DE4102263A1 - Einphasen-reluktanz-elektromotor mit lichtschrankensteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Einphasen-Elektronikmotor, dessen Statorstrom vom Rotor gesteuert durch einen Leistungshalb­ leiter im Drehwinkelbereich mit Drehmomentbildung eingeschal­ tet wird.

Motoren der betreffenden Gattung werden zum Antrieb von Ge­ bläsen, von Pumpen, von Mischern, von Aufspuleinrichtungen usw. gebraucht, also von technischen Einrichtungen, die gegen ihr Trägheitsmoment anlaufen müssen und bei denen lange, wartungsfreie Betriebszeit gefordert wird, weshalb Motoren mit Stromwender und Kohlebürsten nicht geeignet sind. Solche Motoren für Sauggebläse müssen mit Drehzahlen von etwa 300/s laufen. Für die übrigen Einsatzzwecke genügen in vielen Fällen Motoren, die der Netzfrequenz entsprechend mit 50/s laufen. Dabei ist es häufig notwendig oder vorteilhaft, eine genaue Drehzahl, nämlich die Synchrondrehzahl einzuhalten, weshalb Spaltpolmotoren oder Kondensatormotoren nicht geeignet sind.

Motoren dieser Gattung sollen an Einphasen-Wechselstrom ange­ schlossen werden, weil der allgemein zur Verfügung steht.

Für die Einsatzzwecke als Synchronmotor wären Hysteresemotoren dann geeignet, wenn sie einen ausreichenden Wirkungsgrad hätten. Für die genannten Einsatzzwecke sind Motoren mit höherem Wirkungsgrad vorgeschlagen worden, bei denen steuernde Halbleiter am Rotor angeordnet sind (Offenlegungsschrift DE 38 15 737 A1) oder bei denen Steuerpole am Stator angeord­ net sind (Deutsche Patentanmeldungen P 40 03 455.0 und P 40 12 561.0).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad solcher Motoren noch weiter zu verbessern und für die schnell­ laufende Ausführung die erreichbare Drehzahl zu erhöhen, auch ohne Frequenzumrichter einsetzen zu müssen und damit die Kosten wesentlich zu senken. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Motor vorzuschlagen, der mit gleichen mecha­ nischen Bauteilen, nur mit unterschiedlicher Elektronik, sowohl als schnellaufender Motor mit Drehzahlen weit über der Synchrondrehzahl, wie auch als selbsthochlaufender Syn­ chronmotor ausgeführt werden kann, um die Kosten für die Fertigungseinrichtungen und die Hertstellung über höhere Stück­ zahlen zu senken. Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung, den Stator und den Rotor mit der Motorblechgestaltung ausschließ­ lich auf hohe Drehmomenterzeugung auszurichten und dazu die Steuerung räumlich getrennt anzuordnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Statorstrom durch einen Leistungshalbleiter nur in den Dreh­ winkelbereichen des Rotors eingeschaltet wird, in denen ein hohes Drehmoment erzeugt wird, wobei die Steuerelektrode dieses Leistungshalbleiters mittels eines Fotohalbleiters gesteuert wird, indem mit dem Rotor eine Blendenscheibe mit zwei Fensteröffnungen rotiert, welche den von einer Licht­ quelle, vorzugsweise Infrarot-Sende-LED erzeugten Lichtstrom drehwinkelabhängig freigibt, bzw. abdeckt, wobei der Rotor ein Reluktanzrotor mit einem Schenkelpolpaar ohne Wicklung oder Kurzschlußkäfig ist.

Wenn der Motor als selbsthochlaufender Synchronmotor einge­ setzt werden soll, wird als Leistungshalbleiter ein Thyristor verwendet. Die Blendenscheibe weist in diesem Falle sich nur über einen kleinen Drehwinkel von etwa 10 bis 20 Grad erstreckende Fensteröffnungen auf, weil der Thyristor nur eingeschaltet werden muß und sich selbsttätig ausschaltet, wenn der Phasenstrom Null ist. Der Rotor stellt sich so ein, daß er in diesem Zeitpunkt größte Polüberdeckung hat, womit sich Synchrondrehzahl ergibt.

