DE3323297A1

DE3323297A1 - Induktionsmotor mit geringer traegheit und variabler drehzahl

Info

Publication number: DE3323297A1
Application number: DE19833323297
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Nagoya Aichi Kumatani
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-06-30
Filing date: 1983-06-28
Publication date: 1984-02-16
Also published as: DE3323297C2; US4562367A

Description

Dr.-Ing. Roland Liesegang" , "- 1 .: *:**.**"! *! Patentanwalt

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Induktionsmotor mit geringer Trägheit und variabler Drehzahl

Die Erfindung betrifft einen Induktionsmotor mit geringer Trägheit und variabler Drehzahl. Insbesondere betrifft die Erfindung einen solchen Induktionsmotor, der die Drehenergie in Bezug auf das Drehmoment des Rotors relativ niedrig zu halten ermöglicht.

Allgemein wird von einem Servomotor für numerische Steuerung oder einem in der Drehzahl veränderbaren Antriebsmotor für industrielle Nähmaschinen ein steiler Drehzahlanstieg oder -abfall gefordert.

Derzeit gilt für derartige Anwendungen als besonders geeignet ein Gleichstrom-Elektromotor, der mittels einer Thyristor-Leonard-Leistungssteuerung ausgerüstet ist.

Grund hierfür ist, daß der Gleichstrommotor exzellent regelbar ist, daß er ein hohes Anlaufmoment hat, daß er ein ausgezeichnetes Drehzahlverhalten aufweist, und anderes mehr. Jedoch erfordert ein Gleichstrommotor einen Permanentmagneten, einen Kommutator, einen Bürstenhalter u. dgl.. Ferner kann unter dem Gesichtspunkt seines Gleichrichtverhaltens die Drehzahl nicht auf einen sehr hohen Wert gebracht werden,

und es bestehen Grenzen hinsichtlich der Verringerung von Größe und Gewicht und ferner Wartungsaufwand im Hinblick auf Verschleiß der Kommutator-Bürste.

Im Gegensatz dazu kann ein Induktionsmotor wartungsfrei betrieben werden und den Gleichstrommotor für die oben beschriebene Anwendung vollständig dann ersetzen, wenn eine billige, umsteuerbare elektrische Energiequelle verfügbar ist.

Eine Problemquelle beim konventionellen Induktionsmotor ergab sich jedoch daraus, daß die Drehenergie oder -trägheit'.. bezogen auf das Drehmoment des Treibkörpers des Motors stets hoch war, weil ein das drehende magnetische Feld im Zusammenwirken mit dem Stator erzeugende Joch am Rotor angeordnet war und das Gewicht des Treibkörpers einschließlich des Rotors und des Jochs relativ groß war, d. h. der Treibkörper aus großen und schweren Bauteilen bestand.

Aufgrunddessen hatte der konventionelle Induktionsmotor solche Nachteile, daß er nicht für direkte Verwendung bei verschiedenen Maschinen und Anwendungen geeignet war , %. B. bei Nähmaschinen o. dgl., wo die Antriebe hervorragendes Ansprechverhalten,wie steilen Drehzahlanstieg -und -abfall, aufweisen müssen. Wenn ein solcher Induktionsmotor dennoch unvermeidlich angewendet werden mußte, mußte die Last der Maschine oder Vorrichtung, wie einer Nähmaschine, über eine besondere Vorrichtung, wie eine elektromagnetische Kupplung o. dgl. angetrieben werden.

