EP0888663A2 - Strömungsmaschine, insbesondere für ein haushaltsgerät - Google Patents

Strömungsmaschine, insbesondere für ein haushaltsgerät

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Publication number
EP0888663A2
EP0888663A2 EP97916405A EP97916405A EP0888663A2 EP 0888663 A2 EP0888663 A2 EP 0888663A2 EP 97916405 A EP97916405 A EP 97916405A EP 97916405 A EP97916405 A EP 97916405A EP 0888663 A2 EP0888663 A2 EP 0888663A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
stator
machine according
drive motor
induction
Prior art date
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Ceased
Application number
EP97916405A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Kern
Jan Dijkstra
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AEG Hausgeraete GmbH
Original Assignee
AEG Hausgeraete GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by AEG Hausgeraete GmbH filed Critical AEG Hausgeraete GmbH
Publication of EP0888663A2 publication Critical patent/EP0888663A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47L—DOMESTIC WASHING OR CLEANING; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47L5/00—Structural features of suction cleaners
    • A47L5/12—Structural features of suction cleaners with power-driven air-pumps or air-compressors, e.g. driven by motor vehicle engine vacuum
    • A47L5/22—Structural features of suction cleaners with power-driven air-pumps or air-compressors, e.g. driven by motor vehicle engine vacuum with rotary fans
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/16—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having annular armature cores with salient poles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/08—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using magnetic effect devices, e.g. Hall-plates, magneto-resistors
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/02—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine
    • H02K9/04—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine having means for generating a flow of cooling medium
    • H02K9/06—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine having means for generating a flow of cooling medium with fans or impellers driven by the machine shaft

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine, in particular for a household appliance.
  • a permanent magnet motor In addition to universal motors with commutation through the sliding contacts, electronic, brushless commutated permanent magnet motors are also known.
  • the rotor instead of a rotor winding has permanent magnetic material with two or more magnetic poles.
  • the stator has two or more pole shoes with stator windings. These pole shoes with the stator windings are arranged and are controlled in such a way that an alternating or rotating induction field of the stator is generated and a torque is exerted on the permanent magnet rotor. Since the rotor follows the induction rotating field of the stator synchronously, such a motor is also called a synchronous motor.
  • Brushless direct current permanent magnet motors are known from DE-A-40 21 599, DE-A-39 28 313, DE-A-37 10 658, DE-A-36 22 231 and EP-A-0 682 404. Applications of these motors are not disclosed in these documents.
  • an electronically commutated permanent magnet direct current motor is known with a stator of a shaded-pole motor, in which the short-circuit windings forming the gap pole are omitted, and a two- or multi-pole permanent magnet rotor.
  • this known DC motor is magnetically two-pole and electrically single-phase (single-strand).
  • the rotor has two opposing magnetic poles (north and south poles) in a permanent magnet ring, which is arranged around a cylindrical core made of magnetizable material. The runner is enclosed by a symmetrically constructed stand.
  • the stand has a square cross-section and frame shaped yoke package, in which a pole package with a rotor bore is inserted for the rotor.
  • the pole pack completely encloses the rotor parallel to its axis of rotation in the form of a hollow cylinder and at a constant distance from the rotor.
  • a concentrated induction winding (stator winding) is arranged on two extensions of the pole package.
  • constrictions are provided in the hollow cylindrical pole packet in which the magnetic field saturates even at low winding currents.
  • there is also a running creation sensor which serves for electronic commutation and determination of the direction of rotation.
  • An application of the permanent magnet DC motor is not specified in DE-A-39 15 539.
  • German utility model 90 17 912 U1 describes an electric kitchen machine with an electronically commutated permanent magnet motor, which has a multi-pole disk-shaped rotor and a stator ring with a large number of pole pieces, around which an induction coil is wound , includes.
  • DE-A-39 28 313 discloses a vacuum cleaner with a brushless DC motor as the drive motor.
  • the DC motor is cooled in the intake duct of the vacuum cleaner by the intake air.