Der Motor wird an Netzwechselspannung angeschlossen. Der Thyristor schaltet nur bei positiver Halbwelle ein. Wenn das Lastmoment im Verhältnis zum erzeugten Drehmoment sehr hoch ist, stellt sich eine Drehzahl von n=f/2 ein, sonst von n=f.

Wenn der Motor mit hohen Drehzahlen eingesetzt werden soll, die denen eines Universalmotors entsprechen, wird als Lei­ stungshalbleiter ein Transistor verwendet. Die Blendenscheibe erhält in diesem Fall Fensteröffnungen, die über einen Dreh­ winkel von etwa 50 bis 80 Grad offen sind, weil der Tran­ sistor nur so lange eingeschaltet ist, wie durch seine Steuer­ elektrode Steuerstrom fließt. Wenn der Motor an gleichgerich­ teten Wechselstrom angeschlossen wird, steigt seine Drehzahl, bis das Lastmoment das erzeugte Drehmoment erreicht.

Weil der Motor nur anlaufen kann, wenn der Rotor mit der Blendenscheibe in einem Drehwinkel steht, in dem Licht auf den Fotohalbleiter fällt, ist am Stator ein vorzugsweise kleiner Permanentmagnet so angeordnet, daß er den Rotor beim Auslauf in einer für den Anlauf günstigen Stellung stoppt und festhält.

Erfindungsgemäße Motoren können mit einem oder mehreren Sta­ torpolpaaren ausgeführt sein. Dabei stellt sich, wie auch von anderen Motorarten her bekannt ist, eine Synchrondrehzahl von Frequenz geteilt durch Polpaaranzahl ein. Bei der schnell­ laufenden Ausführung mit Transistor als Leistungshalbleiter erhöht sich dagegen mit der Polpaaranzahl das Drehmoment, was bei gleichbleibendem Lastmoment zu höherer Drehzahl führt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in der elektronischen Schaltung als solche bekannte Mittel ausge­ führt, die den Strom, der durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors fließt, dadurch begrenzt, daß die Basis des Transistors entsprechend gesteuert wird. Mit einer solchen Strombegrenzung muß der Transistor nicht für den Anlaufstrom ausgelegt sein, der wesentlich höher als der Betriebsstrom ist, weil bei den noch kleinen Drehzahlen der Transistor jeweils längere Zeit eingeschaltet ist, wodurch der induktive Widerstand der Statorwicklung sich weniger auswirkt.

Wenn ein selbstanlaufender Synchronmotor mit hoher oder sehr hoher Drehzahl gebraucht wird, kann der erfindungsgemäße Motor mit Thyristor an einen Frequenzumrichter angeschlossen werden, wobei er den Kostenvorteil mit sich bringt, daß bei diesem Frequenzumrichter Einphasenausführung mit Blockspan­ nung, d. h. einfachste Ausführung ausreicht.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in der elektronischen Schaltung Mittel vorgesehen, die nach dem Einschalten einen einmaligen Einschaltimpuls zur Steuerelek­ trode des Leistungshalbleiters leiten, womit der Anlauf des Motors eineleitet oder unterstützt wird. Diese elektronischen Mittel können in als solcher bekannten Weise eine Kombination von Kondensator und Widerstand sein.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Foto­ halbleiter, für den vorzugsweise ein Fototransistor verwendet wird, in als solcher bekannten Weise durch eine weitere Tran­ sistorstufe verstärkt, wodurch auch der Ersatz des Fototran­ sistors durch eine Fotodiode möglich wird.

