DE8400013U1

DE8400013U1 - Induktionsmotor

Info

Publication number: DE8400013U1
Application number: DE19848400013
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1984-01-02
Filing date: 1984-01-02
Publication date: 1985-01-17

Description

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R. 30.12.1983 Rs/Hm

ROBERT BOSCH GMBH* 7000 STUTTGART 1

Induktionsmotor Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Induktionsmotor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein derartiger Motor mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor ist bereits vorgeschlagen worden (Peinwerktechnik und Meßtechnik 87 (1979), S. 163 ff). Zur Erzeugung eines Anlaufdrehmomentes zwischen Rotor und Stator ist der Luftspalt über dem Umfang des Rotors mit unterschiedlicher Breite ausgebildet, so daß sich eine definierte Ruhelage des permanentmagnetisch erregten Rotors ergibt, welche verschieden ist von der Magnetisierungsrichtung des Stators. Beim Anlegen des Statorfeldes wird auf den Rotor eine Kraft in Umfangsrichtung ausgeübt, wodurch dieser, gegebenenfalls nach einer oder mehreren Drehschwingungen, in Synchronismus zum Statorfeld kommt und mit diesem synchron rotiert. Der Anlauf des Motors ist jedoch aus? dann moglieh, wenn am Rotor sehr geringe Kräfte angreifen, weil anderenfalls das Anlaufmoment nicht ausreicht, um den Rotor auf die notwendige Winkelgeschwindigkeit zu beschleunigen, damit er in Synchronismus zum Statorfeld gelangen kann.

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Durch die kleinen Anlaufmomente derartiger Motoren ist ihre Einsatzmöglichkeit begrenzt.

Aus der DE-PS 1 199 390 ist ein Einphaseninduktionsmotor bekannt, dessen Rotor auf einer Antriebswelle um einen bestimmten Winkel frei drehbar ist, bevor er in kraftschlüssige Verbindung mit der Antriebswelle gerät. Hierbei ist der Rotor zunächst axial gegen den Stator verschoben und wird durch Magnetkräfte gleichzeitig in axialer Richtung und in Umfangerichtung beschleunigt, bevor er nach Überwindung einer axialen Federkraft in eine kraftschlüssige Verbindung mit der Antriebswelle gelangt. Wegen der nur teilweisen überdeckung von Rotor und Stator und wegen des Bremsmomentes durch die Antriebswelle sind auch die Anzugskräfte derartiger Motorbauarten begrenzt.

Weiterhin sind beispielsweise für Fumpenantriebe Spaltpolmotoren verwendbar. Auch diese besitzen jedoch trotz relativ großer Bauformen nur kleine Anzugsmomente und ihr Wirkungsgrad ist verhältnismäßig schlecht.

Induktionsmotoren nach der Gattung des Hauptanspruches besitzen keine definierte Drehrichtung, wenn nicht zusätzliche Maßnahmen zur Festlegung der Drehrichtung getroffen werden. Eine mechanische Anordnung zur Festlegung einer definierten Drehrichtung des Motors ist beispielsweise aus der 6B-FS 1 k13 782 bekannt. Andere Gestaltungsmöglichkeiten zur Erzielung einer definierten Drehrichtung des Motors bestehen beispielsweise im Einbau von Freilaufvorrichtungen mit Kugel- oder Rollen-Klemmkörpern in entsprechenden Ausnehmungen eines Freilaufkörpers, wodurch nur eine Drehrichtung des Motors auf eine Antriebswelle übertragen wird. Solche Anordnungen sind beispielsweise bekannt von elektrischen Anlassern für Kraftfahrzeuge.

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Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Induktionsmotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchee hat demgegenüber den Vorteil, daß bei kleiner, einfacher und preiswerter Bauweise ein hohes Anlaufmoment erreicht wird, so daß das hohe Betriebsmoment des Motors durch zu geringe Anzugsmomente aus dem Stillstand heraus nicht geschmälert wird· Durch die erfindungsgemäße Bauweise erreicht man einen gleichförmigen, asynchronen Hochlauf des Motors, welcher bei sehr einfachem Aufbau kur?,schlußfest ist, keine mechanischen Geräusche verursacht - etwa durch zeitlieh verzögert wirkende mechanische Kupplungen - und wegen einer Mindestzahl von Verschleißteilen eine hohe Lebensdauer aufweist.