  • the object of the invention is to provide a turbomachine which is improved over the prior art and is particularly suitable for a household appliance.
  • the invention is based on the consideration of using an electrically single-phase and magnetically at least two-pole permanent magnet motor as the electric drive motor for a turbomachine for the first time.
  • a stator of this motor has a single-phase induction winding arrangement and, when energizing the induction winding arrangement, generates an induction field (magnetic flux density) which is at least approximately mirror-symmetrical with respect to a main symmetry plane containing the axis of rotation of the rotor.
  • the single-phase induction winding arrangement can contain one or more induction windings, all of which are supplied by a single operating voltage (phase). Due to the symmetry of the induction field, a higher efficiency of the drive motor is achieved than with an asymmetrical field, because a higher proportion of the field energy is converted into kinetic energy of the rotor, and furthermore stray fields are suppressed when the induction field changes over time.
  • the flow machine has a number of advantages over conventional flow machines with universal or induction motors: • Less wear, since there is no mechanical commutation
  • the induction field of the stator is also essentially mirror-symmetrical with respect to an additional symmetry plane that is perpendicular to the main plane of symmetry mentioned.
  • the induction winding arrangement of the stator can in particular comprise a distributed or a concentrated winding.
  • the induction winding arrangement has two concentrated induction windings which are arranged on the stator on opposite sides of the rotor.
  • the stator comprises a pole body made of a magnetizable material (with a relative permeability greater than one) which surrounds the rotor and is essentially mirror-symmetrical to the main plane of symmetry and a yoke in which the pole body is detachably inserted.
  • a particularly advantageous embodiment is distinguished by the fact that the stator has two pole bodies made of magnetizable material that lie opposite one another essentially mirror-symmetrically to the main plane of symmetry, between which the rotor is arranged. Since in this embodiment there is an air gap between the pole bodies and
  • Air has a higher magnetic resistance than the magnetizable material of the pole body, a greater part of the energy of the induction field of the stator is used for uses the movement of the rotor and thus achieves a higher degree of efficiency than in the case of the motor with a closed pole body.
  • the rotor and the magnetic poles of the rotor can be implemented in many different ways.
  • the rotor comprises a base body, preferably made of magnetizable material, and magnetic material that is magnetized in slots in accordance with the desired position and number of magnetic poles
  • the magnetic material in the slots of the rotor can be formed with prefabricated, in particular pressed, sintered or plastic-bonded, magnetic shaped bodies, with magnetic powder or magnetic granules provided with a binder, or else with injection-molded, magnet-containing plastic.
  • covers are provided at the ends of the rotor in both directions of the axis of rotation to prevent foreign bodies from penetrating into the space formed between the rotor and the stator.
  • the turbomachine comprises at least one sensor assigned to the stator, preferably a magnetic field sensor, for generating a measurement signal dependent on the angular position of the rotor and means for energizing the single-phase induction winding arrangement in Dependence on the measurement signal from the sensor.
  • the means preferably energize the induction winding arrangement with a current pulse (current pulse) of a predetermined polarity when the measurement signal of the sensor has accepted a predetermined signal value at least once.
  • the means apply a current pulse of a predetermined polarity to the induction winding arrangement during half a period of the measurement signal and with a current pulse of the opposite polarity during the other half period.
  • the period of the measurement signal is generally determined by the number of poles of the rotor and their angular positions.
  • a further embodiment of the turbomachine is characterized in that the drive motor is designed and arranged in a flow channel of the turbomachine for a flowing medium in such a way that the flowing medium between the inner walls of the flow channel and the outer walls of the stator of the drive motor flows through. As a result, the stator can be cooled with the flowing medium of the flow machine.
  • the drive motor can be designed and arranged in the flow channel such that the outer walls of the stator of the drive motor are flush with the inner walls of the flow channel and the flowing medium flows through the drive motor. This embodiment takes up less space.
