DE3323297C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Induktionsmotor mit den Merkma­ len des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Induktionsmotor dieser Art (FR-PS 8 52 367) ist das Joch fest mit dem Stator verbunden. Dies führt zu Eisenverlusten im becherförmigen Rotor.

Ein anderer bekannter Induktionsmotor (US-PS 37 49 949) weist außer einem mit der Abtriebswelle gekuppelten Hauptro­ tor einen gegenüber der Abtriebswelle frei drehbaren Venti­ latorrotor mit Lüfterflügeln auf. Am Hauptrotor ist ein becherförmiges Teil befestigt, das in einen Spalt zwischen dem Stator und dem Ventilatorrotor ragt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Induktions­ motor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art und geringer Drehträgheit, d. h. hoher Ansprechempfindlichkeit sowie einfachen Aufbaus, geeignet für Drehzahlregelung, zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Induktionsmotor der eingangs beschriebenen Art die Merkmale des Kennzei­ chens des Anspruchs 1 vorgesehen.

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

Ein Induktionsmotor nach der Erfindung eignet sich beson­ ders als Antrieb für numerische Steuerungen oder als dreh­ zahlregelbarer Antrieb für industrielle Nähmaschinen, weil er den bei diesen Anwendungen geforderten steilen Drehzahl­ anstieg oder -abfall bietet.

Im Gegensatz zu konventionell eingesetzten regelbaren Gleichstrommotoren läßt sich der Induktionsmotor nach der Erfindung wartungsfrei betreiben.

Im Gegensatz zu üblichen Induktionsmotoren ist bei dem Induktionsmotor nach der Erfindung die Drehträgheit bezogen auf das Drehmoment des Treibkörpers des Motors niedrig, weil das das drehende magnetische Feld im Zusammenwirken mit dem Stator erzeugende Joch vom Rotor getrennt angeordnet ist. Dies ermöglicht eine Gewichtsreduktion des Rotors und damit eine Verminderung der Drehträgheit.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Ein­ zelheiten näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Halbschnitt einer ersten vorteilhaften Aus­ führung eines Induktionsmotors gemäß der Erfindung und

Fig. 2 einen Halbschnitt durch eine zweite vorteilhafte Ausführung eines Induktionsmotors gemäß der Er­ findung.

Im folgenden ist die Erfindung im einzelnen anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele be­ schrieben. Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung eines In­ duktionsmotors mit geringer Trägheit und variabler Dreh­ zahl gemäß der Erfindung.

Ein Stator 14 mit einer Statorwicklung 12 ist wie bei einem üblichen Induktionsmotor auf der äußeren Umfangs­ fläche eines zentralen Abschnitts 10 e eines Rahmens 10 für den Elektromotor befestigt. Ein Joch 16 aus einem laminierten Kern ist an einem Jochstützständer 72 be­ festigt, 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 gela­ gert. 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 18 aus einem unmagnetischen Material und in einer Bohrung 10 a im zentralen Abschnitt 10 e des Rahmens 10 sitzen. Ein be­ cherförmiger Rotor 30 ist mit Schrauben (nicht gezeigt) an einer Rotorstütze 28 befestigt, die so auf der Ab­ triebswelle 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 Werkstoff wie Aluminium, Kupfer, einer Silber- Kupfer-Legierung od. dgl. hergestellt. Durch das von Sta­ tor 14 und Joch 16 erzeugte rotierende magnetische Feld wird ein Wirbelstrom im becherförmigen Rotor 30 und da­ mit ein Antriebsmoment durch das Zusammenwirken des rotierenden magnetischen Feldes und des Wirbelstroms er­ zeugt. Da in diesem Fall das Joch 16 seine Drehkraft mit dem obenerwähnten rotierenden magnetischen Feld er­ zeugt und zusammen mit dem Jochstützständer 72 rotiert, können die Eisenverluste im Vergleich zur Verwendung eines feststehenden Joches wesentlich verringert werden.

Durch Drehen der Lüfterflügel 71 am Jochstützständer 72 wird Kühlluft in das Innere des Elektromotors über ein Saug­ loch 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 Rotor­ stütze 28 eine Anzahl Kühlflügel 32 in Umfangsrichtung nacheinander angeordnet. Radial innerhalb der Kühlflügel 32 ist ein Loch 28 a zur Bildung eines Luftkanals für die Kühlluft vorgesehen. Durch Drehen der Kühlflügel 32 bei entsprechender Drehung der Rotorstütze 28 wird Kühl­ luft über das Saugloch 34 im Flansch 18 in das Motorinnere gesaugt und anschließend über die Auslaßöffnung wieder ab­ gegeben. Die Kühlluft wird durch Drehung der Kühlflügel 32 ebenfalls über das Saugloch 36 im Rahmen 10 gesaugt. Diese Kühlluft passiert einen zu kühlenden Bereich 10 b am äußeren Umfang des zentralen Abschnitts 10 e des Rah­ mens 10 und anschließend das Loch 28 a in der Rotorstütze 28 und wird über die Auslaßöffnung 37 wieder nach au­ ßen gefördert.

