DE3521526C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Motor-Verdichter-Aggre­ gat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Motor-Verdichter-Aggregat ist aus DE-OS 25 27 041 bekannt. Hier wird ein bürstenloser Gleichstrom­ motor beschrieben, dessen Rotor dauermagnetische Pole trägt. Zwischen den Statorpolen befindet sich ein statio­ närer Dauermagnetpol zur Festlegung einer Ruhelage, bei der die Neutrallinie der Rotormagnete gegenüber der Neu­ trallinie der Statorpole verdreht ist, damit ein Anlauf möglich ist. Ein solcher Gleichstrommotor ist zum Antrieb des Kolbenkompressors einer Kältemaschine geeignet, weil sein pulsierendes Moment dem Drehmomentbedarf des Kompres­ sors genau entspricht. Wie dies konstruktiv gelöst ist, kann der Entgegenhaltung nicht entnommen werden.

Aus DE-OS 28 06 595 ist es bekannt, den Drehstellungsfüh­ ler der Steuervorrichtung so anzuordnen, daß ein Wechsel des Fühlersignals jeweils kurz vor Erreichen der Neutral­ lage erfolgt, in der die Neutrallinie von Stator und Rotor übereinstimmen. Dies hat den Vorteil, daß beim normalen Lauf das eine gewisse Zeit erfordernde Umschalten der Polarität beim Erreichen der Neutrallage im wesent­ lichen bereits abgeschlossen ist. Dies ergibt ein verbes­ sertes Drehmoment. Ein stationärer Dauermagnet dient der Festlegung von zwei definierten Ruhestellungen, die um weniger als 180° gegeneinander versetzt sind. Zumindest eine dieser Ruhestellungen kann so dicht neben dem Um­ schaltpunkt für das Fühlersignal liegen, daß gar kein Anlauf erfolgt, sondern der Rotor im Bereich des Umschalt­ punkts hin- und herpendelt. Dies wird dadurch behoben, daß die Steuerschaltung für die Erregung der Statorpole im ersten Teil der Anlaufphase unabhängig von der Drehwin­ kellage 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 kleinen Winkel in Richtung auf die benachbarte Neutrallage und aus der zweiten Ruhestellung um einen größeren Winkel.

Bei Verdichtern tritt häufig das Problem auf, insbesonde­ re, wenn es sich um in einer Kälteanlage arbeitende Ver­ dichter 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 voll­ ständig 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-Ver­ dichter-Aggregat der eingangs beschriebenen Art anzuge­ ben, bei dem sowohl die Bedingungen während des Laufs verbessert als auch die mit dem Druck im Hubraum zusammen­ hängenden Schwierigkeiten beim Anlauf reduziert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Wenn der Mittelpunkt des Exzenters etwa im Bereich der Neutrallinie des Rotors angeordnet ist und die Neutralli­ nie 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. Infolgedessen ist ein Anlauf auch 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 belast­ bar. 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 Unterstüt­ zung durch den Hubraumdruck. Beim Anlauf aus der zweiten Ruhestellung wird dagegen die Rückwärtsdrehung unter dem Einfluß des Hubraumdrucks verlängert. Bei der an­ schließenden Vorwärtsdrehung steht dann bis zum Erreichen des Umschaltpunktes ein großer Winkel zur Verfügung und der Rotor entwickelt ein so großes Trägheitsmoment, daß die bewegten Teile des Aggregats über die Umschaltzone hinweg getrieben werden.

Der Aufbau nach Anspruch 2 ergibt die einfachste Lösung. Sie führt zu dem geringstmöglichen Platzbedarf.

Wenn der konstruktive Aufbau des Motors der deutschen Offenlegungsschrift 28 06 595 entspricht, empfiehlt sich die Ausgestaltung nach Anspruch 3. Die Lage des Exzen­ ter-Mittelpunkts führt zu dem gewünschten Anlaufverhalten.

