DE68918373T2

DE68918373T2 - Entwurf eines umkehrbaren Motors mit einem ständig angeschlossenen Phasenverschiebungskondensator mit hoher Umkehrwiederholungsfähigkeit.

Info

Publication number: DE68918373T2
Application number: DE68918373T
Authority: DE
Inventors: Alan Robert Barker
Original assignee: Emerson Electric Co
Current assignee: Emerson Electric Co
Priority date: 1988-08-02
Filing date: 1989-03-13
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2009-03-14
Also published as: US4886990A; NO177690C; IN171806B; EP0354155B1; ES2059812T3; DK147989D0; EP0354155A3; NO177690B; NO890954L; JPH0246148A; AU610708B2; EP0354155A2; NZ228570A; NO890954D0; BR8901066A; AU3173389A; DE68918373D1; KR900003469A; CA1312903C; DK147989A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Konstruktion eines umsteuerbaren Einphasenmotors mit Kondensator für Anlauf und Betrieb (permanent split capacitor oder PSC motor) und insbesondere auf einen umsteuerbaren PSC-Motor, der in einem Antriebssystem für einen Beweger einer automatischen Waschmaschine Anwendung findet. Die Erfindung wird zwar mit besonderen Einzelheiten in bezug auf diesen Anwendungsfall beschrieben, der Fachmann wird jedoch die breitere Anwendbarkeit der im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Prinzipien erkennen.
PSC-Motoren werden bereits seit langer Zeit zum Antreiben von Waschmaschinen benutzt. Die Motoren selbst sind nahezu seit der Geburt der Induktionsmotoren bekannt.
Ebenso sind Waschmaschinen nicht neu. Über die Jahre sind viele Versuche gemacht worden, die Antriebsmechanismen zu vereinfachen, die benutzt werden, um den Beweger sowie den Schleuder- und Waschkorb von automatischen Waschmaschinen anzutreiben. Viele Motortypen sind für diesen Zweck benutzt worden, einschließlich sowohl Induktionsmotoren als auch Gleichstrommotoren verschiedener Konstruktionen. In jüngerer Zeit sind zur Verwendung in Waschmaschinen bürstenlose Permanentmagnetmotoren und elektronisch gesteuerte Motoren vorgeschlagen worden, die ungewöhnliche Wicklungskonfigurationen in Form von Wicklungsstufen haben, vgl. z.B. das US- Patent Nr. 4 390 826 von Erdman et al. Motoren, die Wicklungsstufen haben, sind in der Fertigung teuer und in der Steuerung schwierig. Das heißt, sie erfordern für den Betrieb eine teuere und ausgeklügelte elektronische Steuerschaltungsanordnung. Herkömmliche bürstenlose Permanentmagnetmotoren, bei denen herkömmliche Wicklungen benutzt werden, im Gegensatz zu den Stufen, die z.B. in dem Erdman-Patent benutzt werden, sind zwar bereits seit langem für den Einsatz in Waschmaschinen vorgeschlagen worden, sie verlangen jedoch ebenfalls für den Betrieb eine relativ komplizierte Steuerschaltungsanordnung.
Bei dem Motor und dem Verfahren der im folgenden beschriebenen Konstruktion wird ein speziell aufgebauter umsteuerbarer Einphasenmotor mit Kondensator für Anlauf und Betrieb benutzt, der in der Lage ist, 120-mal pro Minute umzusteuern, um die Hin- und Herbewegung für eine Waschmaschine zu erzeugen. Zum Erzielen dieser hohen Umsteuerbarkeit müssen zahlreiche Entwurfskriterien erfüllt werden. Die Kriterien könnten nach meinem Wissen mit herkömmlich aufgebauten PSC-Motoren nicht erfüllt werden.
Bei jedem PSC-Motor, bei dem das Umsteuern wichtig ist, muß die Läuferträgheit so niedrig wie möglich gehalten werden, so daß der Läufer nicht die Tendenz entwickelt, sich in der Anfangsdrehrichtung wie ein "Schwungrad" zu verhalten, statt umzusteuern, wie es der Einsatzzweck verlangt. Der Motor darf auch kein Drehmoment im dritten Quadranten haben. Das bedeutet, daß der Motor, wenn er in einer negativen Geschwindigkeitsart läuft, kein negatives Drehmoment entwickeln darf. Wenn ein negatives Drehmoment während des Betriebes entwickelt wird, kann der Motor bei Umschaltung der Stromanschlüsse nicht umsteuern. Am wichtigsten ist, daß der Motor äquivalente elektrische und mechanische Ausgangsleistungen in beiden Richtungen liefern muß. Die Waschmaschinenleistungskennlinie hängt notwendigerweise von einer im wesentlichen gleichwertigen Motorausgangsleistung in jeder Drehrichtung ab, um der Waschmaschine zu ermöglichen, gleiche Waschbewegungen in jeder Richtung der Motordrehung zu erzeugen.