Der Lichtstrom wird in einer weiteren Ausgestaltung der Er­ findung durch eine Glimmlampe erzeugt, womit eine weitere Vereinfachung der Schaltung und Unterstützung des Synchron­ laufes erreicht werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist als Lei­ stungshalbleiter ein Leistungs-Feldeffekt-Transisitor einge­ setzt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Stator als Innenstator mit einem oder mehreren Polpaaren und der Rotor als Reluktanz-Außenrotor mit einem Polpaar ausgeführt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Reluk­ tanzrotor aus kreisrunden Blechen gebildet, die zur Erzeugung der Schenkelpolform mit Ausschnitten versehen sind, wobei die Kreisbogenstege so schmal sind, wie es die Stanztechnik erlaubt. An den beiden axialen Rotorenden sind kreisrunde Bleche ohne Ausschnitte montiert. Mit dieser Ausgestaltung werden Geräusche vermindert, welche sonst von den Kanten des Schenkelpolrotors erzeugt werden. Als Ergänzung oder als Ersatz dieser geräuschmindernden Maßnahme können die Statorpollücken mit zylindrischen oder mit zylinderschalen­ förmigen Teilen so ausgefüllt werden, daß der Stator den Rotor radial zylindrisch zumindest weitgehend glatt um­ schließt. Diese, einen Zylinder bildenden Teile bestehen vorzugsweise aus Kunsttsoff.

Je ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Synchronmotor sowie als schnellaufender Motor ist im folgenden in Zeich­ nungen dargestellt und beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 Eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Motor mit einem Statorpolpaar.

Fig. 2 Eine Draufsicht auf eine Blendenscheibe mit Licht­ schranke.

Fig. 3 Eine Seitenansicht einer Blendenscheibe mit Licht­ schranke.

Fig. 4 Eine elektronische Schaltung für einen erfindungs­ gemäßen Synchronmotor mit Thyristor.

Fig. 5 Eine elektronische Schaltung für einen erfindungs­ gemäßen schnellaufenden Motor mit Transistor.

Fig. 6 Einen Reluktanzrotor in geräuscharmer Ausführung.

In Fig. 1 stellen dar: 1 Stator, 2 Statorwicklungen, 3 Reluktanzrotor, 4 Rotorwelle, 5 Permanentmagnet.

Der Reluktanzrotor 3 ist in einer Anlaufdrehstellung darge­ stellt, in der er durch den Permanentmagneten 5 gehalten wird.

In Fig. 2 stellen dar: 4 Rotorwelle, 6 Blendenscheibe mit 7 Fensteröffnungen, 8 Lichtschranke.

Die Blendenscheibe 6 mit Fensteröffnungen 7 ist in einer Anlaufstellung dargestellt.

In Fig. 3 stellen dar: 4 Rotorwelle, 6 Blendenscheibe, 8 Lichtschranke mit 9 Licht­ quelle z. B. IR-Sende-LED und mit 10 Fototransistor.

In Fig. 4 sind dargestellt: Statorwicklungen 2, Thyristor 11 mit Diag 12, Fototransistor 9, der mit der Sende-LED 10 die Lichtschranke 8 bildet. Vorwiderstand 15 ist für die Sende-LED 10 notwendig. Der Trafo 16 liefert die für die Lichtschranke 8 erforderliche Klein-Spannung, die mit der Diode 17 gleichgerichtet wird. Der Trafo 16 kann durch andere Mittel wie Spannungsteiler oder Kondensator ersetzt werden. Anstelle der Diode 17 ist auch ein Vierweggleichrichter, wie in Fig. 5 mit 29 darge­ stellt, einsetzbar. Durch die Diode 18 wird der Strom durch den Fototransistor 9 zum Minusanschluß des Trafos 16 zurück­ geleitet, sie ist nur zum besseren Verständnis dargestellt und kann durch eine Verbindungsleitung ersetzt werden. Mit Nummer 13 ist die Freilaufdiode bezeichnet.

In Fig. 5 sind dargestellt, wobei nur die von Fig. 4 abwei­ chenden Einzelheiten beschrieben werden: Der Vierweggleichrichter 19 formt den Wechselstrom für den Transistor 20 in pulsierenden Gleichstrom um. Der Kondensa­ tor 21 kann zu dessen Glättung eingesetzt werden. Widerstand 22, Kondensator 23 und Diode 24 dienen in bekannter Weise zur Übersteuerung beim Einschalten und zur Vergrößerung des Ausräumfaktors für den Transistor 20. Diode 25 und Widerstand Nummer 26 dienen in bekannter Weise zum Freilauf für den induktiven Ausschaltstrom der Statorwicklung 2. Der Varistor 27 schützt den Transistor 20 in bekannter Weise gegen zu hohe Sperrspannungen. Der Kondensator 28 kann zur Glättung der pulsierenden Gleichspannung aus dem Vierweggleichrichter Nummer 29 eingesetzt werden.

