DE3521526A1 - Motor-verdichter-aggregat - Google Patents

Description

DR.-ING. ULRICH KNOBLAUCH . o521o26

PATENTANWALT 6 FRANKFURT/MAIN 1, DEN14. Juni 1985

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POSTSCHECKKONTO FRANKFURT/M. 3425-605

DRESDNER BANK. FRANKFURT/M 230O308 TELEFON: 561078

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TELEX: A Il B77 KNOPA D

DA 723

DANFOSS A/S, DK-6430 Nordborg Motor-Verdichter-Aggregat

Die Erfindung bezieht sich auf ein Motor-Verdichter-Aggregat, bei dem ein in einem Zylinder beweglicher Verdichterkolben durch den Exzenter einer Motorwelle antreibbar ist, ein zweipoliger, mit Gleichstrom betrie· bener Motor einen Rotor und einen Stator aufweist, von denen der eine dauermagnetische Pole und der andere von mindestens einer Wicklung erregbare Pole, die mittels elektronischer Schaltglieder in ihrer Polarität umschaltbar sind, besitzt, und eine Steuerschaltung im Betrieb die Umschaltung in Abhängigkeit von der Drehwinkellage des Rotors bewirkt.

Bei einem bekannten Motor-Verdichter-Aggregat dieser Art, das von der Anmelderin vertrieben wird, ist der Motor und die Steuerschaltung gemäß DE-OS 28 06 595 ausgebildet. Der Rotor trägt die dauermagnetisehen Pole. Zwischen den Statorpolen befindet sich ein stationärer Dauermagnetpol zur Festlegung von zwei definierten Ruhestellungen, die um weniger als 180° gegeneinander versetzt sind. Die Steuerschaltung verleiht in einem ersten Teil der Anlaufphase unabhängig von der Drehwinke11age des Rotors für eine vorgegebene

Übersteuerungszeit den erregbaren Polen eine vorbestimmte Polarität, so daß der Rotor anfänglich entgegen der betrieblichen Drehrichtung anläuft. Hierdurch kann das Anlaufverhalten des Motors erheblich verbessert werden. Der Mittelpunkt des den Verdichterkolben antreibenden Exzenters der Motorwelle befindet sich im Bereich der Neutrallinie des Rotors und ist höchstens um wenige Grad gegenüber dieser Neutrallinie versetzt.

Bei Verdichtern tritt häufig das Problem auf, insbesondere wenn es sich um in einer Kälteanlage arbeitende Verdichter handelt, daß nach dem Abschalten des Motors im Hubraum ein erheblicher Druck verbleibt, der nur sehr allmählich gegen die Saugseite hin abgebaut wird. Wenn das Wiedereinschalten schon nach kurzer Zeit erfolgt, kann dieses Druckpolster den Anlauf behindern oder vollständig verhindern. Mit einem erneuten Startversuch muß dann in der Regel solange gewartet werden, bis der Druck im Hubraum ausreichend klein geworden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Motor-Verdichter-Aggregat der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem die mit dem Druck im Hubraum zusammenhängenden Schwierigkeiten beim Anlauf reduziert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Versetzung zwischen dem Mittelpunkt des Exzenters und/oder eine Versetzung zwischen der Neutrallinie des Stators und der Zylinderachse vorgesehen ist und daß der gesamte Versetzungswinkel mindestens 30° beträgt .

Wenn der Mittelpunkt des Exzenters etwa im Bereich der Neutrallinie der Rotors angeordnet ist und die

Neutrallinie des Stators mit der Zylinderachse übereinstimmt, durchläuft der Verdichter seinen oberen Totpunkt und damit die Zone des größten erforderlichen Drehmoments gerade dann, wenn infolge des Umschaltens der erregbaren Pole das Antriebsmoment klein oder gar Null ist. Der obere Totpunkt wird daher im wesentlichen aufgrund des Trägheitsmoments der rotierenden Teile durchlaufen. In der Anlaufphase ist dieses Trägheitsmoment aber wegen der geringen Drehzahl klein. Wenn dagegen eine Versetzung gemäß dem Erfindungsvorschlag erfolgt, liegt der Bereich des oberen Totpunkts in einer Zone, wo der Motor sein volles Drehmoment entwickelt. Das Trägheitsmoment spielt für das Durchlaufen des oberen Totpunkts keine Rolle. Infolge dessen ist ein

¹^ Anlauf auch dann möglich, wenn sich der Druck im Hubraum nicht oder noch nicht so weit, wie es bisher notwendig war, abgebaut hatte. Außerdem ist der Verdichter stärker als bisher im Betrieb belastbar.