Die Erfindung wurde im Hinblick auf das beschriebene Problem beim konventionellen Induktionsmotor entwickelt. Sie hat zur Aufgabe, einen Induktionsmotor mit geringer

Trägheit und variabler Drehzahl zu schaffen, dessen Drehenergie bzw. Drehträgheit im Bezug auf das Drehmoment des Rotors relativ klein gehalten werden kann, und der ausgezeichnetes Ansprechverhalten,wie einen steilen Leistungs- bzw. Drehzählanstieg und -abfall, hohen Wirkungsgrad und einfachen Aufbau aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Induktionsmotor gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch einen fest an einem Rahmen angeordneten Stator, ein gegenüber dem Stator mit einem kleinen Spalt angeordnetes Joch, das drehbar im Rahmen gelagert ist, und einen becherförmigen Rotor, der auf einer Abtriebswelle befestigt ist und in den Spalt frei drehbar hineinragt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeipielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Halbschnitt einer ersten vorteilhaften Ausführung "-eines Induktionsmotors gemäß der Erfindung und

Fig. 2 einen Halbschnitt durch eine zweite vorteilhafte Ausführung eines Induktionsmotors gemäß der Erfindung.
30

Im folgenden ist die Erfindung, im einzelnen anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben. Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung eines Induktionsmotors mit geringer Trägheit und variabler Drehzahl gemäß der Erfindung.

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Ein Stator 14 mit einer Statorwicklung 12 ist wie bei einem üblichen Induktionsmotor auf der äußeren Umfangsflache eines zentralen Abschnitts 1Oe eines Rahmens für den Elektromotor befestigt. Ein Joch 16 aus einem laminierten Kern ist an einem Jochstützständer 72 befestigt, der mit Lüfterflügeln 71 versehen ist und dem Stator 14 mit einem schmalen Spalt S gegenübersteht. Der Jochstützständer 72 ist drehbar am inneren Umfang der Außenwand des Rahmens 10 über Lager 73,74 gelagert. Bei einer solchen Konstruktion wird ein rotierendes magnetisches Feld im Spalt S zwischen dem Stator 14 und dem Joch 16 bei Stromfluß durch die Statorwicklung 12 gebildet.

Eine Abtriebswelle 26 ist axial frei drehbar in Lagern 22,24 unterstützt, die in einem am Rahmen 10 angebrachten Flansch 13 aus einem unmagnetischen Material und in einer~Bohrung 10a im zentralen Abschnitt 10e des Rahmens 10 sitzen. Ein becherförmiger Rotor 30 ist mit Schrauben (nicht gezeigt) an einer Rotorstütze 28 befestigt, die so auf der Abtriebswelle 26 montiert ist, daß der Rotor in den Spalt S hineinragt. Der becherförmige Rotor 30 ist aus einer Kreisscheibe aus einem unmagnetischen und gut elektrisch leitenden Werksioff wie Aluminium, Kupfer, einer Silber-Kupfer-Legierung oder dgl. hergestellt. Durch das von Stator 14 und Joch 16 erzeugte rotierende magnetische Feld wird ein Wirbelstrom im becherförmigen Rotor 30 und damit ein Antriebsmoment durch das Zusammenwirken des rotierenden magnetischen Feldes und des Wirbelstroms erzeugt. Da in diesem Fall das Joch 16 seine Drehkraft mit dem oben erwähnten rotierenden magnetischen Feld erzeugt und zusammen mit dem Jochstützständer 72 rotiert, können die Eisenverluste im Vergleich zur Verwendung eines feststehenden Joches wesentlich verringert werden.

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Durch Drehen der Lüfterflügel 71 am Jochstützständer 72 wird

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Kühlluft in das Innere des Elektromotors über ein Saugloch 36 eingesaugt, welches in der linken Stirnwand des Rahmens 10 ausgebildet ist. Diese Kühlluft durchströmt einen am Rahmen 10 ausgebildeten Bereich 39 und wird über eine Auslaßöffnung 37 im Flansch 18 wieder abgeführt. Ferner sind zum Kühlen des Motorinneren an der Rotorstütze 28 eine Anzahl Kühlflügel 32 in ümfangsrichtung nacheinander angeordnet. Radial innerhalb der Kühlflügel 32 ist ein Loch 28a zur Bildung eines Luftkanals für die Kühlluft vorgesehen. Durch Drehen der Kühlflügel 32 bei entsprechender Drehung der Rotorstütze 28 wird Kühlluft über das Saugloch 34 im Flansch 18 in das Motorinnere gesaugt und anschließend über die Auslaßöffnung wieder abgegeben. Die Kühlluft wird durch Drehung der Kühlflügel 32 ebenfalls über das Saugloch 36 im Rahmen 10 gesaugt. Diese Kühlluft passiert einen zu kühlenden Bereich 10b am äußeren Umfang des zentralen Abschnitts 10e des Rahmens 10 und anschließend das Loch 28a in der Rotorstütze 28 und wird über die Auslaßöffnung 37 wieder nach aussen gefördert.