Es dürfte klar sein, daß der relevanteste Faktor bei der Bestimmung der Läuferträgheit das Läufergewicht ist. Das Läufergewicht steht in direkter Beziehung zu dessen Gesamtdurchmesser. Wenn jedoch der Läuferdurchmesser zu klein ist, dann ist der Motor nicht in der Lage, ausreichend Drehmoment für verschiedene Antriebszwecke allgemein und beim Einsatz in einer Waschmaschine insbesondere zu entwickeln. Andererseits, wenn eine Konstruktion mit größerer Bohrung oder größerem Durchmesser benutzt wird, ist es schwierig, ein Drehmoment im vierten Quadranten zum Überwinden der Trägheit zu erzielen. Unter herkömmlichen Motorentwurfskriterien wird der Motorsekundärwiderstand, d.h. der Widerstand des Läufers so gewählt, daß er kleiner als die oder gleich der Gesamtständerimpedanz ist. Bei dem im folgenden beschriebenen Motorentwurf wird ein Läufer mit hohem Widerstand benutzt. Der Sekundärwiderstand, d.h. der Widerstand des Läufers ist in der bevorzugten Ausführungsform etwa das 1,4-fache der Impedanz des Ständers. In jedem Fall liegen akzeptable Widerstände in einem Bereich zwischen dem 1,25- und dem 1,55-fachen der Impedanz des Ständers. Die im folgenden beschriebene Motorkonstruktion erfüllt gewisse Entwurfskriterien, die mit herkömmlichen Techniken nicht erreichbar sind. Erstens, sie ermöglicht, daß das Drehmoment bei festgebremstem Läufer in jeder Richtung der Motordrehung hoch bleibt, d.h. etwa 60% des Kippmoments. Sie gewährleistet außerdem, daß kein Drehmoment im dritten Quadranten erzeugt wird. Ich habe herausgefunden, daß, wenn die Konstruktionen von umsteuerbaren PSC-Motoren von diesen Verhältnissen abweichen, das Ergebnis eine Motorkonstruktion ist, die entweder zuviel kostet oder nicht in der Lage ist, das Erfordernis einer augenblicklichen Umsteuerbarkeit oder eines Spitzendrehmoments für den besonderen Verwendungszweck zu erfüllen.
Das herkömmliche Verfahren zum Herstellen eines vierpoligen umsteuerbaren PSC-Motors besteht darin, für den Motorständer zwei Wicklungen zu benutzen, die gleiche Windungszahlen und Drahtgrößen haben. Die Wicklungen werden dann 90 elektrische Grad (45 mechanische Grad) auseinander in einem geeigneten Ständerblechlamellenentwurf plaziert. Ein Kondensator wird zwischen den beiden Wicklungen plaziert, und Strom wird der einen oder anderen Seite der Wicklung/Kondensator-Konfiguration zugeführt. Der funktionale Gebrauch jeder Wicklung hängt davon ab, welcher Seite des Kondensators Strom zugeführt wird. Bei einer Schaltungsmethode dient die erste Wicklung als Motorhauptwicklung, und die zweite Wicklung dient als Hilfswicklung. Bei Umsteuerung werden die Wicklungsfunktionsaspekte ebenfalls umgekehrt. Gleiche Wicklungswindungen bedeutet, daß das Windungszahlverhältnis oder K-Verhältnis der Wicklungen, das üblicherweise als die Zahl der effektiven Hilfswicklungswindungen dividiert durch die Zahl der effektiven Hauptwicklungswindungen definiert ist, eins beträgt.
Eine Alternative zu dem K-Verhältnis eines Entwurfes ist im folgenden beschrieben und wird als offene Dreieckschaltung bezeichnet. Bei der offenen Dreieckschaltung ist ein Ständer mit drei Wicklungen bewickelt, die um 60 elektrische Grad versetzt sind. Typisch haben alle drei Wicklungen dieselben Windungszahlen und Drahtgrößen. In einer Richtung dient eine der Wicklungen als Hauptwicklung, während die Kombination aus den anderen beiden Wicklungen und dem Kondensator als Hilfswicklung dient. In der umgekehrten Richtung dient die dritte Wicklung als die Hauptwicklung, während die übrigen beiden Wicklungen und der Kondensator als Hilfswicklung dienen. Das resultierende K-Verhältnis beträgt bei diesem Entwurf 1,732. Weil das K-Verhältnis größer als eins ist, kann in der offenen Dreieckschaltung ein kleinerer Kondensator benutzt werden als in der Anordnung mit gleichem Windungszahlverhältnis. Die gesamten Motorkosten können niedriger sein, weil es möglich ist, den kleineren Kondensator zu benutzen.
Im allgemeinen ist es kostengünstiger, Ständerblechlamellen zu entwerfen, die Silhouetten entweder in Quadrat- oder in anderen Parallelogrammformen haben. Unter einem Fertigungsgesichtspunkt können diese Formen mit weniger Abfall bei dem Blechlamellenfertigungsvorgang gefertigt werden. Ich habe herausgefunden, daß es bei einer quadratischen Blechlamellenkonstruktion wichtig ist, daß die Blechlamelle so entworfen und die Wicklungsplazierung so gewählt wird, daß jede Wicklung etwa identische Mengen an Blechlamellenmaterial steuert, so daß die elektrische Leistung in jeder Richtung des Motorbetriebes gleich ist. Wenn gemäß den hier beschriebenen Prinzipien entworfen wird, ist das Ergebnis ein billiger, äußerst effizienter, eine geringe Größe aufweisender und einfach zu fertigender Motor, der besonders geeignet ist, in dem Antriebssystem einer Waschmaschine eingesetzt zu werden.
Eines der Ziele der Erfindung ist es, einen billigen umsteuerbaren PSC-Motor zu entwerfen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen billigen PSC- Motor zu entwerfen, der in einem Antriebssystem für eine Waschmaschine einsetzbar ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen umsteuerbaren PSC-Motor zu schaffen, der einen Läufer mit hohem Widerstand hat, so daß kein Drehmoment im dritten Quadranten während des normalen Motorbetriebes entwickelt wird.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen umsteuerbaren PSC-Motor zu schaffen, der wenigstens eine Quadrat- oder andere allgemeine Parallelogrammform für die Blechlamellensilhouette aufweist.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Blechlamellenkonstruktion zu schaffen, die Wicklungsaufnahmenuten hat, welche in den Blechlamellen gebildet sind, wobei deren Anzahl und Anordnung in Kombination mit der Motorwicklungsplazierung dafür ausgebildet ist, gleiche maximale Flußdichten in jeder Richtung der Motordrehung zu liefern.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen umsteuerbaren PSC-Motor zu schaffen, bei dem höhere Umsteuergeschwindigkeiten und eine bessere Motorleistung im Einsatz erzielt werden als bei bislang dafür bekannten umsteuerbaren PSC-Motoren.