Durch die An den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Motors möglich. Besonders vorteilhaft ist die Gestaltung dee Rotoraußenteils als elektrisch leitfähiger Hohlzylinder, welcher vorzugsweise aus Kupfer besteht, weil dieser besonders einfach herstellbar ist und eine sehr hohe Leitfähigkeit besitzt.

Statt aus einem gut leitfähigen Hohlzylinders kann der Rotor jedoch auch aus einem unterbrochenen Eisenzylinder hergestellt werden, wobei in die Zwischenräume Kupferstäbe eingelegt werden. Hierbei bilden die Eisenteile Flußleitstücke zwischen Rotor und Stator, welche den magnetischen Widerstand verringern. Eine weitere Möglichkeit zur Gestaltung des Rotors ist die Verwendung eines Kurzschlußkäfigs, welcher eine sehr geringe Hasse und somit ein geringers Trägheitsmoment besitzt.

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Eine besonders vorteilhafte Bauweise ergibt sich, wenn das Rotoraußenteil "becherförmig ausgebildet wird und im Bereich des Becherbodens, vorzugsweise mittels Flansch und Splint, mechanisch mit der Antriebswelle verbunden ist. Die Antriebswelle wird zweckmäßigerweise mit abgesetzten Durchmessern derart ausgebildet, daß das Rotorinnenteil frei drehbar auf einem dünneren Wellenabschnitt innerhalb des Kctoraußenteils gelagert ist, welches einseitig an den dickeren Wellenabschnitt angrenzt. Hierdurch ergibt sich bei geringem fertigungstechnischem Mehraufwand gegenüber einer durchgehend gleichstarken Welle ein größerer Freiraum innerhalb des Rotoraußenteils, so daß darin mehr Permanentmagnetmasse untergebracht und ferner eine geringere Reibung erzielt werden kann. Außerdem bildet der Wellenabsatz einen Anschlag zur definierten Halterung des Rotorinnenteils, so daß die Lagerung desselben vereinfacht wird.

Am Rotorinnenteil ist bei einer bevorzugten Bauform ein Lüfterrad angeordnet, welches unabhängig von der angeschlossenen Last mit dem Rotorinnenteil rotiert und das Rotoraußenteil kühlt, auch bei Stillstand und niedrigen Drehzahlen des letzteren.

Eine besonders einfache und preiswerte Bauveise des Hotorsergibt sich bei zweipoliger Gestaltung des Rotors und des Stators. Bei dieser Bauform können einfache Bleehechnitte verwendet werden im Stator und die Magnetisierung dee Rotors ist leichter als bei höherer Polpaarzahl desselben. Das Rotorinnenteil ist dabei zweckmäßigerweise diametral magnetisiert, weil diese Art der Magnetisierung einfacher aufzubringen ist als beispielsweise

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eine radiale Magnetisierung. Das Rotorinnenteil kann dabei mit Vorteil sowohl aus Permanentmagnet-Teilschalen wie auch massiv ausgebildet werden.

Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Motors für einen Pumpenantrieb, beispielsweise für die Laugenpumpe einer Waschmaschine, spielt die Drehrichtung des Motors keine Rolle, weil die Pumpe so gestaltet werden kann, daß sie bei beiden Drehrichtungen in gleicher Weise arbeitet. Wenn nur eine Drehrichtung des erfindungsgemäßen Motors zugelassen werden soll, müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, vorzugsweise durch die Anordnung einer Freilaufvorrichtung, welche in bekannter Weise aufgebaut sein kann. Diese wird zweckmäßigerweise zwischen Rotorinnenteil und Rotoraußenteil angeordnet, jedoch kann sie auch zwischen dem Rotoraußenteil und der Antriebsstelle vorgesehen werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Induktionsmotor und Figur einen Längsschnitt durch dessen Stator.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In Figur 1 ist mit 10 der Stator eines Induktionsmotors bezeichnet, welcher als Einphaseninduktionsmotor ausgebildet ist, wie er beispielsweise für die Laugenpumpe einer Waschmaschine verwendbar ist. Der Stator 10 besitzt zvei ausgeprägte Pole 11 und 12, welch« mit einer Ein-