An der Rotorstütze 28 ist auch eine Wärmeabfuhrscheibe oder - platte 38 befestigt/ und im becherförmigen Rotor 30 erzeugte Wärme wird über die Wärmeabführscheibe 38 abgegeben. Die Rotorstütze 28 besteht aus einem Material wie Aluminium,mit guter Wärmeleitung/ so daß im Rotor 30 erzeugte Wärme schnell abgeführt werden kann, und ferner mit gutem elektrischen Leitvermögen, so daB sie ein großes Moment bei kleinem Schlupf als Endring des Rotors 30 erzeugen kann. Zusätzlich ist an einem auskragenden, in der Figur, linken Ende der Abtriebswelle 26 ein Kühlventilator^ 56 größerer Abmessungen befestigt, um eine verbesserte Kühlung des Innenraums des Elektromotors zu bewirken. Der Kühlventilator 56 führt über eine Saugöffnurig 64 in einer Kühlventilator-Abdeckung 58 Kühlluft

zum Saugloch 36 im Rahmen 10 und zu dem zu kühlenden Bereich 39 und drückt die Kühlluft über die Auslaßöffnung 37 im Flansch 18 wieder nach außen. Ferner ist auf der Abtriebswelle 26 eine elektromagnetische Bremse 42 angeordnet, um die Drehbewegung des Treibkörpers 40 einschließlich der Rotorstütze 28 und des becherförmigen Rotors 30 zu steuern. Der Aufbau der elektromagnetischen Bremse 42 ist im folgenden beschrieben.

Eisenkernteile 44, 46 der elektromagnetischen Bremse 42 werden vom Flansch 18 aus unmagnetischeni Material getragen. Im Eisenkernteil 44 ist eine Bremswicklung 48 aufgenommen gehalten,.um einen magnetischen Fluß in den Ei'senkernteilen 44, 46 zu erzeugen. Auf der Abtriebswel-Ie 26 ist eine Bremsscheibe.50 axial frei verschieblich angeordnet. Diese Bremsscheibe 50 wird in der Fig. gesehen nach links ständig durch eine Feder (nicht gezeigt) vom Eisenkernteil 46 weg gedrückt. Auf der Oberfläche der Bremsscheibe 50, die dem Eisenkernteil 46 gegenüberliegt, ist ein Bremskissen 52 befestigt. Durch die zwischen dem Bremskissen 52 und dem Eisenkernteil 46" übertragene Reibkraft läßt sich die Abtriebswelle schnell stoppen. In der Bremsscheibe 50 ist ein Lüftungsloch 54 ausgebildet,, welches zum Fördern der über das erwähnte Saugloch 34 geförderten Luft in das Innere des" Elektromotrs dient.

Im folgenden ist die Funktion des Induktionsmotors nach der oben beschriebenen.ersten Ausführung erläutert.

