shared flux source is a core belonging to the field winding. The flux difference is converted into a mechanical angle using the formula E=2 dn/N where E is the correction angle, dn is the phase difference in electrical angle and N is the total no. of poles(rotor and stator).

Description

Verfahren zur Realisierung guter Starteigenschaf-Procedure for realizing good start-up properties

ten in einem Synchronmotor sowie selbstanlaufender Synchronmotor Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Realisierung guter Starteigenschaften in einem Synchronmotor mit ineinandergeschachtelten Statorpolen und einem Permanentmagnet-Rotor, dessen Rotorpole mit den ineinandergeschachtelten Statorpolen rotieren, und mit einer Feldwicklung, welche einen die Rotation des Rotors bewirkenden Fluß erzeugt und welche Seite an Seite benachbart zu den ineinandergeschachtelten Statorpolen angeordnet ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen selbstanlaufenden Synchronmotor.in a synchronous motor as well as a self-starting synchronous motor description The present invention relates to a method for realizing good starting properties in a synchronous motor with nested stator poles and a permanent magnet rotor, whose rotor poles rotate with the nested stator poles, and with a field winding which generates a flux causing the rotor to rotate and which side by side adjacent to the nested stator poles is arranged. The present invention also relates to a self-starting one Synchronous motor.

Für Synchronmotoren mit einem Permanentmagnet-Rotor ist eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten gegeben. Viele dieser Anwendungsmöglichkeiten liegen in Zeitgebergeräten, wie beispielsweise Uhren und in Geräten, wie beispielsweise Waschmaschinen und Trockner, in denen Zeitsequenzschalter zur Anwendung kommen. Der Raumbedarf in diesen Geräten macht es oft sehr schwierig, einen adequaten Raum für den Synchronmotor bereitzustellen. In manchen Anwendungsfällen ist es beispielsweise durch den Raumbedarf vorgegeben, daß die Feldwicklung, welche den Motor erregt, Seite an Seite benachbart zur Rotor- und Statoranordnung vorgesehen werden muß. Eine derartige räumliche Zuordnung führt zu einem Motor, welcher flacher als ein Synchronmotor ist, bei dem die Feldwicklung und die Rotor- und Statoranordnung axial zueinander ausgerichtet angeordnet sind.For synchronous motors with a permanent magnet rotor there is a large number of possible applications. Many of these uses are in timing devices such as clocks and in devices such as Washing machines and dryers in which time sequence switches are used. The space required in these devices often makes it very difficult to find adequate space to be provided for the synchronous motor. For example, in some use cases it is predetermined by the space requirement that the field winding which excites the motor, Must be provided side by side adjacent to the rotor and stator assembly. Such a spatial assignment leads to an engine that is flatter than a Is a synchronous motor in which the field winding and the rotor and stator assembly are axial are arranged aligned to each other.

Es hat sich gezeigt, daß bei einer Zuordnung der Feldwicklung sowie der Rotor- und Statoranordnung Seite an Seite Flußphasendifferenzen zu schlechten Anlaufeigenschaften des Motors führen.It has been shown that with an assignment of the field winding as well of the rotor and stator assembly side by side lead to poor flux phase differences Lead start-up properties of the motor.

Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, bei einem Synchronmotor, bei dem die Feldwicklung Seite an Seite benachbart zu der Rotor- und Statorpolanordnung angeordnet ist, die Anlaufeigenschaften zu verbessern. Insbesondere sollen dabei die Anlaufeigenschaften durch die Statorpolanordnung verbessert werden.The present invention is based on the object at a Synchronous motor in which the field winding is side by side adjacent to the rotor and stator pole arrangement is arranged to improve the starting properties. In particular should the starting properties due to the stator pole arrangement be improved.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für eine vorgegebene Anzahl von Statorpolen zur Bildung einer Gruppe von geschirmten Polen und einer Gruppe von ungeschirmten Polen eine Abschirmvorrichtung verwendet wird, daß aus jeder Gruppe ein Referenzpol ausgewählt wird, daß die Flußphasendifferenz zwischen dem Referenzpol und einzelnen Polen einer Gruppe bestimmt wird, und daß die Phasendifferenz in einen mechanischen Winkel überführt wird und die einzelnen Pole gemäß dem mechanischen Winkel zueinander angeordnet werden.This task is performed in a method of the type mentioned at the beginning according to the invention achieved in that for a predetermined number of stator poles to form a group of shielded poles and a group of unshielded poles Poles a shielding device is used that from each group a reference pole is selected that the flux phase difference between the reference pole and individual Poles of a group is determined, and that the phase difference in a mechanical Angle is transferred and the individual poles according to the mechanical angle to each other to be ordered.