An der Rotorstütze 28 ist auch eine Wärmeabführscheibe oder -platte 38 befestigt, und im becherförmigen Rotor 30 erzeugte Wärme wird über die Wärmeabführscheibe 38 abge­ geben. 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 daß sie ein großes Moment bei kleinem Schlupf als Endring des Rotors 30 erzeugen kann. Zusätzlich ist an einem auskragenden, in der Fig. 1 linken Ende der Abtriebswelle 26 ein Kühl­ ventilator 56 größerer Abmessungen befestigt, um eine verbesserte Kühlung des Innenraums des Elektromotors zu bewirken. Der Kühlventilator 56 führt über eine Saugöff­ nung 64 in einer Kühlventilator-Abdeckung 58 Kühlluft zum Saugloch 36 im Rahmen 10 und zu dem zu kühlenden Be­ reich 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 an­ geordnet, um die Drehbewegung des Treibkörpers 40 ein­ schließlich der Rotorstütze 28 und des becherförmigen Ro­ tors 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 unmagnetischem Material getra­ gen. Im Eisenkernteil 44 ist eine Bremswicklung 48 auf­ genommen gehalten, um einen magnetischen Fluß in den Eisenkernteilen 44, 46 zu erzeugen. Auf der Abtriebswel­ le 26 ist eine Bremsscheibe 50 axial frei verschieblich angeordnet. Diese Bremsscheibe 50 wird in der Figur gese­ hen nach links ständig durch eine Feder (nicht gezeigt) vom Eisenkernteil 46 weg gedrückt. Auf der Oberfläche der Bremsscheibe 50, die dem Eisenkernteil 46 gegenüber­ liegt, ist ein Bremskissen 52 befestigt. Durch die zwi­ schen dem Bremskissen 52 und dem Eisenkernteil 46 über­ tragene Reibkraft läßt sich die Abtriebswelle schnell stoppen. In der Bremsscheibe 50 ist ein Lüftungsloch 54 ausgebildet, welches zum Fördern der über das er­ wähnte Saugloch 34 geförderten Luft in das Innere des Elektromotors 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 Zu­ sammenwirken zwischen dem Stator 14 und dem Joch 16 er­ zeugt. Dieses rotierende magnetische Feld erzeugt ein Drehmoment im Joch aufgrund des Wirbelstroms. Da das Joch 16 und der Jochstützständer 72 frei drehbar an der inneren Umfangsfläche der Außenwand des Rahmens 10 über die La­ ger 73, 74 gelagert ist, rotiert das Joch 16 zusammen mit dem Jochstützständer 72. Das erwähnte rotierende mag­ netische Feld erzeugt den Wirbelstrom in dem becherförmi­ gen Rotor 30. Durch Kopplung dieses Wirbelstroms mit dem magnetischen Fluß wird ein Drehmoment in dem becherförmi­ gen Rotor 30 erzeugt, und dieses Drehmoment kann als Abtriebsmoment von der Abtriebswelle 26 abgenommen wer­ den, welche den axialen Kern des becherförmigen Rotors 30 bildet. Da der Treibkörper 40 des Elektromotors eine niedrige Träg­ heit 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 be­ cherförmigen Rotors 30 aufweist, hat der Motor exzellentes Ansprechverhalten, was sich in ei­ nem steilen Drehzahlanstieg und -abfall bzw. Nachlaufver­ halten bei entsprechender Steuervorgabe ausweist. Wäh­ rend der konventionelle Induktionsmotor so aufgebaut war, daß der Treibkörper aus dem Rotor und dem damit ein­ teiligen 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 ein­ schließlich 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 Jochstützstän­ der 72 rotiert, können die Eisenverluste im Vergleich zu einer Bauart mit feststehendem Joch bemerkenswert ver­ ringert werden, so daß insgesamt ein Induktionsmotor ho­ hen Wirkungsgrades erhalten wird.