In Fig. 5 stellen Diode 30 mit Widerstand 31 ein Beispiel von mehreren bekannten Möglichkeiten dar, einen zu hohen Strom durch den Transistor 20 zu verhindern, weil mit dem Strom durch die Statorwicklung 2 dort auch der Spannungsabfall ansteigt, damit wird der Basisstrom und mit ihm der Kollektor­ strom im Transistor 20 vermindert.

In Fig. 4 und 5 sind mit der Strichlinie 32 die elektronischen Mittel zusammengefaßt, die je Statorpolpaar erforderlich sind.

In Fig. 6 sind dargestellt: Reluktanzrotor 33 in geräuscharmer Ausführung mit Ausschnitten 34, wobei eine Deckscheibe nicht dargestellt ist, sowie Welle 4.

Claims (8)

1. Elektronisch gesteuerter Elektromotor für Einphasenan­ schluß, bei dem der Strom durch die Statorwicklung durch einen Leistungshalbleiter im Drehwinkelbereich mit hoher Drehmomentbildung eingeschaltet wird, gekennzeichnet durch die Kombination eines Reluktanzrotors, der ein Schenkel­ polpaar aufweist und einer Lichtschrankensteuerung für die Steuerelektrode des Leistungshalbleiters, sowie einer Blendenscheibe auf der Rotorwelle.

2. Elektronisch gesteuerter Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Thyristor als Leistungshalbleiter und eine elek­ tronische Schaltung für den Anschluß an Netzwechselspannung oder an einen Frequenzumrichter, wodurch sich Synchron­ drehzahl einstellt.

3. Elektronisch gesteuerter Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Transistor als Leistungshalbleiter und eine elek­ tronische Schaltung für den Anschluß an Netzwechselspannung über einen Vierweggleichrichter oder für den direkten Anschluß an Gleichspannung, sowie einen elektronischen Schaltungsteil, der die Höhe des durch den Transistor fließenden Stromes mittels Änderung des Basisstromes am Transistor begrenzt.

4. Elektronisch gesteuerter Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Stator mit einem oder mehreren Polpaaren und den für jedes Statorpolpaar erforderlichen Teil der elektroni­ schen Schaltung, wobei der Stator als Außenstator mit einem lnnenrotor oder als lnnenstator mit einem Außen­ rotor ausgeführt ist und der Rotor immer ein Polpaar aufweist.

5. Elektronisch gesteuerter Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Lichtschranke für jedes Statorpolpaar, die durch eine lichtemittierende Sende-Diode vorzugsweise im Bereich der Infrarotstrahlung oder durch eine Glimmlampe sowie durch einen Fototransistor oder eine Fotodiode erforder­ lichenfalls zusammen mit einer Transistor-Verstärkerstufe gebildet wird, wobei mehrere Lichtschranken zu einer Baueinheit zusammengefaßt sein können.

6. Elektronisch gesteuerter Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen vorzugsweise kleinen Permanentmagneten am Stator, der den Schenkelpol-Reluktanzrotor beim Auslauf in einer Drehwinkelstellung stoppt und festhält, die für den An­ lauf günstig ist.

7. Elektronisch gesteuerter Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Reihenschaltung eines Kondensators und eines Widerstan­ des zwischen Pluspol und Minuspol der Steuerspannung, zwischen denen nach jedem Einschalten ein einmaliger Ein­ schaltimpuls auf die Steuerelektrode des Leistungshalblei­ ters mittels fester Verbindungsleitung abgegriffen wird, wobei der Kondensator mit einem Entladewiderstand über­ brückt ist.

8. Elektronisch gesteuerter Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Reluktanzrotor, der aus kreisförmigen Blechen be­ steht, wobei die Schenkelpolform durch Ausschnitte gebildet wird, die schmale Kreisringstücke bilden und/oder eine Auskleidung des Stators mittels zylindrischer oder zylin­ derschalenförmiger Teile, vorwiegend aus Kunststoff, so daß der Stator den Rotor radial zumindest weitgehend glatt umschließt.