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phasen-Wechselstromwicklung 13 "bewickelt sind. Die Wicklung kann jedoch auch auf einem Schenkel des Stators oder auf gegenüberliegenden Schenkeln des Stators angeordnet sein.

Den Stator 10 trennt ein Luftspalt 1U von einem Rotor 15, welcher aus einem Rotorinnenteil 16 und einem Rotoraußenteil 17 zusammengesetzt ist. Das Rotorinnenteil 16 trägt in der Mitte eine Nabe 13 aus Kunststoff, insbesondere aus Polytetrafluorathylen, als Lager für den Rotor.

Der Luftspalt "\k des erfindungsgemäßen Induktionsmotors teilt sich auf in einen inneren Luftspalt 19 zwischen dem Rotorinnenteil 16 und dem Rotoraußenteil 17 sowie einen äußeren Luftspalt 20 zwischen dem Rotoraußenteil 17 und dem stator 10. Aufgrund dieser beiden Luftspalte und getrennter Lagerungen sind das Rotorinnenteil 16 und das Rotoraußenteil "7 unabhängig voneinander verdrehbar. Das Rotorinnenteil 16 besteht im gezeichneten Ausführungsbeispiel aus einem massiven Permannentmagnetteil, welches zweipolig diametral magnetisiert ist. Anstelle einirr massiven Bauform des Rotorinnenteils 16 kann dieses auch aus zwei Permanentmagnet-Halbschalen zusammengesetzt werden, welche radial oder diametral magnetisiert sind, wie es in Figur 1 gestrichelt angedeutet ist.

Der äußere Luftspalt 20 besitzt eine über dem Rotorumfang veränderliche Luftspaltbreite, symmetrisch zur L&ngsachse des Motors. So ergibt sich jeweils an radial gegenüberliegenden Punkten der Polschuhe ein gleicher, jeweils schmälerer oder breiterer Luftspalt, so daß der Permanentmagnetrotor eine definierte Ruhelage einnimmt. Der

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Bereich großer Luftepaltbreite ist mit 21, der Bereich kleiner Luftspaltbreite mit 22 bezeichnet. Die Magnetisierungsrichtung des in Figur 1 in Ruhelage gezeigten Rotors weicht von der Feldrichtung des Stators ab, so daß sich bei Stromfluß in der Statorwicklung 13 ein Drehmoment zvischen Rotor und Stator ergibt.

Aus Figur 2 ist der zweiteilige Aufbau des Rotors deutlich erkennbar, vobei das Rotorinnenteil 16 außerhalb des Rotoraußenteils 17 vor dem Zusammenfügen der Teile gezeichnet ist. Eine Antriebswelle 27, welche mit abgesetzten Durchmessern ausgebildet ist, durchdringt beide Rotorteile. Auf ihrem dünneren Abschnitt 28 ist das Rotorinnenteil 16 mit der Habe 18 frei drehbar gelagert, während auf ihrem dickeren Abschnitt 29 das becherförmig ausgebildete Rotoraußenteil 17 im Bereich des Becherbodens mechanisch befestigt ist. Das Rotoraußenteil 17 besteht dabei vorzugsweise aus einem Hohlzylinder 30 aus Kupfer, welcher sich im Bereich des Becherbodens in einem Flansch 31 fortsetzt, der mittels eines Splintes 32 auf dem dickeren Abschnitt 29 der Antriebswelle 27 verdrehjicher gehalten ist.