Gemäß der Erfindung werden diese Ziele erreicht durch einen umsteuerbaren Einphasenmotor mit Kondensator für Anlauf und Betrieb, mit:
einer Ständerbaugruppe, die ein Blechpaket aufweist, das insgesamt eine Parallelogrammsilhouette hat, wobei das Blechpaket aus einer Vielzahl von Ständerblechlamellen aufgebaut ist, wobei jede Blechlamelle die Silhouette hat, wobei das Blechpaket eine zentrale Öffnung hat, die eine Läuferaufnahmebohrung bildet, und eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Aufnahmen, die sich in die Bohrung öffnen und Wicklungsaufnahmenuten bilden, wobei die Nuten eine Vielzahl von Zähnen bilden, deren radiale innere Ausdehnung die Bohrung begrenzt, und Wicklungen in den Nuten, wobei die Wicklungen wenigstens eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung umfassen, die jeweils umfangsmäßig beabstandete Unterteilungen haben, wobei die Wicklungen elektrisch so verbindbar sind, daß die erste Wicklung eine Hauptmotorwicklung in einer ersten Drehrichtung und eine Hilfsmotorwicklung in einer zweiten Drehrichtung bildet; während die zweite Wicklung eine Hilfsmotorwicklung in der ersten Drehrichtung und eine Hauptmotorwicklung in der zweiten Drehrichtung bildet;
einem Läufer, der in der Bohrung drehbar gelagert ist; und einer Lagereinrichtung für den Läufer, die mit dem Läufer und der Ständerbaugruppe betriebsmäßig verbunden ist;
dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklung in der Läuferbaugruppe durch eine geeignete Verschiebung der Wicklungsunterteilungen betriebsmäßig so plaziert ist, daß die maximale Flußdichte in dem Blechpaket in dem Bereich der Wicklungsunterteilungen in jeder Drehrichtung des Motors etwa gleich ist.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beispielshalber beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine perspektivische, teilweise weggebrochene Ansicht ist, die eine automatische Waschmaschine zeigt, bei der der Motor nach der vorliegenden Erfindung benutzt wird;
Fig. 2 eine Querschnittansicht eines Teils der in Fig. 1 gezeigten automatischen Waschmaschine ist;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des in Verbindung mit der Waschmaschine nach Fig. 1 benutzten Motors ist;
Fig. 4 eine Drehzahl-Drehmoment-Kurvendarstellung des Motors nach der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit einem herkömmlichen umsteuerbaren Einphasenmotor mit Kondensator für Anlauf und Betrieb ist;
Fig. 5a eine als Stand der Technik bezeichnete schematische Ansicht ist, die eine erste herkömmliche Wicklung für einen umsteuerbaren PSC-Motor zeigt, die als Hauptwicklung in einer Drehrichtung wirkt, wobei ein erster Jochbereich maximaler Flußdichte dargestellt ist;
Fig. 5b eine schematische Ansicht ist, die eine zweite herkömmliche Wicklung für einen umsteuerbaren PSC-Motor zeigt, die als Hauptwicklung in einer zweiten Drehrichtung wirkt, wobei ein zweiter Jochbereich maximaler Flußdichte gezeigt ist und wobei der erste und zweite Jochbereich wesentlich verschieden voneinander sind;
die Fig. 6a und 6b schematische Ansichten sind, die eine erste und zweite Symmetrieachse für die Blechlamelle zeigen, wobei weiter eine erste (Fig. 6a) und eine zweite (Fig. 6b) Wicklung des Motors nach Fig. 5 dargestellt sind, die um 15º gegeneinander verschoben sind, und wobei außerdem ein erster (D&sub1;) und ein zweiter (D&sub2;) Jochteil maximaler Flußdichte für die dort gezeigten Blechlamellen dargestellt sind;
die Fig. 7a und 7b schematische Ansichten des Blechlamellenentwurfes nach der vorliegenden Erfindung für ein K-Verhältnis von eins sind, wobei bei diesem Entwurf die Symmetrieachsen der Blechlamelle so gewählt sind, daß sie sich durch eine die Wicklung aufnehmende Aufnahme oder Nut erstrecken, und wobei die Wicklungen in den Nuten angeordnet sind, so daß der Bereich maximaler Flußdichte (D), der durch D&sub1; und D&sub2; dargestellt ist, in jeder Drehrichtung derselbe ist;
Fig. 8a eine schematische Ansicht eines K-Verhältnisses, das gleich eins ist, für eine erste illustrative Ausführungsform des Motors nach der Erfindung ist;
Fig. 8b eine schematische Ansicht einer offenen Dreieckschaltung für eine zweite illustrative Ausführungsform des Motors nach der Erfindung ist;
Fig. 9a eine schematische Ansicht eines Anschlußschemas für den in Fig. 8b gezeigten Motor ist;
