DE3420371C2 - Anordnung zum Starten eines Synchronmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Starten eines Synchronmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Anordnung ist aus der GB-PS 1 413 782 bekannt. Dort ist der Rotor eines Synchronmotors starr über ein Getriebe mit einer Antriebswelle gekoppelt. Um den Anlauf des Motors bei angeschlossener Last zu ermöglichen, greift ein auf der Rotorwelle sitzendes Ritzel mit Drehspiel in ein Gegenstück einer Kupplung ein, so daß die volle Last am Rotor nicht unmittelbar wirksam wird. Dennoch können beim Anlauf dieses bekannten Motors Schwierigkeiten auftreten, wenn der Einschwingvorgang des Rotors durch die mit ihm gekuppelten Massen und durch erhöhte Reibungsmomente behindert wird. In den bekannten Motor ist auch eine Drehrichtungssperrvorrichtung integriert.

Aus der US-PS 3 259 771 ist ein Synchronmotor bekannt mit einer drehfest angeordneten mit Wechselstrom erregbaren Feldspule, die von einem frei um die Antriebswelle innerhalb eines begrenzten Bereichs beweglichen Käfig um­ geben ist, und mit einem auf der Antriebswelle frei beweglichen Permanentmagnetrotor, der über einen als Feder ausgebildeten Anschlag mit einer Last gekoppelt ist. Bei Erregung der Feldspule wird zunächst der Käfig innerhalb des begrenzten Bereichs in Schwingungen versetzt, der seinerseits versucht, den Rotor mitzuziehen, so daß dieser unter Überwindung des Losbrechmomentes in Drehung versetzt wird. Dabei bilden ein am Rotor ausgebildeter axial vorspringender Zapfen einerseits und der als Feder ausgebildete Anschlag andererseits Teile einer Kupplung. Infolge des als Feder ausgebildeten Anschlags ist dort die Kupplung für sich nicht geeignet, um festsitzende Teile des Antriebsmechanismus oder der Last beim Anschwingen des Rotors freizuschlagen, außerdem ist über ein Verdrehspiel zwischen dem rotorseitigen Zapfen und der mit der Welle in fester Verbindung stehenden Feder nichts ausgesagt.

Der Rotor eines aus der US-PS 3 452 228 weiterhin bekannten Synchronmotors ist über ein Getriebe mit einer Antriebswelle verbunden und ist zusammen mit einem axial neben dem Rotor angeordneten Ritzel des Getriebes frei drehbar und um ein geringes Spiel auch axial verschiebbar auf einer feststehenden Träger­ achse angeordnet. Die Rotornabe besitzt axiale Vorsprünge, die zusammen mit stabförmigen Anschlägen an dem Motorritzel eine Kupplung bilden, wobei die Vorsprünge erst nach einem lastfreien Durchlauf eines Verdrehspiels an den Anschlägen zur Anlage kommen. Das Motorritzel enthält flexibles jedoch nicht federndes Plastikmaterial von relativ großer Härte (Shore-Härte 80), wodurch die Anschläge und die Zähne etwas nachgiebig sind. Der Verdrehwinkel zwischen den Kupplungsteilen liegt dort außerhalb des beanspruchten Bereichs von 90° el bis 300° el. Es sind dort Vorkehrungen gegen einen Anlauf des Motors in einer nichtgewollten Richtung getroffen.

Zur Erzeugung eines Anlauf-Drehmomentes zwischen Rotor und Stator eines Synchronmotors ist es aus "Feinwerktechnik und Meßtechnik" 87 (1979) 4, Seite 163 bekannt, den Luftspalt über dem Rotorumfang ver­ änderlich auszubilden. Hierdurch entsteht eine Ruhelage des Rotors, welche verschieden ist von der Hauptmagnetisierungsrichtung des Sta­ tors, so daß beim Anlegen des Statorfeldes auf den Rotor ein Moment ausgeübt wird zur Auslösung des Anschwingvorganges.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Synchronmotor mit einer Anlaufhilfe auszurüsten, die es gestattet, ihn auch nach längerem Stillstand aus seiner Ruhelage zunächst mit hohen Anfangskräften herauszuführen, um festsitzende Teile des Antriebsmechanismus oder der Last beim Anschwingen des Rotors freizuschlagen, und die mit geringem konstruktiven Aufwand in den Motor integrierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Anordnung zum Starten eines Synchronmotors mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat den Vorteil, daß außer geringen Reibungsverlusten des Rotors beim Anschwing- und An­ laufvorgang keine weiteren Kräfte zu überwinden sind, welche den An­ lauf des Motors unter Last erschweren. Insbesondere sind die zu be­ schleunigenden Massen auf ein Minimum reduziert und es müssen keine Teile bewegt werden, welche hohe Reibungsverluste aufweisen oder, z. B. nach längerem Stillstand, aus ihrer Ruhelage zunächst mit hohen An­ fangskräften herausgeführt werden müssen. Dies kann beispielsweise bei der Verwendung des Synchronmotors zum Antreiben einer Flüssigkeits­ pumpe der Fall sein, beispielsweise der Laugenpumpe einer Waschma­ schine, wo nach längerem Stillstand auf der Antriebswelle sitzende Dichtungen im Pumpengehäuse festkleben können und ein Anlaufen des Motors verhindern. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird es im Gegensatz zum geschilderten Stand der Technik möglich, festsitzende Teile des Antriebsmechanismus oder der Last beim Anschwin­ gen des Rotors freizuschlagen, so daß Schwierigkeiten beim Anlauf des Motors unter Last praktisch nicht mehr auf­ treten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch die erfindungs­ gemäße Anordnung,