Auf der dem offenen Ende des Bohlzylinders 30 zugeordneten Stirnfläche des Rotorinnerteils 16 ist ein I-üfter 33 befestigt, welcher mit dem frei drehbaren Rotorinnenteil umläuft und somit stets für eine ausreichende Kühlung des Rotoraußenteils 17 sorgt.

Am Boden des Rotoraußenteils Und an der zugeordneten Stirnfläche des Rotorinnenteils ist strichpunktiert weiterhin noch ein Freilauf angedeutet mit schematisch gezeichneten Sperrklinken 36 and 37* welche nur eise Verdrehung des Rotor-

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innenteils zum Rotoraußenteil in einer Drehrichtung erlauben. Hierdurch kann der Motor nur in einer Drehrichtung anlaufen, so daß er mit dieser Zusatzmaßnahme auch für Anwendungen geeignet ist, bei denen nur eine Drehrichtung zulässig ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung wirkt folgendermaßen; ' Nach dem Anlegen einer Wechselspannung an die Wicklung 13

entsteht ein in Figur 1 vertikales magnetisches Wechsel" .,

%· feld, welches gegenüber dem permanentmagnetischem Feld

des Rotorinnenteils 16 um einen vorgegebenen Winkel in

der Ruhelage verdreht ist. Der Pertoanentmagnet-Rotor f

richtet sich nämlich in der Ruhelag« so aus, daß der Fluß |

den Weg des geringsten magnetischen Widerstandes findet, |

ι? d.h., in der in Figur 1 gezeichneten N-S-Stellung.. Nach |

dem Einschalten des Statorfeldes kann das Rotorinnenteil |

16 ungehindert auf dem Abschnitt 28 der Antriebswelle 27 s

Drehschwingungen ausführen, solange bis die Beschleuni- <:

gung ausreicht, daß es netzsynchron umläuft. Bei einer zweipoligen Bauweise von Stator und Rotor und eine· Netz- ■£

frequenz von 50 Hz des Stromes in der Statorwicklung 13 \\

sind dies 3000 U/min. Das Rotorinnenteil 16 ist nicht ^γ[

durch die angeschlossene Last beaufschlagt, so daß dem -.

Anlauf des Motor insofern nichts entgegensteht. Beim | Drehen des Permanentmagnet-Rotorinnenteils 16 wird nun '^;:

ein Drehfeld erzeugt, welches in dem Rotoraußenteil 1? Ströme induziert und dieses in Drehung versetzt. Das Rotoraußenteil 17 läuft dann asynchron mit einem von der außen angeschlossenen Last anhängigen Schlupf in dem vom Rotorinnenteil 16 erzeugten Drehfeld um. Die Drehzahl des Rotorinnenteils 16, beim Ausführungebeispiels des Hohlzylinders 30 mit der Welle 27, liegt daher stets unter der synchronen Drehzahl des Rotorinnenteils.

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Durch die erfindungsgemäße Bauart erhält man einen kleinen, leichten und preiswerten Motor mit hohem Anzugsmoment, welcher bekannte Motoren mit wesentlich größerem Bauvolumen, insbesondere Spaltpolmotoren, ersetzen kann. Das beschriebene Ausführungsbeispiel stellt nur eine mögliche Bauform des erfindungsgemäßen Motors dar, es können selbstverständlich statt der zweipoligen Bauweise auch mehrpolige Anordnungen jeweils von Rotor und Stator verwendet werden. Weiterhin muß der Hohlzylinder 30 nicht einseitig offen sein, sondern kann auch beidseitig geschlossen oder beidseitig offen, bzw. durch ein elektrisch nicht leitfähiges Teil abgeschlossen sein. Das Lüfterrad 33 kann bei geringer Belastung des Motors entfallen.