Fig. 9b ein Vektordiagramm ist, das den Betrieb des in Fig. 8b und 9a gezeigten Motors veranschaulicht;
die Fig. 10a und 10b schematische Ansichten sind, die eine erste (Fig. 10a) und eine dritte (Fig. 10b) Wicklung zeigen, die als Hauptwicklungen für eine offene Dreieckschaltung bei einem bekannten Blechlamellenaufbau wirken, wobei weiter ein erster und zweiter Jochbereich maximaler Flußdichte dargestellt sind;
die Fig. 11a und 11b schematische Ansichten einer ersten (Fig. 11a) und einer dritten (Fig. 11b) Wicklung sind, die als Hauptwicklungen für eine offene Dreieckschaltung des Motors nach der Erfindung wirken, wobei die Verfügbarkeit von Jochteilen, die ungefähr gleiche Flußdichten in jeder Richtung der Motordrehung haben, bei Verwendung des Motoraufbaus nach der Erfindung veranschaulicht sind;
Fig. 12a eine Endansicht einer illustrativen Ausführungsform des Motors nach der Erfindung ist;
Fig. 12b eine zweite Endansicht des Motors nach der Erfindung ist;
Fig. 12c eine Seitenansicht des Motors nach der Erfindung ist; und
Fig. 13 eine vergrößerte Schnittansicht des Motors nach der Erfindung ist.
In Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, bezeichnet die Bezugszahl 10 insgesamt eine Waschmaschine mit einem Beweger mit vertikaler Achse, die vorwählbare Steuereinrichtungen zum automatischen Betreiben der Maschine in einer programmierten Reihe von Wasch-, Spül- und Schleuderschritten hat. Die Maschine 10 hat einen Rahmen 12, der Platten 14 trägt, welche die Seiten, die Oberseite, die Vorderseite und die Rückseite eines Schrankes 16 bilden. Ein mittels Scharnier befestigter Deckel 18 ist auf übliche Weise vorgesehen, damit das Innere der Waschmaschine 10 zugänglich ist. In der dargestellten Ausführungsform hat die Waschmaschine 10 eine hintere Konsole 20, in der einstellbare Steuereinrichtungen angeordnet sind, zu denen eine Zeitgeberskala 22 und ein Temperaturwähler 24 gehören. Andere Steuereinrichtungen können bei Bedarf vorgesehen sein.
Innerhalb der Waschmaschine 10 ist ein Laugenbehälter 26 angeordnet, in welchem ein perforierter Korb 28 zur Drehung um eine vertikale Achse drehbar angeordnet ist. Ein vertikal angeordneter Beweger 30 wird durch einen Motor 32 über einen Antriebsmechanismus 34 in Bewegung versetzt.
Gemäß Fig. 2 ist der Beweger 30 durch eine Welle 36 mit dem Antrieb 34 verbunden, der seinerseits durch eine geeignete Riemenscheibenanordnung 38 mit dem Motor 32 verbunden ist. Der Motor 32 ist in einer Anordnung 40 und 42 befestigt, die mit dem Rahmen 12 der Waschmaschine 10 verbunden ist. Der Motor 32 ist, wie dargestellt, mit der Riemenscheibenanordnung 38 verbunden, die eine Antriebsriemenscheibe 44 und eine angetriebene Riemenscheibe 46 aufweist, welche durch einen Riemen 48 mit dem Antrieb 34 verbunden ist. Der Antrieb 34 weist in der dargestellten Ausführungsform außerdem ein Antriebsplanetengetriebe auf, das eine Federkupplung 50 in einem Planetengehäuse 52 hat, das in einem Reduktionsantriebsrahmen 54 befestigt ist, der mit dem Rahmen 12 verbunden ist. Es ist zwar ein Planetenreduktionsantrieb in den Zeichnungen dargestellt und hier zur Verwendung bei dem Motor 32 nach der vorliegenden Erfindung offenbart, der Fachmann wird jedoch erkennen, daß eine Vielfalt von anderen Antriebsanordnungen mit dem Motor 32 benutzt werden kann. Es ist auch möglich, den Motor 32 zum Betrieb der Waschmaschine 10 direkt an dem Beweger zu befestigen. Für den Fachmann dürfte klar sein, daß die Waschmaschine 10, die hier als Hintergrundinformation und Detail beschrieben ist, irgendeines von einer Vielfalt von im Handel erhältlichen Geräten sein kann.
Der Motor 32 hat gemäß der Darstellung in den Fig. 12 und 13 einen ersten Lagerschild 200 und einen zweiten Lagerschild 201, die auf irgendeine herkömmliche Weise an einer Ständerbaugruppe 202 befestigt sind. Dafür sind z.B. mit Gewinde versehene Befestigungselemente gut geeignet. Die Lagerschilde 200 und 201 haben jeweils eine zentrale Nabe 204, und in den Naben sind geeignete Lager 206 zum drehbaren Lagern einer Läuferbaugruppe 205 untergebracht. Die Läuferbaugruppe 205 ist auf einer Welle 210 befestigt. Die Welle 210 ist ihrerseits in den Lagern 206 drehbar gelagert, die, wie dargestellt, in den Naben 204 angeordnet sind. Die Läuferbaugruppe 205 ist auf der Welle 210 durch irgendeine zweckmäßige Methode befestigt. Zum Beispiel sind Schrumpf- oder Preßpassungen dafür gut geeignet. Die Befestigung des Motors 32 an der Waschmaschine 10 ist im einzelnen in einer gleichzeitig anhängigen Anmeldungsveröffentlichung Nr. EP-A-0 354 157 beschrieben. Ebenso sind gewisse diesbezügliche Konstruktionsmerkmale des Motors 32, die nicht Teil der hier offenbarten Erfindung sind, in einer gleichzeitig anhängigen Anmeldungsveröffentlichung Nr. EP-A-0 354 158 beschrieben.