Bei einem selbstanlaufenden Synchronmotor, bei dem ein Permanentmagnet-Rotor mit Rotorpolen in einer Anordnung von ineinandergeschachtelten Polen als Funktion eines Flusses rotiert, der durch eine Seite an Seite benachbart zu der Anordnung von ineinandergeschachtelten Polen angeordnete Feldwicklung erzeugt wird, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß eine Abschirmvorrichtung zur Bildung einer Gruppe von geschirmten Statorpolen und einer Gruppe von ungeschirmten Statorpolen mit einer vorgegebenen Anzahl von Statorpolen elektrisch gekoppelt ist, und daß einzelne Pole jeder Gruppe gegen einen Referenzpol um einen mechanischen Winkel, der durch eine FluBphasendifferenz zwischen dem Referenzpol und einzelnen Polen jeder Gruppe festgelegt ist, versetzt sind.With a self-starting synchronous motor with a permanent magnet rotor with rotor poles in an arrangement of nested poles as a function of a flux rotating through a side by side adjacent to the array generated by nested poles arranged field winding is in Further development of the invention provided that a shielding device for the formation a group of shielded stator poles and a group of unshielded stator poles is electrically coupled to a predetermined number of stator poles, and that individual poles of each group against a reference pole by a mechanical angle, due to a flow phase difference between the reference pole and individual poles each group is staggered.

Bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Motor dient die Gruppen von Polen zugeordnete Abschirmvorrichtung weiterhin dazu, den Rotor in einer vorgegebenen Laufrichtung anlaufen zu lassen.In a motor designed according to the invention, the groups of Poles assigned shielding device continue to the rotor in a predetermined To start running direction.

Die Statorpole sind bei einem solchen Motor einzeln in der ungeschirmten Gruppe oder der geschirmten Gruppe angeordnet, um gute Anlaufeigenschaften zu realisieren. Die Pole in der geschirmten Gruppe oder der unseschirmten Gruppe sind als Funktion der Flußphasendifferenzen der einzelnen Pole einer Gruppe angeordnet.In such a motor, the stator poles are individually in the unshielded Group or the shielded group in order to achieve good start-up properties. The poles in the shielded Group or the unshielded group are arranged as a function of the flux phase differences of the individual poles of a group.

Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.Further refinements of the concept of the invention are contained in the subclaims marked.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained below with reference to in the figures of the drawing illustrated embodiments explained in more detail.

Es zeigt: Fig. 1 eine Aufriß-Schnittdarstellung eines Synchronmotors; Fig. 2 eine Ansicht in der Ebene 2-2 in Fig. 1; Fig. 3 eine Ansicht in der Ebene 3-3 in Fig. 1; und Fig. 4 eine schematische Darstellung der Statorpolanordnung des Synchronmotors.It shows: FIG. 1 an elevation sectional view of a synchronous motor; Fig. 2 is a view on the plane 2-2 in Fig. 1; 3 is a plan view 3-3 in Figure 1; and FIG. 4 is a schematic representation of the stator pole arrangement of FIG Synchronous motor.