Fig. 2 eine raumbildliche Darstellung der Anordnung aus Rotor und Kupplungsvorrichtung,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erste Anordnung mit Drehrichtungssperre,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine zweite Anordnung mit Drehrichtungssperre und

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 4.

In Fig. 1 ist mit 10 der Stator eines Synchronmotors bezeichnet, wie er beispielsweise für die Laugenpumpe einer Waschmaschine verwendbar ist. Der Stator 10 be­ sitzt zwei ausgeprägte Pole 11 und 12, welche mit einer Einphasen-Wechselstromwicklung 13 bewickelt sind.

Den Stator 10 trennt ein Luftspalt 14 vom Rotor 15, welcher permanentmagneterregt ist durch eine zwei­ polige Anordnung mit einem Nordpol 16 und einem Südpol 17. Der Rotor 15 sitzt auf einer Nabe 18 aus Kunst­ stoff, vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen, welche in das permanentmagnetische Material eingeklebt oder eingepreßt ist. Die Nabe 18 bildet das Lager für den Rotor 15.

Der Luftspalt 14 besitzt eine über den Rotorumfang ver­ änderliche Luftspaltbreite, symmetrisch zur Längsachse des Motors. So ergibt sich jeweils an radial gegenüber­ liegenden Punkten der Polschuhe ein gleicher, jeweils schmälerer oder breiterer Luftspalt, so daß der Perma­ nentmagnetrotor 15 eine definierte Ruhelage einnimmt. Der Bereich großer Luftspaltbreite ist mit 21, der Bereich kleiner Luftspaltbreite mit 22 bezeichnet. Die Magnetisierungsrichtung des in Fig. 1 in seiner Ruhelage gezeigten Rotors weicht von der Feldrichtung des Stators 10 ab, so daß sich bei Stromfluß in der Statorwicklung 13 ein Drehmoment zwischen Rotor und Stator ergibt.

Fig. 2 zeigt in raumbildlicher Darstellung den Rotor 15, an den ein erstes Kupplungsteil 24 angeformt ist. Dieses ist zweckmäßigerweise einteilig mit der Nabe 18 ausgebildet und besteht demzufolge zweckmäßigerweise aus dem gleichen Kunststoffmaterial wie die Nabe. Statt dessen können für das Kupplungsteil 24 jedoch auch härtere Materialien verwendet werden, welche dann formschlüssig und/oder durch Verkleben mit dem Rotor 15 verbunden sind. Das Kupplungsteil 24 hat die Form eines Zapfens, welcher im Bereich des Rotor­ mantels axial vorspringt in Richtung auf ein zweites Kupplungsteil 25, welches auf einer Scheibe 26 angeord­ net ist. Diese wiederum sitzt starr auf einer An­ triebswelle 27 des Motors. Das zweite Kupplungsteil 25 wird beim Ausführungsbeispiel von einem kreis­ sektorförmigen Anschlag gebildet, welcher einteilig mit der Scheibe 26 gestaltet ist. Die beiden Kupp­ lungsteile 24 und 25 bilden nach im wesentlichen lastfreiem Durchlaufen eines Verdrehspiels von ca. 300° eine starre Kupplung, sie sind in beiden Dreh­ richtungen des Rotors 15 mit Spiel in Eingriff bring­ bar, so daß der Motor in beiden Drehrichtungen laufen kann. Beispielsweise für Flüssigkeitspumpen ist in der Regel die Drehrichtung des Motors beliebig, da die Pumpen entsprechend gestaltet sind.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die Antriebs­ welle 27 abgesetzt mit einem dünneren Wellenabschnitt 28 und einem dickeren Wellenabschnitt 29. Auf dem dünneren Wellenabschnitt 28 lassen sich innerhalb des Stators mehr Magnetmasse und somit stärkere Magnetpole unterbringen. Außerdem sind die Reibungsverluste des Rotors 15 auf einer dünneren Welle geringer als auf einer dickeren Welle. Dennoch kann die Antriebswelle 27 auch durchgehend in gleicher Stärke ausgebildet werden, was fertigungs­ technisch einfacher ist, wenn die geringere Stärke des Wellenabschnittes 28 nicht erforderlich ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung wirkt folgendermaßen:

Nach dem Anlegen einer Wechselspannung an die Wicklung 13 entsteht ein in Fig. 1 vertikales magnetisches Wechselfeld, welches gegenüber dem permanentmagne­ tischen Feld des Rotors 15 um einen vorgegebenen Win­ kel in der Ruhelage verdreht ist. Der Permanentmagnet- Rotor 15 richtet sich nämlich in der Ruhelage so aus, daß der Fluß den Weg des geringsten magnetischen Widerstandes findet, d. h. in der in Fig. 1 gezeich­ neten N-S-Stellung. Nach dem Einschalten des Stator­ feldes kann der Rotor 15 ungehindert auf dem Abschnitt 28 der Antriebswelle 27 Drehschwingungen ausführen, so lange, bis die Beschleunigung ausreicht, daß er netzsynchron umläuft. Hierzu muß der Rotor 15 über den Umkehrpunkt der Schwingung überschwingen und so stark beschleunigt worden sein, daß es in Syn­ chronismus zum Starterfeld gerät und synchron mit diesem weiterläuft. Bei der gezeichneten zweipoligen Bauweise von Stator und Rotor und einer Netzfrequenz von 50 Hz des Stromes in der Statorwicklung 13 ergibt sich eine synchrone Drehzahl des Rotors 15 von 3000 U/min.

Der Rotor 15 ist nicht durch eine angeschlossene Last beaufschlagt, so daß dem Anlauf des Motors insofern nichts entgegensteht. Außerdem sind aber auch alle son­ stigen Verluste wie Lagerreibungsmomente, Klebemomente und dgl. ebenso wie die zu beschleunigende Masse auf ein Minimum reduziert, so daß der Rotor, gegebenenfalls nach einem kurzen Anschwingen, den Kippunkt zum syn­ chronen Lauf überwindet und über die Kupplung die angeschlossene Last anzutreiben vermag. Durch die erfindungsgemäße Bauweise mit einem ersten Kupplungs­ teil am frei verdrehbaren Rotor und einem diesem un­ mittelbar benachbarten, mit der Antriebswelle gekop­ pelten zweiten Kupplungsteil ergibt sich eine sehr kompakte und einfache Bauweise der Anordnung. Je nach der Ruhelage des zweiten Kupplungsteils 25 und der Antriebswelle 27 schlägt das erste Kupplungsteil 24 zunächst am zweiten Kupplungsteil 25 an und verschiebt dieses soweit, daß eine freie Schwingungsweite zur Ver­ fügung steht zum Anlauf des Motors.

Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung bei einer Flüssigkeitspumpe, beispielsweise bei der Laugen­ pumpe einer Waschmaschine, kann eine notwendige Dichtung zwischen Motor und Pumpe auf dem dickeren Wellenabschnitt 29 zwischen dem zweiten Kupplungs­ teil 25 und dem Ende des Wellenabschnittes 29 vor­ gesehen werden. Selbst beim Festkleben einer derar­ tigen Dichtung nach längerer Außerbetriebsetzung vermag der frei drehbare Rotor 15 eine festsitzende Dichtung zu lösen durch den ungehinderten Aufprall des ersten Kupplungsteils 24 auf das zweite Kupplungs­ teil 25, so daß Anlaufschwierigkeiten bekannter Anord­ nungen vermieden werden.

In den Fig. 3 bis 5 sind zwei weitere Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, welche zusätzlich jeweils eine Drehrichtungs-Sperrvorrichtung aufweisen, die nur in einer Drehrichtung des Rotors die Drehung der Antriebswelle frei­ gibt, während die entgegengesetzte Drehrichtung der Antriebs­ welle blockiert wird zur Erzwingung eines Anlaufs des Motors in einer vorgegebenen Drehrichtung. Für übereinstimmende Teile sind in den Fig. 3 bis 5 gleiche Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 gewählt, auch wenn die ein­ zelnen Teile konstruktiv anders gestaltet sind.