Gegenfiber bekannten Asynchronmotoren wird bei der erfindungsgemäßen Motorbauart ein Großteil des Magnetisierungsbedarfes nicht von der Wicklung 13, bzw. von deren Wechselspannungsversorgung geliefert, sondern vom synchronrotierenden Permanentmagnet-Rotorinnenteil 16 gedeckt. Dieses erzeugt ein umlaufendes Drehfeld ohne Zuhilfenahme von Zusatzwicklungen, ohne die beispielsweise ein Spaltpolmotor nicht anläuft. Der erfindungsgemäße Motor hat trotz Vergrößerung des Luftspaltes 1U durch das Rotoraußenteil 17 einen hohen Wirkungsgrad und ein geringes Leistungseinsatzgewicht, sowie ein geringes Volumen. Aufbau und Fertigung des Motors sind einfach, so daß es sich mit geringem verfahrenstechnischen Aufwand herstellen laßt. Die Zahl der Verschleißteile ist auf ein Minimum reduziert.

Claims

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ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

Ansprüche

1. Induktionsmotor, insbesondere Einphaseninduktionsmotor, vorzugsweise für einen Pumpenantrieb, mit einem Permanentmagnetrotor und mit einem durch ein Wechselfeld elektromagnetisch erregten Stator, wobei vorzugsweise der Luftspalt zwischen Rotor und Stator derart ausgebildet ist, daß sich eine Ruhelage des Rotors einstellt, deren Feldausrichtung verschieden ist von der Magnetisierung^richtung des Stators zur Erzeugung eines AnIauf-Drehmomentes, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) mindestens zweiteilig ausgebildet ist mit einem synchron zum Statorfeld rotierenden, den oder die Permanentmagnete (N, S) tragenden Rotorinnenteil \ϊ6) und einem hiergegen verdrehbaren, im Luftspalt (IM zwischen dem Rotorinnenteil (16) und dem Stator (10) angeordneten, elektrisch leitfähigen Rotoraußenteil (17), welches nach Art eines Kurzschlußkäfigs als asynchron rotierendes Antriebsteil mit einer Antriebswelle (27) in mechanischer Verbindung steht.

2. Induktionsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotoraußenteil (17) als elektrisch leitfähiger Hohlzylinder (30) ausgebildet ist.

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3. Induktionsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotoraußenteil (17) aus einem Kupfer-Hohlzylinder (30) besteht.

k. Induktionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotoraußenteil (17) "becherförmig ausgebildet und im Bereich des Becherbodens mechanisch mit der Antriebswelle (27) verbunden ist.

5. Induktionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (27) mit abgesetztem Durchmesser ausgebildet ist, wobei das Rotorinnenteil (16) frei drehbar auf einem dünneren Wellenabschnitt (28) innerhalb des Rotoraußenteils (17) angeordnet ist, welches einseitig mit dem dickeren Wellenabschnitt (29) verbunden ist.

6. Induktionsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotoraußenteil (17) starr auf dem dickeren Wellenabschnitt (29) befestigt ist.

7. Induktionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Rotorinnenteil (16) ein Lüfter (33) angeordnet ist.

8. Induktionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das permanentmagnetische Rotorinnenteil (16) zweipolig ausgebildet und diametral magnetisiert itt.

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9· Induktionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorinnenteil (16) aus zwei Permanentmagnet-Halbschalen zusammengesetzt ist.

10. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorinnenteil (16) aus Permanentmagnet-Werkstoff einteilig ausgebildet ist.

11. Induktionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in das Rotorinnenteil (16) axial eine vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus Polytetrafluorethylen, ausgebildete Nabe (18) eingesetzt ist, welche mit geringem Lagerspiel auf der Antriebswelle (27» 28) sitzt.

12. Induktionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rotorinnenteil (16) und Rotoraußenteil (17) eine Freilaufvorrichtung (36, 37) angeordnet ist, welche eine Dreh" richtung des Rotorxnnenteils (16) sperrt zur Festlegung einer definierten Drehrichtung der Antriebswelle (27).

13. Induktionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (10) asymmetrisch ausgebildet ist mit veränderlicher Luftspaltbreite (1U, 21, 22) über dem Botorumfang zur Erzeugung eines Anlaufdrehmomentes.