Bei einer nach Anspruch 4 gewählten Lage des Exzenter- Mittelpunkts ergibt sich aus beiden Ruhestellungen ein sicherer Anlauf. Außerdem spielen Toleranzen bei der Anbringung des Exzenters an der Motorwelle keine wesent­ liche Rolle.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

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

Fig. 2 das Aggregat der Fig. 1 in der zweiten Ruhestel­ lung,

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 Drehwinkellage des Rotors und

Fig. 6 eine abgewandelte Ausführungsform.

Das Motor-Verdichter-Aggregat der Fig. 1 bis 3 weist jeweils einen Kolbenverdichter 1 und einen Gleichstrom­ motor 2 auf. Der Verdichter besitzt einen Zylinder 3 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 Druck­ leitung verbunden ist, was nicht näher veranschaulicht worden ist. Insbesondere dient der Verdichter als Kom­ pressor in einer Kälteanlage. Der Kolben 4 wird von einer Motorwelle 6 über eine Kurbel 7 und eine Pleuel­ stange 8 angetrieben. Die Achse des Pleuellagers zwi­ schen Kurbel 7 und Pleuelstange 8 bildet den Mittel­ punkt 9 eines Exzenters, der mit der Motorwelle 6 um­ läuft.

Der Motor 2 besitzt einen Stator 10 mit zwei Polen 11 und 12, die je mit einer Erregerwicklung 13 bzw. 14 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 U _B und sind mit ihrem anderen Ende über je ein elektronisches Schalt­ glied 20 bzw. 21 mit dem Nullpunkt 0 verbunden. Die Schaltglieder können Transistoren, Thyristoren, o. dgl. sein. Eine Steuerschaltung 22 sorgt dafür, daß abwech­ selnd das Schaltglied 20 und das Schaltglied 21 lei­ tend werden und zwar in Abhängigkeit von der Drehwin­ kellage des Rotors 16. Zu diesem Zweck weist der Rotor einen sich über 180° auf einem Kreisbogen erstrecken­ den 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 Errei­ chen der Neutrallage erfolgt, in der die Neutrallinien 15 und 19 von Stator und Rotor miteinander über­ einstimmen. 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 Dauermag­ netpol, hier N. Dieser wirkt deart auf den dauermag­ netischen Südpol S des Rotors, daß sich die beiden in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten definierten Ruhe­ stellungen für den Stator 16 ergeben. In der ersten Ruhestellung der Fig. 1 ergibt sich zwischen der Neu­ trallinie 15 des Stators und der Neutrallinie 19 des Rotors ein kleiner Winkel α und in der zweiten Ruhestel­ lung der Fig. 2 ein erheblich größerer Winkel β, der etwa (180 - α) ist. Der Winkel α kann beispielsweise 5 bis 15° betragen.

Die Steuerschaltung 22 ist so ausgebildet, daß sie im ersten Teil der Anlaufphase unabhängig von der Dreh­ winkellage des Rotors 16 für eine vorgegebene Übersteu­ erungszeit den erregbaren Polen 11 und 12 eine vorbe­ stimmte Polarität verleiht. Wegen der Einzelheiten einer solche Steuerung wird auf DE-OS 28 06 595 verwie­ sen. 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 α, 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 Neu­ trallinie 19 um einen Winkel γ versetzt. Der Verset­ zungswinkel soll mindestens 30° betragen. Er liegt in der Regel zwischen 45° und 135°. Bevorzugt ist der Winkelbereich von 60° bis 120°. Am günstigsten sind etwa 90°, wie es die Zeichnung zeigt. Infolge einer solchen Versetzung ergeben sich die nachstehenden bei­ den Vorteile:

• 1. Wie Fig. 4 schematisch zeigt, treten beim Antriebsmo­ ment M _A des Motors 2 im Abstand von 180° Unterbre­ chungen oder Lücken 26 auf. Dies beruht darauf, daß beim Umschalten des Erregerstromes das magne­ tische 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 Antriebs­ moments M _A 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 _V erforderlich, das im Bereich des oberen Totpunkts ein Maximum 27 besitzt, das sich in jeder Periode p einmal wieder­ holt. Dieses Maximum 27 ist um den Winkel γ gegen­ über der Lücke 26 versetzt. Infolgedessen steht im Bereich des oberen Totpunkts das volle Motor-An­ triebsmoment M _A 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 Antriebsmo­ ments M _A hinwegdreht. Beim Anlauf aus der zweiten 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 Drehgeschwin­ digkeit hat, wenn er die Lücke 26 überfährt. Außer­ dem hat der Rotor bis zum Erreichen des Maximums 27 des Verdichtermoments M _V eine so große Geschwin­ digkeit erreicht, daß das Antriebsmoment M _A durch das Trägheitsmoment des Rotors unterstützt wird. Da in beiden Fällen eine Entspannung des Hubraum­ drucks auftritt, bevor der obere Totpunkt zum ersten Mal durchfahren wird, ergibt sich ein sicherer An­ lauf auch dann, wenn der Hubraumdruck noch hoch sein sollte.

In Fig. 5 ist das Haltemoment M _H des nicht erregten Motors 2 veranschaulicht. Die Erhöhung 28 und die gerin­ gere 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 denjengen der Fig. 1 und 2.

Bei der Ausführungsform der Fig. 6 werden für ent­ sprechende Teile um 100 gegenüber den Fig. 1 bis 3 erhöhte Bezugszeichen verwendet. In diesem Fall ist die Neutrallinie 30 des Stators 110 gegenüber der Zylin­ derachse 31 um den Versetzungswinkel γ 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 _V 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 γ 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 (4)

1. Motor-Verdichter-Aggregat, bei dem ein in einem Zylinder beweglicher Verdichterkolben durch einen Exzenter auf der Motorwelle antreibbar ist, wobei als Motor ein Gleichstrommotor mit elektronischer Kommutierung, mit aufgrund der Magnetfeldverteilung zwischen Rotor und Stator definierter Ruhestellung des Rotors und mit nur zwei Statorpolen, die mittels einer einen Drehstellungsfühler aufweisenden Steuer­ vorrichtung in ihrer Polarität umschaltbar sind, vorgesehen ist, und wobei das Lücken aufweisende Drehmoment des Motors dem erforderlichen Verdich­ ter-Antriebsmoment angepaßt ist, dadurch gekenn­ zeichnet,

• a) daß der Drehstellungsfühler (24) so angeordnet ist, daß ein Wechsel des Fühlersignals jeweils kurz vor Erreichen der Neutrallage erfolgt, in der die Neutrallinien (15, 19) von Stator (10) und Rotor (16) übereinstimmen,
• b) daß der Rotor (16) zwei definierte Ruhestellungen hat, die um weniger als 180° gegeneinander ver­ setzt sind,
• c) daß die Steuerschaltung (22) für die Erregung der Statorpole (11, 12) im ersten Teil der An­ laufphase unabhängig von der Drehwinkellage 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 benachbarte Neutrallage und aus der zweiten Ruhestellung um einen größeren Winkel,
• d) daß eine Versetzung zwischen dem Mittelpunkt des Exzenters (19) 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
• e) daß der mindestens 30° und höchstens 150° betra­ gende Versetzungswinkel (γ) so gewählt ist, daß sich eine 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.

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 des Exzenters auf der Motorwelle (6) bewirkt ist.

3. Aggregat, bei dem sich zwischen den Statorpolen ein stationärer Dauermagnetpol befindet, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stationäre Dauermagnetpol so angeordnet ist, daß er der Festle­ gung der beiden definierten Ruhestellungen dient und daß der Mittelpunkt des Exzenters (6) sich auf der Seite des mit dem stationären Dauermagnetpol ungleichnamigen dauermagnetischen Pol (17) des Rotors (16) befindet.

4. Aggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungslinie vom Rotormittelpunkt zum Mittelpunkt des Exzenters mit der Neutrallinie des Rotors einen Winkel von 60° bis 120°, vorzugsweise etwa 90°, einschließt.