Die einfachste Lösung ergibt sich, wenn die Neutrallinie des Stators mit der Zylinderachse etwa übereinstimmt und die Versetzung allein durch die Anbringung des Exzenters auf der Motorwelle bewirkt ist. Denn dies führt zu dem geringstmöglichen Platzbedarf.

Als besonders geeignet hat sich ein Versetzungswinkel von 45 bis 135° erwiesen. Damit ist sichergestellt, daß der gesamte Bereich, in dem das höhere Antriebsmoment erforderlich ist, außerhalb der Umschaltzone liegt.

Wenn der Rotor aufgrund der Magnetfeldverteilung zwischen Rotor und Stator mindestens eine definierte Ruhestellung nahe der Neutrallager hat, empfiehlt es sich, daß der Versetzungswinkel so gewählt ist, daß der Verdichterkolben in der Ruhestellung eine Lage hat, in

der eine Vergrößerung des Hubraums zu einer Vergrößerung des kleineren der beiden Winkel zwischen der Neutrallinie des Rotors und derjenigen des Stators führt. Bei diesem Aufbau trägt der Druck im Hubraum dazu bei, den Anlauf des Motors zu unterstützen. Im einfachsten Fall ergibt sich eine Winke!vergrößerung in der betrieblichen Drehrichtung, so daß der Hubraumdruck das Motor-Antriebsmoment unterstützt.

Allerdings führt häufig eine bestimmte Magnetfeldverteilung zwischen Rotor und Stator zu zwei definierten Ruhestellungen. In diesem Fall ist es zweckmäßig, von einem Motor-Verdichter-Aggregat auszugehen, bei dem diese beiden Ruhestellungen um weniger als 180° gegeneinander versetzt sind und bei dem die Steuerschaltung im ersten Teil der Anlaufphase unabhängig von der Drehwinkel lage des Rotors für eine vorgegebene Übersteuerungszeit den erregbaren Polen eine vorbestimmte Polarität verleiht, so daß der Rotor anfänglich entgegen der betrieblichen Drehrichtung anläuft und zwar aus der ersten Ruhestellung um einen kleineren Winkel in Richtung auf die benachbarten Neutrallager und aus der zweiten Ruhestellung um einen größeren Winkel. Hierbei sollte der Versetzungswinkel so gewählt sein, daß sich die Hubraumvergrößerung beim Anlauf aus der ersten Ruhestellung im zweiten Teil und beim Anlauf aus der zweiten Ruhestellung im ersten Teil der Anlaufphase ergibt. Beim Anlauf aus der ersten Ruhestellung wird der Hubraum so weit verkleinert, wie es der Hubraumdruck zuläßt; anschließend erfolgt die Beschleunigung in der betrieblichen Drehrichtung unter zusätzlicher Unterstützung durch den Hubraumdruck. Beim Anlauf aus der zweiten Ruhestellung wird dagegen die Rückwärtsdrehung unter dem Einfluß des Hubraumdrucks verlängert. Bei der anschließenden Vorwärtsdrehung steht dann bis zum Erreichen des Umschaltpunktes ein

großer Winkel zur Verfugung und der Rotor entwickelt ein so großes Trägheitsmoment, daß die bewegten Teile des Aggregats über die Umschaltzone hinweg getrieben werden.
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Bei einer bevorzugten Konstruktion, bei der der Rotor die Dauermagnetpole trägt und sich zwischen den Statorpolen ein stationärer Dauermagnetpol zur Festlegung der beiden definierten Ruhestellungen befindet, empfiehlt es sich, daß der Mittelpunkt des Exzenters sich auf der Seite des mit dem stationären Dauermagnetpol ungleichnamigen dauermagnetischen Pol des Rotors befindet. Der konstruktive Aufbau eines solchen Motors entspricht DE-OS 28 06 595. Die Lage des Exzenter-Mittelpunkts führt zu dem gewünschten Anlaufverhalten.