Gemäß den Figuren der Zeichnung besitzt ein erfindungsgemäßer Synchronmotor 10 eine Feldwicklungsanordnung 12, eine Feldplatte 14, eine Feldpaltte 16, einen Statorpolkäfig 18, einen Statorpolkäfig 20 sowie einen Permanentmagnet-Rotor 22. Der Polkäfig 18 besitzt eine Vielzahl von Statorpolen 24, welche zwischen Statorpole 26 des Polkäfigs 20 eingeschachtelt sind.According to the figures of the drawing, a synchronous motor according to the invention has 10 a field winding arrangement 12, a field plate 14, a field column 16, a Stator pole cage 18, a stator pole cage 20 and a permanent magnet rotor 22. The pole cage 18 has a plurality of stator poles 24 which are between stator poles 26 of the pole cage 20 are nested.

Als Material für die Feldplatten und die Polkäfige kann gewöhnlicher kaltgewalzter Stahl verwendet werden, welcher vorzugsweise geglüht ist. Ein Ring 17 unterstützt die Ausrichtung der Polkäfige zueinander.The material for the field plates and the pole cages can be more ordinary cold rolled steel can be used, which is preferably annealed. A ring 17 supports the alignment of the pole cages to one another.

Der Permanentmagnet-Rotor 22 besitzt eine Nabe 28, welche um eine Achse 30 rotiert sowie einen Armträger 32, welcher einen Permanentmagneten 34 trägt. Als Material für den Permanentmagneten eignet sich beispielsweise ein Material auf Bariumferrit-Basis, wobei der Außenumfang zur Bildung von Rotorpolen mit abwechselnder Nord- und Süd-Polarität in getrennte Polsegmente 36 magnetisiert ist. Wie dargestellt, ist an der Nabe 28 ein Ritzel 38 vorgesehen, das als Ausgangselement des Motors dient.The permanent magnet rotor 22 has a hub 28 which is around a Axis 30 rotates and an arm support 32, which carries a permanent magnet 34. As a material for the permanent magnet is suitable for example a barium ferrite based material with the outer periphery used to form rotor poles magnetized with alternating north and south polarity in separate pole segments 36 is. As shown, a pinion 38 is provided on the hub 28 as the output element of the engine.

Die Feldwicklungsanordnung 12 besitzt einen Kern 42 sowie eine Feldwicklung 44, welche zusammen mit den Feldplatten 14 und 16 von einem Spulenkörper 46 getragen wird. Die Wicklung 44 wird durch einen geeigneten Draht, wie beispielsweise AWG-Kupferdraht gebildet. Ein einen Teil des Spulenkörpers bildender Anschlußblock 48 trägt elektrische Anschlüsse 50, welche zur Zuführung von Wechselstrom zur Wicklung dienen.The field winding arrangement 12 has a core 42 and a field winding 44, which together with the field plates 14 and 16 are carried by a coil former 46 will. The winding 44 is made by a suitable wire, such as AWG copper wire educated. A terminal block 48 forming part of the bobbin carries electrical connections Connections 50, which are used to supply alternating current to the winding.

Wird ein Wechselstrom in die Wicklung 44 eingespeist, so wird ein Fluß erzeugt, der über die Feldplatten 14 und 16 vom Kern 42 zu den Statorpolkäfigen 18 und 20 verläuft. Zwischen den Rotorpolen und den Statorpolen wird dann ein magnetischer Fluß erzeugt, welcher den Rotor in einer vorgegebenen Richtung in Drehung versetzt. Die Richtung, in welcher der Rotor anläuft, wird bei dem hier in Rede stehenden Motor durch Abschirmvorrichtungen 52 und 54 bestimmt. Gemäß den Fig. 2 und 3 werden die Abschirmvorrichtungen 52 und 54 durch Abschirmplatten 52' und 54' gebildet, welche zur Bildung von Gruppen geschirmter und ungeschirmter Pole einer vorgegebenen Anzahl von Polen zugeordnet sind. Werden die Pole gemäß Fig. 2 als obere Pole bezeichnet, so sind geschirmte Pole TS1-TS4 und ungeschirmte Pole TU1 -TU4 vorhanden. Gemäß Fig. 3 sind geschirmte untere Pole die Pole BS1-BS4 und ungeschirmte untere Pole die Pole BU1-BU4. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Pole so geschirmt, daß sich eine Rotation des Rotors im Uhrzeigersinn ergibt.If an alternating current is fed into the winding 44, a Flux generated via the field plates 14 and 16 from the core 42 to the stator pole cages 18 and 20 runs. A magnetic one then becomes between the rotor poles and the stator poles Flux is generated which sets the rotor in rotation in a predetermined direction. The direction in which the rotor starts running is the one in question here Motor determined by shielding devices 52 and 54. According to FIGS. 2 and 3 are the shielding devices 52 and 54 formed by shielding plates 52 'and 54', which for the formation of groups of shielded and unshielded poles of a given Number of poles are assigned. If the poles according to FIG. 2 are referred to as upper poles, shielded poles TS1-TS4 and unshielded poles TU1 -TU4 are available. According to 3, the shielded lower poles are poles BS1-BS4 and unshielded lower poles the poles BU1-BU4. In the present embodiment, the poles are shielded so that that there is a clockwise rotation of the rotor.

