DE3810159A1 - Einphasen-synchronmotor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Einphasen-Synchronmotor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Der wachsende Bedarf von Kleinstantrieben im Haushalt, im Kraftfahrzeug und im industriellen Bereich hat ein verstärktes Interesse an neuen Antriebskonzepten zur Folge, wobei permanentmagnetisch erregte Motoren immer stärker in den Vordergrund getreten sind. Einphasen-Synchronmotoren zeichnen sich dabei durch einfache, wenig störanfällige Bauweise aus. Der Anlauf solcher Einphasen-Synchronmotoren mit asymmetrischem Luftspalt erfolgt durch Einschwingen, wobei die Drehrichtung unbestimmt ist. Sie kann jedoch durch geeignete Maßnahmen, wie mechanische Rücklaufsperren oder elektronische Schaltungen, vorherbestimmt werden.

Das Anlaufmoment des Motors hängt stark von dem angekoppelten Trägheitsmoment und der Belastung ab. Im netzsynchronen Betrieb arbeitet ein solcher Motor mit gutem Wirkungsgrad.

Kann die Belastung beim Anlauf nicht klein genug gehalten werden, wie dies z.B. bei Lüftern der Fall ist, so wird häufig eine Anlaufkupplung vorgesehen, welche die Last erst nach Hochlauf an den Motor ankuppelt. Zur Vermeidung von solchen Anlaufkupplungen ist es bereits bekannt, den Permanentmagnetrotor zweiteilig aus einem freidrehend auf der Rotorwelle sitzenden, synchron mit dem Statorfeld rotierenden Rotorinnenteil, der die Permanentmagnete trägt, und aus einem im Luftspalt zwischen Rotorinnenteil und Stator angeordneten, elektrisch leitfähigen Rotoraußenteil auszubilden, der drehfest mit der Ankerwelle verbunden ist (DE-OS 34 00 018). Nach dem Einschalten des Statorfeldes kann der Rotorinnenteil ungehindert von der an der Antriebswelle angreifenden Last Drehschwingungen ausführen, bis die Beschleunigung ausreicht, daß der Rotorinnenteil netzsynchron umläuft. Beim Rotieren des Rotorinnenteils wird nunmehr ein Drehfeld erzeugt, welches in dem Rotoraußenteil Ströme induziert und dieses in Drehung versetzt. Der Rotoraußenteil läuft asynchron mit einem von der Last abhängigen Schlupf in dem von dem Rotorinnenteil erzeugten Drehfeld um. Die eigentliche Betriebsweise des Motors ist damit eine asynchrone, so daß wegen der im Asynchronbetrieb aufgenommenen Blindleistung der Wirkungsgrad gegenüber der synchronen Betriebsweise abnimmt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Einphasen-Synchronmotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, als echter Synchronmotor die Vorteile des wesentlich besseren Wirkungsgrades beizubehalten und zugleich einen von der angekuppelten Last oder dem angekuppelten Trägheitsmoment unabhängigen Anlauf sicherzustellen. Durch die erfindungsgemäße Anlaufhilfe aus freidrehendem Permanentmagnet-Hilfsrotor und Kupferzylinder wird der Anwendungsbereich des Synchronmotors hin zu größeren Last-, Trägheits- und Reibmomenten erweitert, wobei selbstverständlich das maximal zulässige Moment durch das Kippmoment des Motors bestimmt ist.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Einphasen-Synchronmotors möglich.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Einphasen- Synchronmotors,

Fig. 2 einen Querschnitt von Stator und Rotor des Synchronmotors gemäß Schnittlinie II-II in Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in Fig. 1 im Längsschnitt zu sehende Einphasen- Synchronmotor weist einen von einem elektrischen Wechselfeld elektromagnetisch erregten Stator 10 und einen im Stator 10 rotierenden Permanentmagnet-Rotor 11 auf. Der hier zweipolig ausgebildete Rotor 11 sitzt drehfest auf einer Rotorwelle 12, die in zwei Drehlagern 13, 14 eines Stator 10 und Rotor 11 umschließenden Gehäuses 15 gehalten ist. Der in bekannter Weise als Statorblechpaket 16 ausgebildete Stator 10 ist dabei im Gehäuse 15 befestigt.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, weist das Statorblechpaket 16 einen im wesentlichen U-förmigen Blechschnitt mit zwei parallelen Schenkeln 161 und 162 und einem die Schenkel 161,162 verbindenden Steg 163 auf. Nahe ihrem freien Ende sind die Schenkel 161 und 162 mit einer asymmetrischen Auswölbung 17 bzw. 18 versehen. Die beiden Auswölbungen 17, 18 sind punktsymmetrisch ausgebildet. Sie bilden zusammen mit dem Permanentmagnet-Rotor 11 in bekannter Weise jeweils einen asymmetrischen Luftspalt 19, 20 zur Erzeugung eines Anlaufmoments beim Anschalten des Statorfeldes. Das Statorfeld wird von einer Erregerwicklung 26 erzeugt, die von einem Wechselstrom durchflossen wird. In bekannter Weise ist die Erregerwicklung 26 auf zwei Erregerspulen 27, 28 aufgeteilt, die jeweils auf einem Spulenkörper 29, 30 aufgewickelt sind. Jeweils ein Spulenkörper 29 bzw. 30 ist auf einen Schenkel 161 bzw. 162 des Statorblechpakets 16 aufgeschoben.