Wird die Statorwicklung 12 unter Strom gesetzt, so wird ein rotierendes magnetisches Feld.im Spalt S durch Zusammenwirken zwischen dem Stator 14 und dem Joch 16 erzeugt. Dieses rotierende magnetische Feld erzeugt ein Drehmoment im Joch aufgrund des Wirbelstroms.Da das Joch und der Jochstützständer 72 frei drehbar an der inneren

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Umfangsfläche der Außenwand des Rahmens 10 über die Lager 73, 74 gelagert ist, rotiert das Joch 16 zusammen mit dem Jochst tzständer 72. Das erwähnte rotierende magnetische Feld erzeugt den Wirbelstrom in dem becherform!- gen Rotor 30. Durch Kopplung dieses Wirbelstroms mit dem magnetischen Fluß wird ein Drehmoment in dem becherförmigen Rotor 30 erzeugt, und dieses Drehmoment kann als Abtriebsmoment von der Abtriebswelle 26 abgenommen werden , welche den axialen Kern des becherförmigen Rotors 3G> bildet. Da der Treibkörper 40 des Elektromotors eine niedrige Trägheit aufgrund der Verwendung von Bauteilen geringer Abmessungen und geringen Gewichts in Form der auf der Welle 26 befestigten Ro- ■ torstütze 28 und des an der Rotorstütze 28 befestigten becherförmigen Rotors 30 aufweist, hat der Motor exzellentes Ansprechverhalten, was sich in einem steilen Drehzahlanstieg und -abfall bzw. Nachlaufverhalten bei entsprechender Steuervorgabo ausweis;! . Während (Um konvtsnt iorm I 11» Imlukt loiirimol or no iiiilcjdlmul war, daß der Treibkörper aus dem Rotor und dem damit einteiligen Joch bestand, ist der Induktionsmotor nach der Erfindung so aufgebaut, daß der becherförmige Rotor 30 unabhängig vom Joch 16 ist, um den Treibkörper zusammen mit Bauteilen geringer Größe und geringen Gewichts einschließlich des Rotors 30 und der Rotorstütze 28 unab-'hängig vom Joch 16 zu machen. Da sich der becherförmige Rotor 30 in axialer Richtung erstreckt, baut der Motor mit kleinem Durchmesser, wobei gleichzeitig eine große Oberfläche zum Erzeugen des Wirbelstromes bereitgestellt ist. Da ferner das Joch 16 zusammen mit dem Jochstützständer.72 rotiert, können die Eisenverluste bemerkenswert im Vergleich zu einer Bauart mit feststehendem Joch verringert werden, so daß insgesamt ein Induktionsmotor hohen Wirkungsgrades erhalten wird.

Ein wie vorstehend beschriebener Induktionsmotor ist besonders als Servomotor für numerische Steuerungen ge-

eignet, bei denen ein .steiler Leistungs- bzw. Drehzahlanstieg und -abfall gefordert ist oder als Antriebsmotor mit veränderbarer Drehzahl für industrielle Nähmaschinen. Der Motor ist dazu fähig, leicht und wirkungsvoll abrupt zu starten und zu stoppen.

Auch läßt sich der Treibkörper 40 durch Einstellen der durch die Statorwicklung 12 und durch die Bremswicklung 48 fließenden Ströme bremsen. Wenn z.B. die Last einer Nähmaschine, die mit der Abtriebswelle 26 gekuppelt ist, abrupt gestoppt werden soll, wird der durch die Statorwicklung 12 fließende Strom unterbrochen und gleichzeitig ein Strom durch die Bremswicklung 48 der elektromagnetischen Bremse 42 geschickt, wodurch die elektromagnetische Bremse 42 betätigt wird. Mit anderen Worten wird durch den Stromfluß in der Brems wicklung 48 ein magnetischer Fluß erzeugt, der die Eisenkerne 44, 46 und die Bremsscheibe 50 durchsetzt und so die Bremsscheibe 50 an das Eisenkern teil 46 anzieht. Als Ergebnis wird die Drehung der Abtriebswelle 26 schnell durch die zwischen dem Bremskissen 52 und dem Eisenkernteil 46 erzeugte.Reibung gestoppt.