Für die vorbeschriebene räumliche Anordnung Seite an Seite hat sich gezeigt, daß der Motor selbst mit der Abschirmvorrichtung schwer anläuft und daß er darüber hinaus kein optimales Laufdrehmoment erzeugt. Speziell hat sich gezeigt, daß alle geschirmten Pole und alle ungeschirmten Pole in ihrer Gruppe zueinander nicht in Phase sind. Es kann angenommen werden, daß derartige Phasendifferenzen durch die Länge der Strecke bedingt sind, welche der durch die Wicklung erzeugte Fluß durchlaufen muß, um einen speziellen Pol zu erreichen. Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß eine Polanordnung realisiert wird, in der die Pole in einer Gruppe nicht wie gewöhnlich elektrisch um 1800 voneinander entfernt sind.For the spatial arrangement described above, side by side Has it has been shown that the motor is difficult to start even with the shielding device and that it also does not produce an optimal running torque. Specifically, it has been shown that all shielded poles and all unshielded poles in their group to each other are out of phase. It can be assumed that such phase differences are caused by the length of the path that is generated by the winding River must go through to reach a specific pole. According to the invention this problem is solved in that a pole arrangement is realized in which the Poles in a group not electrically separated by 1800 as usual are.

Speziell wird ein Korrekturfaktor berechnet und auf jeden Pol in einer Gruppe auf einer individuellen Basis bezogen.Specifically, a correction factor is calculated and applied to each pole in one Group related on an individual basis.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß 16 Pole vorhanden sind, wobei 8 Pole in jeweils zwei Gruppen von je 4 geschirmten und ungeschirmten Polen vorhanden sind. Für alle geschirmten Pole wird ein Referenzpol 60 und für alle ungeschirmten Pole ein Referenzpol 62 gewählt. Eine derartige Auswahl ist willkürlich und kann für jeden Pol einer Gruppe getroffen werden. Die Phase des Polflusses wird dann für jeden einzelnen Pol in einer Gruppe dadurch festgelegt, daß die tatsächliche Flußphasendifferenz zwischen dem einzelnen Pol und dem Referenzpol unter Ausnutzung des vom Kern 42 (Fig. 2) ausgehenden Hauptflusses in an sich bekannter Weise gemessen wird. Dieser Phasenwert wird durch Berechnung des Zeitzusammenhangs zwischen den Polflüssen in eine mechanische Korrektur überführt, welche ihrerseits in einen mechanischen Winkel überführt wird. Speziell wird der mechanische Winkel durch folgende Formel berechnet: E = 2En N E = Korrektur gegenüber der elektrischen 1800 Lage in mechanischen Grad N = Anzahl der Rotor- und Statorpole dn Phasendifferenz in elektrischen Grad (gemessen).From Fig. 4 it can be seen that there are 16 poles, with 8 poles are available in two groups of 4 shielded and 4 unshielded poles each. A reference pole is 60 for all shielded poles and 60 for all unshielded poles a reference pole 62 is selected. Such a selection is arbitrary and can be used for hit every pole of a group. The phase of the pole flux is then used for each individual pole in a group is determined by the actual flux phase difference between the single pole and the reference pole using the core 42 (Fig. 2) outgoing main flow is measured in a manner known per se. This The phase value is calculated by calculating the time relationship between the pole fluxes in a mechanical correction, which in turn translates into a mechanical angle is convicted. In particular, the mechanical angle is calculated using the following formula: E = 2En N E = correction compared to the electrical 1800 position in mechanical degrees N = number of rotor and stator poles dn phase difference in electrical Degree (measured).