Die Läuferbaugruppe 205 hat vorzugsweise einen geblechten Aufbau und eine Käfigwicklung. Die Baugruppe 205 hat Endringe 207 und 208. In der dargestellten Ausführungsform hat der Endring 208 einen angegossenen und daher einstückig mit ihm ausgebildeten Lüfter 209 zum Kühlen des Motors. Eine Lüfterbaugruppe 220 ist auch an dem entgegengesetzten Läuferende zur Drehung mit der Welle 210 zum Zwecke der zusätzlichen Kühlung des Motors 32 vorgesehen. Details der Kühlfunktionen und des Aufbaus der Lüfterbaugruppe 220 finden sich in der gleichzeitig anhängigen Anmeldungsveröffentlichung Nr. EP-A-0 354 156. Strom wird dem Motor über herkömmliche Zuleitungsdrähte 222 zugeführt, die auf irgendeine geeignete Weise angeschlossen sein können. Zum Beispiel sind herkömmliche Verbindungsstecker dafür gut geeignet.
Der Motor 32 kann, wie oben angegeben, elektrisch zwei Formen annehmen. Ersatzschaltungen für die Motorwicklungen sind in den Fig. 8a und 8b gezeigt. Gemäß der Darstellung in Fig. 8a ist bei dem gleichen K-Verhältnis-Entwurf ein Anschlußdraht 300 mit einer Seite einer ersten Wicklung 301 verbunden. Eine zweite Seite der Wicklung 301 ist mit einer Zuleitung 302 verbunden. Die Zuleitung 300 ist außerdem mit einer ersten Seite einer Wicklung 303 verbunden. Eine zweite Seite der Wicklung 303 ist mit einer Zuleitung 304 verbunden. Ein Kondensator 305 ist zwischen die Zuleitungen 302 und 304 geschaltet. Eine Schalteinrichtung 310 ist vorgesehen, um einen Eingangsleiter oder eine Eingangsleitung 311 entweder mit der Zuleitung 302 oder mit der Zuleitung 304 zu verbinden, je nach der gewünschten Drehrichtung.
Die offene Dreieckschaltung ist in Fig. 8b gezeigt. Wo es möglich ist, werden gleiche Bezugszahlen benutzt. In der gezeigten Ausführungsform ist wieder die Eingangsleitung 300 mit einer Seite der Wicklung 301 und der Wicklung 303 verbunden. Die zweite Seite der Wicklung 301 ist mit dem Leiter oder der Zuleitung 302 und dem Kondensator 305 verbunden. Eine zweite Seite 308 des Kondensators 305 ist mit einer ersten Seite einer dritten Wicklung 309 verbunden. Eine zweite Seite der Wicklung 309 ist mit der Zuleitung 304 und mit einer zweiten Seite der Wicklung 303 verbunden. Die Zuleitungen 302 und 304 sind wieder mit der Schalteinrichtung 310 und über die Schalteinrichtung mit dem anderen Eingangsstromleiter 311 verbunden. Die Bewegung der Schalteinrichtung 310 zwischen entweder einer Klemme 320 oder einer Klemme 321 wird eine alternative Drehung des Läufers entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn bewirken.
Der Schaltungsentwurf in Fig. 8a ist eine konventionellere Methode zum Erzeugen eines umsteuerbaren PSC-Motors. Zum Beispiel, in der Ausführungsform nach Fig. 8a haben die Wicklungen 301 und 303 vorzugsweise dieselben Drahtgrößen und dieselbe Windungszahl. Dem Fachmann wird klar sein, daß die Wicklungen 301 und 303 eine Anzahl von Polen aufweisen. Das heißt die Wicklung 301 kann aus jeder gewünschten Anzahl von Polen aufgebaut sein. Die Polzahl bestimmt die maximale Motorbetriebsdrehzahl, und für die meisten Waschmaschineneinsatzzwecke haben sich Konfigurationen mit 2, 4, 6 und 8 Polen als geeignet erwiesen. Andere Variationen werden für den Fachmann auf der Hand liegen. Die Zeichnungen zeigen, wie oben angegeben, eine vierpolige Konfiguration.
In Fig. 8b haben die Wicklungen 301, 303 und 309 vorzugsweise jeweils dieselben Windungszahlen und Drahtgrößen. In einer Drehrichtung wird die Wicklung 301 die Hauptwicklung bilden, während die Kombination aus den Wicklungen 303 und 309 als Hilfswicklung dient. In der anderen Drehrichtung ist die Wicklung 303 die Hauptwicklung, während die Wicklungen 301 und 309 als Hilfswicklung dienen. Wiederum können die einzelnen Wicklungen in einer Vielfalt von Polkonfigurationen gewickelt sein.
Der größte Einzelfaktor beim Bestimmen der Trägheit eines Läufers ist, wie oben angegeben, sein Gewicht. Das Läufergewicht steht in direkter Beziehung zu seinem äußeren Durchmesser. Bei dem hier beschriebenen Waschmaschineneinsatzfall wurde der optimale Ständerbohrungsdurchmesser mit 70 mm (oder 2,756 Zoll) bestimmt. Die Abmessung des äußeren Durchmessers für die Ständerblechlamelle wurde mit etwa 10,7 cm (4,2 Zoll) gewählt. Diese Kombination von Größenfaktoren erlaubt, daß der Motor meiner Erfindung die niedrigsten Materialkosten für die Leistung hat, welche in dem beschriebenen Waschmaschineneinsatzfall verlangt wird.