Ein wie vorstehend beschriebener Induktionsmotor ist besonders als Servomotor für numerische Steuerungen ge­ eignet, bei denen ein steiler Leistungs- bzw. Drehzahl­ anstieg und -abfall gefordert ist oder als Antriebs­ motor mit veränderbarer Drehzahl für industrielle Näh­ maschinen. Der Motor ist dazu fähig, leicht und wir­ kungsvoll 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 Stator­ wicklung 12 fließende Strom unterbrochen und gleichzei­ tig ein Strom durch die Bremswicklung 48 der elektromagne­ tischen Bremse 42 geschickt, wodurch die elektromagnetische Bremse 42 betätigt wird. Mit anderen Worten wird durch den Stromfluß in der Bremswicklung 48 ein magnetischer Fluß erzeugt, der die Eisenkerne 44, 46 und die Brems­ scheibe 50 durchsetzt und so die Bremsscheibe 50 an das Eisenkernteil 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 50 erzeugt. Da der Flansch 18 zum Unterstützen der Eisenkerntei­ le 44, 46 aus unmagnetischem Werkstoff gefertigt ist, besteht keine Möglichkeit zur Erzeugung eines magnetischen Leck­ flusses vom Eisenkernteil 46 über die Bremsscheibe 50, den Flansch und das Lager 22. Demgemäß kann kein magne­ tischer Leckfluß das drehende Lager 22 passieren, so daß das Lager 22 vor einem Schaden aufgrund von darin durch Wirbelströme erzeugter Wärme geschützt ist.

Der Motor erzeugt 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 Lüfter­ flügel 71 an dem Jochstützständer 72 und des fest auf der Abtriebswelle 26 sitzenden Kühl­ ventilators 56 in den Motorinnenraum gefördert und über die Auslaßöffnung 37 anschließend abgeführt, wodurch ein Temperaturanstieg im Innenraum des elektrischen Motors wirksam verhindert wird.

Da ferner die Wärmeabführscheibe 38 fest mit dem becher­ förmigen Rotor 30 verbunden ist, kann die in dem Rotor erzeugte Wärme auf die durch die Kühlluft ge­ kühlte 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 16 aus laminierten Eisenplatten gebildet ist, welche von dem Jochstützständer 72 getrennt angeordnet sind, können natürlich leicht das Joch und der Jochstütz­ ständer einteilig aus magnetischem Werkstoff mit hoher Magnetisierbarkeit ausgebildet werden.

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

Fig. 2 zeigt eine zweite vorteilhafte Ausführungs­ form eines Induktionsmotors gemäß der Erfindung. Bei dieser Ausführung ist im Gegensatz zur ersten Ausführung der Stator 14 fest an der inneren Umfangs­ fläche der Außenwand des Rahmens 10 angeordnet und das aus laminierten Eisenplatten bestehende Joch ist über die Lager 73, 74 auf der äußeren Umfangsfläche des zentralen Abschnitts 10 e 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 10 abdeckt. Bezugszahl 60 bezeichnet ein Saugloch be­ nachbart dem zentralen Abschnitt des Rahmens 10 gegen­ über dem Luftloch 59. Im übrigen entsprechen die Bauteile der anhand der Fig. 1 beschriebenen ersten Ausführung, so daß sie mit gleichen Bezugszahlen ver­ sehen 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 er­ zeugt, wird das frei drehbar auf dem zentralen Ab­ schnitt des Rahmens 10 mittels der Lager 73, 74 ge­ lagerte Joch zusammen mit dem Jochstützständer 72 in Drehung versetzt. Das rotierende magnetische Feld er­ zeugt 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 werden kann, welche den axialen Kern für den becher­ förmigen Rotor 30 bildet. Da der Treibkörper 40 des Elektromotors niedrige Trägheit wegen kleiner Ab­ messungen und kleinen Gewichts seiner Bestandteile in Form der auf der Abtriebswelle 26 sitzenden Rotorstütze 28 und des an der Rotorstütze 28 be­ festigten 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.

Claims (5)

1. Induktionsmotor mit geringer Trägheit mit einem fest an einem Rahmen (10) angeordneten Stator (14), einem gegenüber dem Stator mit einem Spalt (S) angeordneten Joch (16), und einem becherförmigen Rotor (30), der auf einer Abtriebswelle (26) befestigt ist und in den Spalt (S) hineinragt, dadurch gekennzeich­ net, daß das Joch (16) drehbar im Rahmen gelagert und mindestens auf einer Seite mit Lüfterflügeln (71) versehen ist.

2. Induktionsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Joch (16) aus laminierten Eisen­ blechen oder einstückig aus Material mit hoher Magneti­ sierbarkeit gebildet ist.

3. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stator (14) fest auf dem äußeren Umfang des zentralen Abschnitts (10 e) 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).

4. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, da­ durch 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 (10 e) des Rahmens gelagert ist (Fig. 2).

5. Induktionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (30) auf seiner einen Seite, wo er auf der Abtriebswelle (26) befestigt ist, mit Kühlflügeln (32) versehen ist.