Wenn man einen elektrischen Strom durch die Bremswicklung 48 wie oben beschrieben fließen läßt, wird ein.magnetischer Fluß in den Eisenkernteilen 44, 46 und der Bremsscheibe erzeugt. Da der Flansch 18 zum unterstützen, der Eisenkernteile 44, 46 aus unmagnetischem Werkstoff gefertigt ist, besteht keine Möglichkeit zur Erzeugung eines magnetischen Leckflusses vom Eisenkernteil 46 über die Bremsscheibe 50, den Flansch und das Lager 22 „ Demgemäß kann kein magnetischer Leckfluß das drehende Lager 22 passieren, so daß das Lager 22 vor einem Schaden aufgrund von darin durch Wirbelströme erzeugter Wärme geschützt ist.

Anschließend erzeugt der Motor selbst Wärme aufgrund seines Arbeitens. Kühlluft wird von außerhalb des Motors über die Sauglöcher 64, 34 und 36 durch Drehen der Kühlflügel 32 an der Rotorstütze 28, der Lüfterflügel 71 an dem Jochstützständer 72 und des fest auf der Abtriebswelle 26 sitzenden Kühlventilators 56 in den Motorinnenraum gefördert und über die Auslaßöffnung 37 anschließend abgeführt, wodurch ein Temperaturanstieg im Innenraüm des elektrischen Motors wirksam verhindert wird.

Da ferner die Wärmeabfuhr scheibe 38 fest mit dem becherförmigen Rotor 30 verbunden ist, kann die in dem Rotor erzeugte Wärme auf die durch die Kühlluft gekühlte Wärmeabführscheibe 38 abgeleitet werden, so daß der becherförmige Rotor 30 und die ihn tragende Rotorstütze 28 ausreichend gekühlt werden können.

Wenngleich bei der beschriebenen Ausführung das Joch aus laminierten Eisenplatten gebildet ist, welche von dem Jochstützständer 72 getrennt angeordnet sind, können natürlich leicht das Joch und der Jochstützständer einteilig aus magnetischem Werkstoff mit - hoher Magnetisierbarkeit ausgebildet werden. 25

Ferner kann für den Fall, daß ein magnetischer Leckfluß über die Lager 73,74 für den Jochstützständer auftritt, der Jochstützständer 72 aus einem unmagnetischem Material hergestellt sein, um die Lager 73,74 vor Beschädigungen aufgrund der durch Wirbelströme erzeugten Wärme zu schützen.

Fig. 2 zeigt eine zweite vorteilhafte Ausführungsform eines Induktionsmotors gemäß der Erfindung. Bei dieser Ausführung ist im Gegensatz zur ersten

Ausführung der Stator 14 fest an der inneren Umfangsflache der Außenwand des Rahmens 10 angeordnet und das aus laminierten Eisenplatten bestehende Joch ist über die Lager 73,74 auf der äußeren ümfangsflache des zentralen Abschnitts 10e des Rahmens 10 drehbar gelagert.

Bezugszahl 59 bezeichnet ein Luftloch im mittleren Abschnitt des Kühlventilators 56 gegenüber der Saugöffnung 64 im mittleren Bereich der Kühlventilator-Abdeckung 58, welche eine Stirnendseite des Rahmens abdeckt. Bezugszahl 60 bezeichnet ein Saugloch benachbart dem zentralen Abschnitt des Rahmens 10 gegenüber dem Luftloch 59. Im übrigen entsprechen die Bauteile der anhand der Fig. 1 beschriebenen ersten Ausführung, so daß sie mit gleichen Bezugszahlen versehen und nicht nochmals beschrieben sind.

Im folgenden sei die Funktion des Induktionsmotors gemäß der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführung erläutert.