Fig. 4 ist eine Drehzahl-Drehmoment-Kurve für den herkömmlichen umsteuerbaren PSC-Motor, der manchmal in Waschmaschinen benutzt wird. Gemäß der Darstellung in Fig. 4 kann bei dem herkömmlichen oder Standard (STD)-Motoraufbau das Drehmoment im dritten Quadranten einen negativen Wert haben. Das ist in Fällen äußerst unerwünscht, wo eine große Anzahl von Umsteuerungen pro Minute von dem Motor verlangt wird. Tatsächlich ist dieser Zustand in Fällen unerwünscht, die irgendeine Anzahl von Umsteuerungen verlangen. Durch Anwenden der hier angegebenen Entwurfskriterien wurde die in Fig. 4 gezeigte zweite Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie erzielt. Bedeutsam ist, daß kein Drehmoment im dritten Quadranten bei diesem Entwurf vorhanden ist; es wird ein hohes Drehmoment bei festgebremstem Läufer oder Anfahrdrehmoment erzielt; das Kippmoment ist dem des Standardmotors äquivalent; und der Betriebsbereich des Motors auf der Drehzahl- Drehmoment-Kurve ist etwa äquivalent. Noch wichtiger ist, daß die Betriebsleistung in jeder Drehrichtung wiederholt werden kann.
Die Fig. 5a und 5b zeigen herkömmliche Wicklungs- und Nutkonfigurationen in bekannten umsteuerbaren PSC-Motoren. Für die Zwecke der Beschreibung ist eine Blechlamelle 500, die insgesamt eine Parallelogrammform hat, in einem bekannten Wicklungs- und Nutentwurf gezeigt. Die Parallelogrammform, die sich im Gebrauch als am zweckmäßigsten erwiesen hat, ist ein Quadrat. Die Blechlamelle 500 beinhaltet gewisse konstruktive Einzelheiten, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind, in Form von Befestigungsschraubenöffnungen 501 neben mehreren Klammerbefestigungsnuten 502. Die Klammerbefestigungsnuten 502 werden benutzt, um die Blechlamellen in einer vorbestimmten Blechpakethöhe zu verriegeln, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Die Blechlamelle 500 hat zum Zweck der Beschreibung der vorliegenden Erfindung eine X-Achsensymmetrie 503 und eine Y-Achsensymmetrie 504, wie sie in Fig. 5a angegeben sind. Jede Blechlamelle 500 hat, wie dort gezeigt ist, eine zentrale Bohrungsöffnung 514. Die Öffnung 514 hat mehrere sich radial erstreckende, am Grund geschlossene Aufnahmen 505, die mit der zentralen Öffnung 514 in Verbindung stehen. Benachbarte Aufnahmen 505 bilden Zähne 506 mit Köpfen 507, deren sich einwärts erstreckende Enden die Öffnung 514 begrenzen.
In ihrem zusammengebauten Zustand bilden die einzelnen Blechlamellen 500 ein Blechpaket 509 (in Fig. 13 gezeigt), wogegen die Aufnahmen 505 Wicklungsaufnahmenuten 520 bilden. Die zentrale Öffnung 514 bildet eine Läuferaufnahmebohrung 521. In der dargestellten Ausführungsform sind vierundzwanzig (24) Nuten 520 vorhanden, die zur Beschreibung im Uhrzeigersinn in der Darstellung in den Fig. 5a und 5b mit den Bezeichnungen S1 bis S24 numeriert sind. Herkömmlicherweise liegt bei bekannten Entwürfen ein Zahn 506 längs jeweils einer der Symmetrieachsen 503 und 504. Gemäß der Darstellung in Fig. 5 ist die Zahl der Zähne gleich der Zahl der Nuten, und jede Zahnmittelachse repräsentiert 15 einer herkömmlichen Kompaßmessung.
Die Fig. 5a und 5b veranschaulichen schematisch die Wicklungen 301 und 303, die als Hauptwicklungen dienen. Herkömmlicherweise wird während der Motorherstellung eine der Wicklungen in den Nuten zuerst plaziert, und die zweite Wicklung wird radial einwärts der ersten Wicklung plaziert, und die Wicklungen können sich Nuten miteinander teilen. Zur Vereinfachung der Beschreibung sind jedoch die Wicklungen 301 und 303 in den Fig. 5a und 5b separat gezeigt.
Die maximale Flußdichte tritt in der Blechlamelle 500 in den Bereichen auf, wo die Wicklungen geteilt sind, wie zwischen der Nut S3 und S4 in Fig. 5a und der Nut S24 und S1 in Fig. 5b. Die Flußdichte wird bestimmt, indem zuerst der Gesamtmotorfluß aus der Formel bestimmt wird:
= [Veff. (4.54 x 104) (0,95)] / [(f) (CKw)]
wobei Veff. = Effektivwert der an den Motor angelegten Klemmenspannung;
f = Frequenz der Spannungsquelle;
CKw = Gesamtzahl der effektiven Leiter des Motors; wobei C die tatsächliche Motorgesamtwindungszahl und Kw ein Wicklungsfaktor zum Erzielen der effektiven Windungszahl ist.
Der Fluß wird in K Linien ausgedrückt. Nachdem der Gesamtfluß bestimmt worden ist, wird die Flußdichte aus der Formel bestimmt:
Flußdichte = /A
wobei A die Querschnittsfläche des betreffenden Blechpakets ist. Im allgemeinen werden die "Zahn"-Dichte und die Blechpaket- oder Kerndichte berechnet. Für den Blechpaketaufbau wird die Flußdichte in der Praxis durch die Distanz zwischen dem Nutgrund mal der Blechpakethöhe bestimmt. Effektivwerte der Flußdichte werden erzielt, indem die aus der obigen Berechnung erzielte Flußdichte durch die Wurzel aus 2 dividiert wird.
Unter der Annahme, daß die anderen Faktoren gleich sind, hängt die Flußdichte bei dem in den Fig. 5a und 5b gezeigten Blechlamellenentwurf von der Distanz zwischen den Nutgründen und irgendeinem besonderen Endpunkt der Blechlamelle 500 ab. In Fig. 5b ist zu erkennen, daß die Distanz D1 wesentlich kleiner ist als die Distanz D2, so daß der bekannte Motor, der in den Fig. 5a und 5b gezeigt ist, möglicherweise keine äquivalente Leistung in jeder Drehrichtung haben kann. Da die elektrische Motorleistung abnimmt, wenn die Flußdichte zunimmt, ist der Motorbetrieb in der Anordnung nach Fig. 5b nachweisbar schlechter als in der Betriebsart nach Fig. 5a.