Die Anordnung gemäß Fig. 3 zeigt einen Motor mit Stator 10 und Rotor 15, bei dem die Antriebswelle 27 einerseits in einem Rillen-Kugellager 32 und andererseits in einem Freilauflager 33 gelagert ist. Das Freilauflager ist als Hülsenfreilauf gestaltet und sitzt in einer Lagerschale 34, während das Kugellager 32 in einer Lagerschale 35 gehalten ist. Aus Fig. 3 ist weiterhin ersichtlich, daß die Scheibe 26 mit dem zweiten Kupplungsteil 25 durch einen Splint 36 fest und verdrehsicher mit der Antriebs­ welle 27 verbunden ist.

Aufbau und Wirkungsweise der Anordnung gemäß Fig. 3 ent­ sprechen grundsätzlich denjenigen der Fig. 1 und 2 mit dem Zusatz der Drehrichtungssperre durch das Freilauf­ lager 33. Dieses bewirkt, daß die Welle 27 sich nur in einer Drehrichtung verdrehen kann, welche dann der An­ triebsrichtung des Motors entspricht. Die entgegengesetzte Drehrichtung wird durch das blockierende Freilauflager 33 ausgeschlossen, so daß auch der Antrieb von Aggregaten mit vorgegebener Drehrichtung unter Nutzung der sonstigen Vorteile der Erfindung ohne großen Mehraufwand möglich ist.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere konstruktive Ab­ wandlung des Synchronmotors mit Drehrichtungssperre ent­ sprechend Fig. 3, wobei wiederum die dort verwendeten Bezugszeichen übernommen worden sind. Die Anordnung gemäß den Fig. 4 und 5 hat jedoch eine andersartig gestaltete Drehrichtungs-Sperrvorrichtung mit einer Sperrklinke 38, welche schwenkbar an der Lagerschale 35 gehalten ist. Die Sperrklinke 38 gibt in einer Drehrichtung die Bewegung der Scheibe 26 und der Antriebswelle 27 frei, während sie in der entgegengesetzten Drehrichtung in die Verzahnung 39 eingreift und die Drehung der Scheibe 26 und der An­ triebswelle 27 verhindert. Hierdurch wird wiederum er­ reicht, daß der Rotor nur in einer Drehrichtung anlaufen kann, so daß drehrichtungsgebundene Aggregate anschließbar sind. Das Freilauflager 33 entsprechend der Anordnung in Fig. 3 ist bei der Anordnung in den Fig. 4 und 5 durch ein normales Rillen-Kugellager 40 ersetzt. Die verwendeten Teile können handelsübliche Teile sein, insbesondere sind auch Freilauflager nach Art des Lagers 33 im Handel erhält­ lich und können je nach Größe und Belastung des Motors aus­ gewählt werden.

Claims (4)

1. Anordnung zum Starten eines Synchronmotors, dessen permanentmagnetisch erregter Rotor über eine Antriebswelle und über eine Kupplung mit Ver­ drehspiel mit einer Last, insbesondere mit einer Flüssigkeitspumpe, koppelbar ist, und dessen Stator durch ein elektromagnetisches Wechselfeld erregbar ist, wobei der Rotor zur Erzeugung eines Einschwingvorganges frei drehbar gelagert und mit einem ersten Kupp­ lungsteil versehen ist, welches nach Durchlaufen des Verdrehspieles an einem zweiten mit der Antriebswelle verbundenen Kupplungsteil angreift und die beiden Kupplungsteile nach im wesentlichen lastfreiem Durch­ laufen des Verdrehspieles eine starre Kupplung bilden, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale bei einem 2-poligen Motor:

• a) der Rotor (15) ist auf der Antriebswelle (27, 28, 29) gelagert,
• b) das erste Kupplungsteil (24) weist am Rotor (15) einen axial vor­ springenden Zapfen auf und das zweite Kupplungsteil (25) ist als kreissektorförmiger Anschlag auf einer mit der Antriebswelle (27, 28, 29) starr verbundenen Scheibe (26) ausgebildet,
• c) das Verdrehspiel beider Kupplungsteile gegeneinander beträgt 90° el bis 300° el und
• d) der Luftspalt (14) besitzt eine über den Rotorumfang veränderliche zur Längsachse des Motors symmetrische Breite.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Drehrich­ tungs-Sperrvorrichtung (33, 38) an dem zweiten Kupplungsteil (25) und/oder an der Antriebswelle (27), welche in nur einer Drehrichtung des Rotors (15) die Drehung der Antriebswelle freigibt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreh­ richtungs-Sperrvorrichtung von einem Freilauflager (33) gebildet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreh­ richtungs-Sperrvorrichtung von einer Sperrklinkenvorrichtung (38, 39) gebildet ist, welche an dem fest auf der Antriebswelle (27, 28, 29) sitzen­ den zweiten Kupplungsteil (25) angreift.