Hierbei hat es sich als günstig herausgestellt, wenn der Mittelpunkt des Exzenters der Neutrallinie des Rotors in der betrieblichen Drehrichtung um 60° bis 120°, vorzugsweise etwa 90°, voreilt. Bei dieser Lage des Exzenter-Mittelpunktes ergibt sich aus beiden Ruhestellungen ein sicherer Anlauf. Außerdem spielen Toleranzen bei der Anbringung des Exzenters an der Motorwelle keine wesentliche Rolle.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Motor-Verdichter-Aggregats in der ersten Ruhestellung,

Fig. 2 das Aggregat der Fig. 1 in der zweiten Ruhestellung,

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild des Motors mit seiner Steuerung,

Fig. 4 das Antriebsmoment über der Drehwinkellage des Rotors,

Fig. 5 das Haltemoment über der Drehwinke11age des Rotors und

Fig. 6 eine abgewandelte Ausführungsform.

Das Motor-Verdichter-Aggregat der Fig. 1 bis 3 weist jeweils einen Kolbenverdichter 1 und einen Gleichstrommotor 2 auf. Der Verdichter besitzt einen Zylinder und einen Kolben 4, so daß ein Hubraum 5 gebildet wird, der in üblicher Weise über ein Einlaßventil mit einer Saugleitung und über ein Auslaßventil mit einer Druckleitung verbunden ist, was nicht näher veranschaulicht worden ist. Insbesondere dient der Verdichter als Kompressor in einer Kälteanlage. Der Kolben 4 wird von einer Motorwelle 6 über eine Kurbel 7 und eine Pleuelstange 8 angetrieben. Die Achse des Pleuellagers zwischen Kurbel 7 und Pleuelstange 8 bildet den Mittelpunkt 9 eines Exzenters, der mit der Motorwelle 6 umläuft.

Der Motor 2 besitzt einen Stator 10 mit zwei Polen 11 und 12, die je mit einer Erregerwicklung 13 bzw. versehen sind. Der Stator hat daher eine Neutrallinie 15, die mit der Zylinderachse gleichgerichtet ist. Ein Rotor 16 besitzt zwei dauermagnetische Pole 17 und 18, nämlich einen Südpol S und einen Nordpol N. Demzufolge hat der Rotor 16 eine Neutrallinie 19.

Beide Erregerwicklungen 13 und 14 liegen mit ihrem einen Ende an einer Gleichspannung IL, und sind mit

ihrem anderen Ende über je ein elektronisches Schaltglied 20 bzw. 21 mit dem Nullpunkt 0 verbunden. Die Schaltglieder können Transistoren, Tyristoren, o.dgl. sein. Eine Steuerschaltung 22 sorgt dafür, daß abwechselnd das Schaltglied 20 und das Schaltglied 21 leitend werden und zwar in Abhängigkeit von der Drehwinkellage des Rotors 16. Zu diesem Zweck weist der Rotor einen sich über 180° auf einem Kreisbogen erstreckenden Belag 23 auf, der von einem stationären Fühler 24 auf elektrische, magnetische, optische oder sonstige Weise abgetastet wird. Der Belag 23 ist gegenüber der Neutrallinie 19 des Rotors 16 derart verschoben, daß ein Wechsel des Fühlersignals jeweils kurz vor Erreichen der Neutrallage erfolgt, in der die Neutrallinien 15 und 19 von Stator und Rotor miteinander übereinstimmen. Das Abfühlen des Belages hat den Vorteil, daß in jeder beliebigen Lage des Rotors und auch bei dessen Stillstand ein definiertes Signal abgegeben wird.

Zwischen den beiden Statorpolen 11 und 12 befindet sich ein Startmagnet 25 mit einem stationären Dauermagnetpol, hier N. Dieser wirkt derart auf den dauermagnetischen Südpol S des Rotors, daß sich die beiden in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten definierten Ruhestellungen für den Stator 16 ergeben. In der ersten Ruhestellung der Fig. 1 ergibt sich zwischen der Neutrallinie 15 des Stators und der Neutrallinie 19 des Rotors ein kleiner Winkel i"<- und in der zweiten Ruhestellung der Fig. 2 ein erheblich größerer Winkel/^, der etwa (180 - oC ) ist. Der Winkel OC kann beispielsweise 5 bis 15° betragen.

Die Steuerschaltung 22 ist so ausgebildet, daß sie im ersten Teil der Anlaufphase unabhängig von der Drehwinkellage des Rotors 16 für eine vorgegebene Übersteu-

erungszeit den erregbaren Polen 11 und 12 eine vorbestimmte Polarität verleiht. Wegen der Einzelheiten einer solchen Steuerung wird auf DE-OS 28 06 595 verwiesen. Die beiden Ruhestellungen und die vorbestimmte Polarität sind einander so zugeordnet, daß der Rotor 16 anfänglich entgegen der betrieblichen Drehrichtung X, also in der Drehrichtung Y anläuft. Bei der ersten Ruhestellung endet diese Rückwärtsdrehung Y spätestens nach dem Winkel c< ,weil dann die Neutrallage erreicht ist. Bei der zweiten Ruhestellung kann der Rotor in der Gegenrichtung Y einen größeren Winkel zurücklegen.