Die Fig. 6a und 6b zeigen eine herkömmliche Möglichkeit zum Verbessern der Motorleistung. Wenn der Motor dafür vorgesehen ist, in einer einzelnen Richtung zu arbeiten, kann eine Leistungsverbesserung manchmal erzielt werden, indem die Wicklung um eine Nut in der einen oder anderen Richtung von der zugeordneten Symmetrieachse aus verschoben wird. Wenn das bei einem umsteuerbaren Motor gemacht wird, wird aber die Leistung in beiden Drehrichtungen nicht verbessert. Wie wieder zu erkennen ist, wird die Distanz D1 in Fig. 6a, während sie durch die verschobene Wicklung vergrößert wird, sich noch beträchtlich von der Distanz D2 unterscheiden, die in Fig. 6b gezeigt ist. Wiederum wird die Motorleistung keine Äquivalenz in jeder Motordrehrichtung erreichen.
Die Fig. 7a und 7b zeigen die endgültige Konfiguration für eine Blechlamelle 580, die für den Motor 32 benutzt wird. Wo es möglich ist, werden gleiche Bezugszahlen benutzt. Der Blechlamellenentwurf selbst ist, wie gezeigt, umgeordnet worden, so daß die Achsen 503 und 504 nun durch eine Nut der Blechlamelle statt durch einen Zahn hindurchgehen. In dieser Anordnung erfolgt jede Wicklungsteilung 22,5º von einer der Symmetrieachsen 503 und 504 aus, ungeachtet dessen, welche Wicklung als Hauptwicklung benutzt wird. Infolgedessen ist die maximale Flußdichte notwendigerweise in jeder Drehrichtung dieselbe, und äquivalente elektrische Leistungen und infolgedessen gleiche Waschleistungen werden erzielt. Die äquivalente Leistung wird ungeachtet der Zeit erzielt, die in jeder Drehrichtung während des Waschbetriebes verbracht wird.
Fig. 9a ist ein Schaltbild der oben beschriebenen offenen Dreieckschaltung. Wieder weist jede Wicklung vier Pole auf, wobei jeder Pol zwei Gruppen von Drahtwindungen hat, die den Pol bilden. Die sich radial erstreckenden Linien repräsentieren die Zahnachsen, und die Drahtwindungsgruppen sind so gewickelt, daß sie drei bzw. fünf Zähne überspannen. Die Wicklungskonfiguration und die Spulenplazierung sind in Fig. 9a schematisch gezeigt. In Fig. 9a sind auch die Verbindungen zwischen den Polen, den Zuleitungen und einer bei dem Motor 32 nach der Erfindung benutzten Schutzeinrichtung gezeigt, ungeachtet der benutzten Wicklungskonfiguration.
Fig. 9b repräsentiert ein Vektordiagramm für die in Fig. 8b gezeigte offene Dreieckschaltung. Die Spannungen an der Wicklung 301, der Wicklung 303 und der Wicklung 309 haben einen resultierenden Vektor in den betreffenden Drehrichtungen, die mit den Bezugszahlen 901 und 902 bezeichnet sind. Die Resultierenden 901 und 902 sind einander gleich.
Die Leistung der offenen Dreieckschaltung, die durch Plazierung der Wicklung in der Blechlamelle 530 verursacht wird, ist zwar nicht exakt gleich wie in dem Fall der in den Fig. 7a und 7b gezeigten Ausführungsform, sie ist jedoch mit den verbesserten Ergebnissen vergleichbar, die durch Verschieben der beiden Wicklungen bei den bekannten Entwürfen erzielt werden. So zeigen zwar die Fig. 10a und 10b zwei unterschiedliche Wicklungen mit relativ großen Differenzen im Jochquerschnitt und demgemäß in den Flußdichten, die in den Fig. 11a und 11b veranschaulichte Beziehung ist jedoch bestrebt, die Differenz zu minimieren. Das heißt, während die Distanz D&sub1; "etwas größer als die Distanz D&sub2; ist" in den Fig. 11a bzw. 11b, können die Gesamtmotorkosten die Differenz in der Leistung rechtfertigen. Ich habe infolgedessen herausgefunden, daß beide Wicklungsentwürfe mit Vorteil bei dem Blechlamellenentwurf 580 benutzt werden können. Bei beiden beschriebenen Ausführungsformen ist es erwünscht, zu versuchen, die maximalen Flußdichten in jeder Drehrichtung auszugleichen, um den richtigen Waschvorgang bei dem Einsatz in Waschmaschinen zu gewährleisten und um eine verbesserte elektrische Leistung in anderen Fällen zu gewährleisten.
Zahlreiche Variationen innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Ansprüche werden für den Fachmann angesichts der vorstehenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen auf der Hand liegen. Eine Klammerbefestigung ist zwar als bevorzugte Methode bei der Blechpaketherstellung beschrieben worden, Verkleben, Verschweißen oder Kombinationen dieser drei Methoden oder andere Methoden können jedoch bei Bedarf benutzt werden. Der Motor ist unter Verwendung einer Konstruktion gezeigt, bei der die Lagerschilde direkt an einer Stirnfläche einer besonderen Blechlamelle befestigt sind. Andere Konstruktionen können benutzt werden. Zum Beispiel können herkömmlichere Motorgehäuse- und - lagerschildanordnungen benutzt werden. Die Blechlamellendicken und die relativen Abmessungen können sich bei anderen Ausführungsformen der Erfindung ändern. Die Anzahl der Pole und die Anzahl der Spulen, welche die Pole bilden, können ebenfalls variieren, wie angegeben. Diese Variationen dienen lediglich zur Veranschaulichung.