Dieser Korrekturfaktor wird auf jeden Pol in jeder Gruppe angewendet. Beispielsweise existiert zwischen dem Referenzpol 60 (es4) und dem Pol TS2 eine Phasendifferenz von +3,60 elektrisch.This correction factor is applied to each pole in each group. For example, there is one between the reference pole 60 (es4) and the pole TS2 Phase difference of +3.60 electrical.

Der Pol TS2 wird um 0,45° mechanisch verschoben, wobei die Richtung der Verschiebung der Polarität der Phasendifferenz abhängt.The pole TS2 is mechanically displaced by 0.45 °, with the direction the shift in polarity of the phase difference depends.

Bei Rotation des Rotors im Uhrzeigersinn wird der Pol im Gegenuhrzeigersinn verschoben.When the rotor rotates clockwise, the pole becomes counterclockwise postponed.

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Claims

Learn about patent claims for realizing good starting properties in a synchronous motor with nested stator poles and a permanent magnet rotor, whose rotor poles rotate with the nested stator poles, and with a field winding which generates a flux causing the rotor to rotate and which side by side adjacent to the nested stator poles is arranged, characterized in that for a predetermined number of stator poles to form a group of shielded poles (TS1-TS4, BS1-BS4) and a group of unshielded poles (TU1-TU4, BU1-BU4) a shielding device (52, 54) is used is that from each group (TS1-TS41 BS1-BS; TU1-TU4, BU1-BU4) a reference pole (60; 62) is selected that the flux phase difference between the reference pole (60; 62) and individual poles of a group (TS1-TS41 BS1-BS4; TU1-TU41 BU1-BU4) and that the phase difference is converted into a mechanical angle and the individual poles are arranged according to the mechanical angle to one another.

2. The method according to claim 1, characterized in that the flow phase difference is determined by comparing the difference against a common flux source (42).

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that as common flux source a core (42) of the field winding (44) is used.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that that the phase difference is converted into the mechanical angle according to the following formula will: 2 An E = N where E is the correction with respect to the electrical 1800 position in mechanical degrees, sn is the phase difference in electrical degrees (measured), and N is the number of combined rotor and stator poles.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that that the shielded and unshielded groups of stator poles (TS1-TS4, BS1-BS4; TU1-TU4, BU1-BU4) on the basis of a middle, through the shielding device (52, 54) generated phase shift are angularly shifted from one another.

6. Self-starting synchronous motor with a permanent magnet rotor with rotor poles in an arrangement of nested poles as a function of a flux rotating through a side by side adjacent to the array field winding arranged by nested poles is generated thereby characterized in that a shielding device (52, 54) for forming a group of shielded stator poles (TS1-TS4, BS1-BS4). and a group of unshielded stator poles (TU1-TU4, BU1-BU4) electrically coupled to a predetermined number of stator poles is, and that individual poles of each group (TS1-TS4, BS1-BS4; TU1-TU4, BU1-BU4) against a reference pole (60; 62) by a mechanical angle determined by a flux phase difference between the reference pole (60; 62) and individual poles of each group (TS1-TS4, BS1-BS4; TU1-TU41 BU1-BU4) are staggered.

7. Synchronous motor according to claim 6, characterized in that the mechanical angle is determined by the following formula: E = n N where E is the correction against the electrical 1800 position in mechanical degrees, n the phase difference in electrical Degrees (measured), and N is the number of combined rotor and stator poles.