Der Mittelpunkt 9 des Exzenters ist gegenüber der Neutrallinie 19 um einen Winkel f~ versetzt. Der Versetzungswinkel soll mindestens 30° betragen. Er liegt in der Regel zwischen 45° und 135°. Bevorzugt ist der Winkelbereich von 60° bis 120°. Am günstigstens sind etwa 90°, wie es die Zeichnung zeigt. Infolge einer solchen Versetzung ergeben sich die nachstehenden beiden Vorteile:

1. Wie Fig. 4 schematisch zeigt, treten beim Antriebsmoment M. des Motors 2 im Abstand von 180° Unterbrechungen oder Lücken 26 auf. Dies beruht darauf, daß beim Umschalten des Erregerstromes das magnetische Feld ab- und wieder aufgebaut werden muß, was eine gewisse Zeit erfordert. Diese Lücken 26 befinden sich etwa im Bereich der Neutrallage, in der sich die Neutrallinien 15 und 19 von Stator und Rotor decken. Wegen des Fehlens des Antriebsmoments M, im Bereich der Lücke muß der Verdichter während dieser Zeit durch das Trägheitsmoment der rotierenden Teile angetrieben werden. Zum Betrieb des Verdichters 1 ist ein Moment M erforderlich, das im Bereich des oberen Totpunkts ein Maximum besitzt, das sich in jeder Periode ρ einmal wieder-

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holt. Dieses Maximum 27 ist um den Winkel t. gegenüber der Lücke 26 versetzt. Infolgedessen steht im Bereich des oberen Totpunkts das volle Motor-Antriebsmoment M. zur Verfügung. Der Verdichter wird daher mit wesentlich größerem Moment über den oberen Totpunkt hinweggeführt, als wenn sich das Maximum 27, wie bisher, im Bereich der Lücke 26 befindet. Dies erleichtert den Anlauf auch bei Gegendruck im Hubraum 5 erheblich. Außerdem ist der Verdichter auch im Betrieb stärker als bisher belastbar.

2. Beim Anlauf aus beiden Ruhestellungen trägt der Hubraumdruck zur Verbesserung des Anlaufs bei. Geht man von der ersten Ruhestellung der Fig. 1 aus, erfolgt unter dem Einfluß der Anlauf-Übersteuerung eine Rückdrehung um einen kleinen Winkel. Wenn dann nach Ablauf der Übersteuerungszeit der Normalbetrieb einsetzt, wird der Rotor 16 nicht nur durch den Motor 2 sondern auch durch den Druck im Hubraum 5 angetrieben. Er erhält über die ersten 180° seiner Drehung eine so große Drehgeschwindigkeit, daß er ohne Schwierigkeit über die Lücke 26 des Antriebsmoments M. hinwegdreht. Beim Anlauf aus der zweiten

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Ruhestellung der Fig. 2 wird die Rückdrehung in Richtung Y durch den Druck im Hubraum 5 unterstützt. Die Rückdrehung erfolgt daher über einen größeren Winkel als es bisher der Fall war. Wenn dann der Normalbetrieb einsetzt, ist sichergestellt, daß der Rotor wiederum eine ausreichende Drehgeschwindigkeit hat, wenn er die Lücke 26 überfährt. Außerdem hat der Rotor bis zum Erreichen des Maximums 27 des Verdichtermoments My. eine so große Geschwindigkeit erreicht, daß das Antriebsmoment M. durch das Trägheitsmoment des Rotors unterstützt wird. Da in beiden Fällen eine Entspannung des Hubraumdrucks auftritt, bevor der obere Totpunkt zum ersten

Mal durchfahren wird, ergibt sich ein sicherer Anlauf auch dann, wenn der Hubraumdruck noch hoch sein sollte.

In Fig. 5 ist das Haltemoment M„ des nicht erregten Motors 2 veranschaulicht. Die Erhöhung 28 und die geringere Neigung der Flanke 29 sind auf den Einfluß des Startmagneten 25 zurückzuführen. Mit I und II sind die beiden definierten Ruhestellungen bezeichnet. Die Drehungen X und Y entsprechen denjenigen der Fig. 1 und 2.