Claims

1. Umsteuerbarer Einphasenmotor mit Kondensator für Anlauf und Betrieb, mit:

einer Ständerbaugruppe (202), die ein Blechpaket aufweist, das insgesamt eine Parallelogrammsilhouette hat, wobei das Blechpaket aus einer Vielzahl von Ständerblechlamellen (580) aufgebaut ist, wobei jede Blechlamelle die Silhouette hat, wobei das Blechpaket eine zentrale Öffnung (521) hat, die eine Läuferaufnahmebohrung bildet, und eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Aufnahmen (505), die sich in die Bohrung öffnen und Wicklungsaufnahmenuten bilden, wobei die Nuten eine Vielzahl von Zähnen (506) bilden, deren radiale innere Ausdehnung die Bohrung begrenzt, und Wicklungen (301, 303) in den Nuten, wobei die Wicklungen wenigstens eine erste Wicklung (301) und eine zweite Wicklung (303) umfassen, die jeweils umfangsmäßig beabstandete Unterteilungen haben, wobei die Wicklungen elektrisch so verbindbar sind, daß die erste Wicklung eine Hauptmotorwicklung in einer ersten Drehrichtung und eine Hilfsmotorwicklung in einer zweiten Drehrichtung bildet, während die zweite Wicklung eine Hilfsmotorwicklung in der ersten Drehrichtung und eine Hauptmotorwicklung in der zweiten Drehrichtung bildet;

einem Läufer (205), der in der Bohrung (521) drehbar gelagert ist; und

einer Lagereinrichtung (204, 206) für den Läufer (205), die mit dem Läufer und der Ständerbaugruppe betriebsmäßig verbunden ist;

dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklung (301, 303) in der Läuferbaugruppe (202) durch eine geeignete Verschiebung der Wicklungsunterteilungen betriebsmäßig so plaziert ist, daß die maximale Flußdichte in dem Blechpaket in dem Bereich der Wicklungsunterteilungen in jeder Drehrichtung des Motors etwa gleich ist.

2. Motor nach Anspruch 1, weiter mit einem Kondensator, wobei der Kondensator mit einer Seite der ersten und zweiten Wicklung elektrisch Verbunden ist.

3. Motor nach Anspruch 1, weiter mit einer dritten Wicklung (309), die in den Blechlamellennuten (505) der Ständerbaugruppe (202) plaziert ist, und einem Kondensator, wobei der Kondensator mit der dritten Wicklung (309) und der ersten oder zweiten Wicklung (301, 303) elektrisch verbunden ist.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wöbei jede Blechlamelle (580) vierundzwanzig Nuten (505) hat, vier periphere ebene Oberflächen, die in einer Parallelogrammform angeordnet sind, und zwei Symmetrieachsen (503, 504) längs entgegengesetzter Paare der ebenen Oberflächen der Parallelogrammform, wobei die Zähne (506) in jeder der Achsen versetzt sind, wobei die Wicklungen (301, 303, 309) mehrere Pole aufweisen, wobei jeder Pol in bezug auf einen benachbarten Pol unterteilt ist und wobei die Wicklung in dem Blechpaket so plaziert ist, daß wenigstens zwei Unterteilungen zwischen den Wicklungen in bezug auf die Achsen (503, 504) symmetrisch sind.

5. Motor nach Anspruch 4, wobei die Unterteilung der Wicklungen für jeden Pol um 22 1/2º von einer der Achsen (503) entfernt ist.

6. Motor nach Anspruch 4, wobei die Unterteilung zwischen den Wicklungspolen bei 37 1/2º in einer Drehrichtung und bei 22 1/2º in einer zweiten Drehrichtung erfolgt (Fig. 11a, 11b).

7. Motor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Ständerbaugruppe (202) einen inneren Durchmesser hat, der nicht kleiner als 6,85 cm (2,70 Zoll) ist.

8. Motor nach Anspruch 7, wobei die Ständerbaugruppe (202) einen bestimmbaren Impedanzwert hat und wobei der Widerstand des Läufers (205) ein Wert ist, der aus einem Bereich zwischen dem 1,25- bis 1,55-fachen des Impedanzwertes der Ständerbaugruppe ausgewählt ist.

9. Motor nach Anspruch 8, wobei der Läufer (205) einen Käfigwicklungsaufbau hat.