Mit geringem axialen Abstand vom Rotor 11 ist auf der Rotorwelle 12 ein permanentmagnetischer Hilfsrotor 21 angeordnet, der frei drehbar auf der Rotorwelle 12 sitzt. Der Hilfsrotor 21 weist die gleiche Polpaarzahl auf wie der Rotor 11 und ist vorzugsweise aus gleichen magnetischen Materialien hergestellt. Der Hilfsrotor 21 wird mit geringem Abstand von einem Kupferzylinder 22 umgeben, der auf der einen Stirnseite des Hilfsrotors 21 zu einem Becher ausgeformt ist und mit einer koaxialen Öffnung im Becherboden 23 die Rotorwelle 12 drehfest umgreift. Dadurch ist der Kupferzylinder 22 drehfest auf der Rotorwelle 12 gehalten und läuft mit dieser synchron um. Die axiale Unverschiebbarkeit von Hilfsrotor 21 und Kupferzylinder 22 ist ebenso sichergestellt wie die axiale Unverschiebbarkeit des Rotors 11 auf der Rotorwelle 12.

Hilfsrotor 21 und Kupferzylinder 22 sind in einem Hilfsstator 24 angeordnet, der von einem separaten Blechpaket 25 gebildet wird, das in gleicher Weise aufgebaut sein kann wie das Statorblechpaket 16 und im Gehäuse 15 gehalten ist. Die axiale Länge des Blechpaketes 25 ist jedoch entsprechend der wesentlich geringeren axialen Länge von Hilfsrotor 21 und Kupferzylinder 22 im Vergleich zum Rotor 11 wesentlich kleiner als die axiale Länge des Statorblechpaketes 16. Wesentlich ist, daß die Luftspalte zwischen Hilfsrotor 21 und Blechpaket 25 asymmetrisch ausgebildet sind, damit der Anlauf des Hilfsrotors 21 beim Einschalten des Statorfeldes gewährleistet ist. Die Erregung des Hilfsstators 24 kann von dem Erregerfeld des Stators 10 abgeleitet werden, jedoch kann der Hilfsstator 24 auch mit einer separaten Erregerwicklung versehen werden.

Die Wirkungsweise des beschriebenen Einphasensynchronmotors ist wie folgt:

Nach dem Anlegen einer Wechselspannung an die Erregerwicklung 26 entsteht ein in Fig. 1 und 2 vertikal gerichtetes magnetisches Wechselfeld. Da der Rotor 11 und der Hilfsrotor 21 in der Ruhelage sich so ausrichten, daß ihr permanentmagnetisches Feld gegenüber dem magnetischem Wechselfeld verdreht ist, wird nach Einschalten des Statorfeldes der auf der Rotorwelle 12 frei drehende Hilfsrotor 21 ungehindert Drehschwingungen ausführen, solange, bis die Beschleunigung ausreicht, daß er netzsynchron umläuft. Bei einer - wie hier zweipoligen - Bauweise von Hilfsrotor 21 und einer Netzfrequenz von 50 Hz des Stromes in der Erregerwicklung 26 sind dies 3000 U/min. Beim Drehen des Permanentmagnet- Hilfsrotors 21 wird nun ein Drehfeld erzeugt, welches in dem Kupferzylinder 22 Ströme induziert und diesen in Drehung versetzt. Da der Kupferzylinder 22 mit der Rotorwelle 12 fest gekoppelt ist, auf der wiederum drehfest der Rotor 11 sitzt, wird der Rotor 11 auf eine gewisse Drehzahl beschleunigt und kann schließlich in Tritt fallen mit dem synchron umlaufenden Statorfeld. Der Rotor 11 läuft nunmehr synchron und treibt die an der Rotorwelle 12 angekuppelte Last. Da der Anlauf des Rotors 11 von dem Hilfsrotor 21 bewirkt wird und dieser nicht mit der Last gekoppelt ist, kann der Anwendungsbereich des Synchronmotors damit auf Antriebe mit größeren Trägheits- und Reibmomenten erweitert werden.

In Abänderung des beschriebenen Einphasen-Synchronmotors kann der Luftspalt 19, 20 zwischen Rotor 11 und Stator 10 symmetrisch ausgebildet werden. Dies ergibt einen vereinfachten Blechschnitt des Statorblechpakts 16 und reduziert die Fertigungskosten. Der Rotor 11 bringt zwar nunmehr kein unterstützendes Anlaufmoment mehr auf, doch reicht im allgemeinen die Anlaufhilfe durch den Hilfsrotor 21 für einen sicheren Anlauf des Motors aus.

Claims (3)

1. Einphasen-Synchronmotor mit einem durch ein elektrisches Wechselfeld elektromagnetisch erregten Stator und einen auf einer Rotorwelle drehfest sitzenden, im Statorfeld rotierenden Permanentmagnet-Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rotorwelle (12) ein vom Statorfeld mittel- oder unmittelbar durchsetzter permanentmagnetischer Hilfsrotor (21) freidrehend angeordnet ist und daß der Hilfsrotor (21) mit geringem Abstand von einem koaxialen Zylinder (22) aus elektrisch leitendem Material umgeben ist, der mit der Rotorwelle (12) drehfest verbunden ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsrotor (21) mit axialem Abstand vom Rotor (11) auf der Rotorwelle (12) angeordnet ist und daß Hilfsrotor (21) und Zylinder (22) unter Belassung entsprechender Luftspalte in einem separaten Hilfsstator (24) angeordnet sind.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (22) aus Kupfer besteht.