Bei der Ausführungsform der Fig. 6 werden für entsprechende Teile um 100 gegenüber den Fig. 1 bis 3 erhöhte Bezugszeichen verwendet. In diesem Fall ist die Neutrallinie 30 des Stators 110 gegenüber der Zylinderachse 31 um den Versetzungswinkel f versetzt. Der Mittelpunkt 109 des Exzenters ist in der Neutrallinie 119 des Rotors angeordnet. Man erkennt, daß auch hier das Maximum 27 des Verdichtermoments M„ aus dem Bereich der Lücke 26 versetzt ist und daß sich die gleichen Starterleichterungen ergeben, wie sie in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 erläutert worden sind.

Der gesamte Versetzungswinkel ~f kann auch durch die Summe einer Versetzung zwischen dem Mittelpunkt des Exzenters und der Neutrallinie des Rotors und einer Versetzung zwischen der Neutrallinie des Stators und der Zylinderachse erzielt werden.

Claims (7)

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Patentansprüche -—

Motor-Verdichter-Aggregat, bei dem ein in einem Zylinder beweglicher Verdichterkolben durch den Exzenter einer Motorwelle antreibbar ist, ein zweipoliger, mit Gleichstrom betrieber Motor einen Rotor und einen Stator aufweist, von denen der eine dauermagnetische Pole und der andere von mindestens einer Wicklung erregbare Pole, die p?tttels elektronischer ' Schaltglieder in ihrer Polarität umschaltbar sind, besitzt, und eine Steuerschaltung im Betrieb die Umschaltung in Abhängigkeit von der Drehwinkellage des Rotors bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Versetzung zwischen dem Mittelpunkt des Exzenters (9) und der Neutrallinie (19) des Rotors (16) und/oder eine Versetzung zwischen der Neutrallinie (30) des Stators (110) und der Zylinderachse (31) vorgesehen ist und daß der gesamte Versetzungswinkel (0) mindestens 30° beträgt.

2. Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutrallinie (15) des Stators (10) mit der Zylinderachse etwa übereinstimmt und die Versetzung allein durch die Anbringung dos Exzenters auf der Motorwelle (6) bewirkt ist.

3. Aggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Versetzungswinkel (T) 45° bis 135° beträgt.

4. Aggregat, bei dem der Rotor aufgrund der Magnetfeldverteilung zwischen Rotor und Stator mindestens eine definierte Ruhestellung nahe der Neutrallage hat, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Versetzungswinkel ($~) so gewählt ist, daß der Verdichterkolben (4) in der Ruhestellung eine Lage hat, in der eine Vergrößerung des Hubraums (5) zu einer Vergrößerung des kleineren der beiden Winkel zwischen der Neutrallinie (11) des Rotors (14) und derjenigen des Stators (10) führt.

5. Aggregat, bei dem der Rotor aufgrund der Magnetfeldverteilung zwischen Rotor und Stator zwei definierte Ruhestellungen hat, die um weniger als 180° gegeneinander versetzt sind, und bei dem die Steuerschaltung im ersten Teil der Anlaufphase unabhängig von der Drehwinkellage des Rotors für eine vorgegebene Übersteuerungszeit den erregbaren Polen eine vorbestimmte Polarität verleiht, so daß der Rotor anfänglieh entgegen der betrieblichen Drehrichtung anläuft, und zwar aus der ersten Ruhestellung um einen kleineren Winkel in Richtung auf die benachbarte Neutrallage und aus der zweiten Ruhestellung um einen größeren Winkel, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Versetzungswinkel

(T) so gewählt ist, daß sich die Hubraumvergrößerung beim Anlauf aus der ersten Ruhestellung (Fig. 1) im zweiten Teil und beim Anlauf aus der zweiten Ruhestellung (Fig. 2) im ersten Teil der Anlaufphase ergibt.

6. Aggregat, bei dem der Rotor die dauermagnetischen Pole trägt und sich zwischen den Statorpolen ein stationärer Dauermagnetpol zur Festlegung der beiden definierten Ruhestellungen befindet, nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt des

Exzenters (6) sich auf der Seite des mit dem stationären Dauermagnetpol ungleichnamigen dauermagnetischen Pol (17) des Rotors (16) befindet.

7. Aggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt des Exzenters der Neutrallinie des Rotors in der betrieblichen Drehrichtung um 60° bis 120°, vorzugsweise etwa 90°, voreilt.