DE8400015U1

DE8400015U1 - Induktionsmotor

Info

Publication number: DE8400015U1
Application number: DE19848400015
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1984-01-02
Filing date: 1984-01-02
Publication date: 1985-05-02

Description

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B. 30.12.1983 Rs/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

I η dukt i ο ο s mg t_or 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 (Feinwerktechnik 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, velche verschieden ist von der Magnetisierungsrichtung des Stators. Beim Anlegen des Statorfeldes wird auf den Rotor eine Kraft in Umfangerichtung 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 nur dann o&glieh, trenn 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 Eiüsatssmögliehkeit 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 kraftsohlüssige Verbindung mit der Antriebswelle gerät. Hierbei let 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 überdeokung von Rotor und Stator und wegen des Bremsmomentes durch die Antriebswelle sind auch die Anzugskräfte derartiger Motorbauarten begrenzt.

Weiterhin sind beispielsweise für Pumpenantriebe Spaltpolfflötoren 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 GB-PS 1 U13 782 bekannt. Andere Gestaltungsmoglichkeiten zur Erzielung einer definierten Drearichtung des Motors bestehen beispielsweise im Einbau von Freilaufvorriehtuagen sit Kugel» öde* Rollen« Klemmkorpern in entsprechenden Ausnehmungen eines Freilauf korpers, 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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- 3 -•Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Induktionsmotor mit den kennzeichnenden Merkmalen dee Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil» daß bei kleiner, einfacher und preiswerter Bauweise ein hohes Anlaufmoment erreicht wird, so daft dae hohe Betriebs-Moment des Motors durch zu geringe Anzugsmomente aus dem Stillstand heraus nicht geschmälert wird. Durch die erfindungsgemäße Bauweise erreicht man einen gleichförmigen, asynchronen Boohlauf dee Motors, welcher bei sehr ein" fächern Aufbau kurzsehlußfest ist, kxiine mechanischen Geräusche verursacht - etwa durch seitlich verzögert wirkende mechanische Kupplungen * und wegen einer Mindestzahl von Verschleißteilen eine hohe Lebensdauer aufweist.

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

Statt aus einem gut leitfähigen Hohlzylinders kann der Fstor jedoch auch aus einem unterbrochenen Bisenzylinder 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 Ge-EtaittAg des Rotors ist die Verwendung eines Kurzschlußkäfigs , welcher eine sehr geringe Masse 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 Rotoraußenteils 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 Fermanentmagnetmasse 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 vird.

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 Bauweise des Motorsergibt sich bei zweipoliger Gestaltung des Rotors und des Stators. Bei dieser Bauform können einfache Blechschnitte verwendet werden im Stator und die Magnetisierung des Rotors ist leichter als bei höherer Polpaarzahl desselben. Das Rotorinnenteil ist dabei zweckmäßigerveise 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 verden.

Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Motors für einen Pumpenantrieb, beispielsweise für die Laugenpumpe einer Waschmaschine, spielt die Drehrichtung des Motors keine Holle, 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 2 einen Längsschnitt durch dessen Stator.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In Figur 1 ist mit 10 der Stator eines Induktionsmotors bezeichnet, welcher als Einphasen-Induktionsmotor ausgebildet ist, wie er beispielsweise für die Laugenpumpe einer Waschmaschine verwendbar ist· Der Stator 10 besitzt zwei ausgeprägte Pole 11 und 12* welche mit einer Ein-

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

Den Stator 10 trennt ein Luftspalt 11* von einem Rotor 15, welcher aus einem Rotorinnenteil 16 und einem Rotoraußenteil 17 zusammengesetzt ist. Das Rotorinnenteil 16 trägt in dei Mitte eine Nabe 18 aus Kunststoff, insbesondere aus Polytetrafluorathylen, als Lager für den Rotor.

Der Luftspalt 1U 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 Rctoraußenteil 17 und dem Stator 10. Aufgrund dieser beiden Luftspalte und getrennter Lagerungen sind das Rotorinnenteil 16 und das Rotoraußenteil 17 unabhängig voneinander verdrehbar. Das Rotorinnenteil 16 besteht im gezeichneten Ausführungsbeispiel aus einem massiven Permannentmagnetteil, welches zweipolig diametral magnetisiert ist. Anstelle einer 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 Längsachse 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

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

Aus Figur 2 ist der zweiteilige Aufbau des Rotors deutlich erkennbar, wobei 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 iss das Rotorinnenteil 16 mit der Nabe 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 verdrehsicher gehalten ist.

Auf der dem offenen Ende des Hohlzylinders 30 zugeordneten Stirnfläche des Rotorinnerteils 16 ist ein Lüfter 33 befestigt, welcher mit dem frei drehbaren Rotorinnenteil 16 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 und 37, welche nur eine Verdrehung des Rotor-

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innenteile zum Rotoraußenteil in einer Drehrichtung erlauben. Hierdurch kann der Motor nur in einer Drehriehtung anlaufen, 86 daß er mit dieser Zusatzmaßnahme auch für Anwendungen geeignet ist, bei denen nur eine Drehrichtung zulässig ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung wirkt folgendermaßen!

Naoh dem Anlegen einer Wechselspannung an die Wicklung entsteht ein in Figur 1 vertikales magnetisches Wechselfeld, welches gegenüber dem permanentmagnetischem Feld des Rotorinnenteils 16 um einen vorgegebenen Winkel in der Ruhelage verdreht ist. Der Permanentmagnet-Rotor richtet sich nämlich in der Ruhelage so aus, daß der Fluß den Weg des geringsten magnetischen Widerstandes findet, 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 Drehschwingungen ausführen, solange bis die Beschleunigung ausreicht, daß es netzsynchron umläuft. Bei einer zweipoligen Bauweise von Stator und Rotor und einer Hetzfrequenz von 50 Hz des Stromes in der Statorwicklung 13 sind dies 3000 U/min. Das Rotorinnenteil λ6 ist nicht durch die angeschlossene Last beaufschlagt, so daß dem Anlauf des Motor insofern nichts entgegensteht. Beim Drehen des Permanentmagnet-Rötörinnenteils 16 wird nun ein Dre&feld erzeugt, welches in dem Rotöräußenteil 17 Strome induziert und dieses in Drehung versetzt. Das Rotoraußeöteil 1? 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 Ausführungsbeispiels 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 feil abgeschlossen sein. Das Lüfterrad 33 kann bei geringer Belastung des Motors entfallen.

Gegenüber 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. Dies-?« erzeugt ein umlaufendes Drehfeld ohne Zuhilfenahme von Zusatzwicklungen, ohne die beispielsweise ein Spaltpolmotor nicht anläuft. Der erfindungsgemäße Motor hat trotz Vergrößerung des Luftspaltes IU 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 läßt. Die Zahl der Verschleißteile ist auf ein Miniattfi reduziert,

Claims

19147 R. 30,12,1983 Rs/Bm ROBERT BOSCH GMBH, 70OO 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 einstelle, deren Feldausrichtung verschieden ist von der MagnetisierungSi'ichtung des Stators zur Erzeugung eines Anlauf-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 (16) und einem hiergegen verdrehbaren, im Luftspalt (1¹O 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.

h. 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 ns^h einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (27) mit abgesetztem Durchmesser cusgebildet 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 des permanentmagnetische Rotorinnenteil (16) zweipolig ausgebildet und diametral magnetisiert ist.

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

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

11. Induktionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in das Rotorinnenteil (16) axial eine vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus Polytetrafluoräthylen, ausgebildete Rabe (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 Drehrichtung des Rotorinnenteils (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 Rotorumfang zur Erzeugung eines Anlaufdrehmomentes.

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