Wird die Statorwicklung 12 unter Strom gesetzt, so - wird ein rotierendes magnetisches Feld im Spalt S durch das Zusammenwirken von Stator 14 und Joch 16 erzeugt. Da das rotierende magnetische Feld ein Drehmoment im Joch aufgrund des Wirbelstromes erzeugt, wird das frei drehbar auf dem zentralen Abschnitt des Rahmens 10 mittels der Lager 73,74 gelagerte Joch zusammen mit dem Jochstützständer 72 in Drehung versetzt. Das rotierende magnetische Feld erzeugt einen Wirbelstrom im becherförmigen Rotor 30. Durch Koppelung dieses Wirbelstromes mit dem magnetischen Fluß wird ein Drehmoment im becherförmigen Rotor 30 erzeugt, so daß dieses Drehmoment als mechanisches Ab-

triebsdrehmoment an der Abtriebswelle 26 abgenommen wenden kann, welche den axialen Kern für den becherförmigen Rotor 30 bildet. Da der Treibkörper 40 des Elektromotors niedrige Trägheit wegen kleiner Abmessungen und kleinen Gewichts seiner Bestandteile in Form der auf der Abtriebswelle 26 sitzenden Rotorstütze 28 und des an der Rotorstütze 28 befestigten becherförmigen Rotors 30 besitzt, hat der Motor exzellentes Ansprechverhalten, d. h. einen steilen Leistungs- bzw. Drehzahlanstieg beim Start und -abfall,bzw..-nachlauf wie bei der ersten Ausführung.

Wie vorstehend beschrieben, ist der Treibkörper 40 des Induktionsmotors gemäß der Erfindung mit Bauteilen kleiner Abmessungen und kleinen Gewichts, nämlich dem unabhängig von dem Joch 16 gestalteten becherförmigen Rotor 30 mit Rotorstütze 28 ausgebildet, wobei der becherförmige Rotor sich in axialer Richtung erstreckt, so daß eine große Oberfläche· zum Erzeugen eines Wirbelstromes zur Verfügung steht und die Drehenergie bzw. -trägheit bezogen auf das Drehmoment des Motors relativ niedrig gehalten ist. Da das Joch 16 drehbar gelagert ist, können die Eisen-Verluste im Vergleich zu einer Bauart mit feststehendem Joch wesentlich selbst dann verringert werden, wenn der Motor bei hoher Frequenz aufgrund der Verwendung einer Umschalt- oder Umpolvorrichtung betrieben wird, wodurch ein Induktionsmotor geringer Trägheit und variabler Drehzahl mit hohem Wirkungsgrad und ausgezeichnetem Ansprechverhalten wie Drehzahlanstieg und -abfall oder -nachlauf erhalten ist.

Leerseite

Claims

PatentanSprüche

Induktionsmotor mit geringer Trägheit und variabler Drehzahl, geken -n zeichnet durch einen fest an einem Rahmen (10) angeordneten Stator"(14), ein gegenüber dem Stator mit einem Spalt (S) angeordnetes Joch (16), das drehbar im Rahmen gelagert ist,_und einen becherförmigen Rotor (30), der auf einer Abtriebswelle (26) befestigt ist und in den Spalt (S) frei drehbar hineinragt.
2. Induktionsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle (26) an einem zentralen Abschnitt (10e) des Rahmens (10) drehbar gelagert ist.
3. Induktionsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle (26) mit einer elektromagnetischen Bremse (42) zum Steuern der Drehzahl der Abtriebswelle versehen

ist.
4. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (14) fest auf dem äußeren Umfang des zentralen Abschnitts (1Oe) des Rahmens (10) innerhalb desselben angeordnet ist und daß das Joch (16) dem Stator gegenüber mit dem Spalt (S) dazwischen drehbar an. der Innenseite eines äußeren Umfangsabschnittes (bei 39) des Rahmens gelagert ist (Fig. 1).
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5. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der

' Stator (14) innen an einem äußeren Umfangsabschnitt (bei 39) des Rahmens (10) befestigt ist und daß das Joch gegenüber dem Stator mit dem Spalt (S) dazwischen frei drehbar auf dem äußeren Umfang des zentralen Abschnitts (1Oe) des Rahmens gelagert ist (Fig. 2) . · -"
6. Induktionsmotor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (16) aus laminierten Eisenblechen mindestens auf der dem Stator (14) gegenüberliegenden Seite bzw. Oberfläche gebildet ist.
7. Induktionsmotor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (16) mindestens auf einer Seite mit Lüfterflügeln (71) versehen ist.