  • FIG. 1 shows a permanent magnet motor as a drive motor for a turbomachine in cross section
  • Fig. 9 shows a permanent magnet drive motor for a turbomachine with a concentrated
  • FIG. 10 a permanent magnet drive motor for a turbomachine with a distributed induction winding
  • FIG. 11 a turbomachine with a permanent magnet drive motor and special control means
  • FIGS. 1 to 14 shows a further embodiment of a permanent magnet rotor for a permanent magnet motor in cross section, each in a schematic representation. Corresponding parts are the same in FIGS. 1 to 14
  • FIG. 1 shows a permanent magnet motor as the drive motor 2 of a turbomachine with a stator 3 and a rotor 4 in cross section.
  • the rotor 4 is preferably of hollow cylindrical shape with a diameter d and the cylinder axis as the axis of rotation (axis of rotation) A and is placed on a drive shaft 5 running parallel to the axis of rotation A for driving one or more impellers (not shown) of the turbomachine a main plane of symmetry E.
  • the rotor 4 is arranged within the stator 3, which is essentially symmetrical to the main plane of symmetry E and a yoke 35 and two pole bodies (pole shoes) 7 and 8 connected to the yoke 35.
  • the two pole bodies 7 and 8 are arranged symmetrically to the main plane of symmetry E and enclose the rotor 4 in a claw or crescent shape except for an intermediate space (gap) lying symmetrically to the main plane of symmetry E between the two pole bodies 7 and 8.
  • This intermediate space is part of an inside the Stator 3 formed interior 36, which also the intended for the rotor 4 central opening comprises.
  • the air gap formed between the rotor 4 and the pole bodies 7 and 8 preferably has a constant gap width (symmetrical air gap).
  • the stator 3 can be composed in particular as a laminated core made of one-piece, preferably white stamped, laminated steel sheets of the cross section shown in FIG. 1.
  • Each of the pole bodies 7 and 8 is assigned a concentrated induction winding 31 or 32, for example a copper coil, on a connecting piece running towards the yoke 35.
  • the two induction windings 31 and 32 are connected in series or in parallel between two poles (not shown) of a supply voltage (operating voltage) of control means (single-phase design) and at the same time are coordinated with one another in their sense of development so that they produce a rectified magnetic induction field B.
  • the induction windings 31 and 32 are arranged symmetrically to the main plane of symmetry E and are of identical design.
  • the induction windings 31 and 32 generate an induction field B which is mirror-symmetrical to the main plane of symmetry E (with regard to the strength or the amount of the induction field B).
  • the induction windings 31 and 32 can also be arranged asymmetrically to the main plane of symmetry E, since the pole bodies 7 and 8 guide and symmetrize the induction field B due to their high permeability compared to air.
  • the induction field B and in particular also the pole bodies 7 and 8 and the rotor 4 are preferably also mirror-symmetrical to a further plane of symmetry F which is oriented orthogonally to the main plane of symmetry E and also contains the axis of rotation A of the rotor 4.
  • the induction field B penetrates the intermediate space between the pole bodies 7 and 8 and thus the rotor 4. Due to the magnetic poles, not shown in FIG A torque is exerted on the rotor 4 and the attractive or repulsive forces acting on the induction field B as long as the poles are not aligned in the induction field B. This torque causes the rotation of the rotor 4 during operation of the drive motor 2.
  • the supply voltage applied to the induction winding arrangement with the induction windings 31 and 32 by the control means, not shown can be an AC voltage as an AC synchronous motor with a predetermined frequency, for example 230 V at 50 Hz, and in one embodiment as a DC motor synchronous motor, a DC voltage which is applied to the induction windings 31 and 32 at certain times, for example using a pulse alternation method.
  • the rotor 4 follows an alternating or rotating induction field B generated by the induction windings 31 and 32 and guided by the pole shoes 7 and 8.
  • the induction field B and the corresponding magnetic field of the stator 3 are superimposed on the rotating magnetic field of the rotor 4.
  • the resulting magnetic field is a field which is essentially symmetrical to the axis of rotation A of the rotor 4.
  • a magnetic field sensor 6 for detecting the position (angular position) of the rotor 4 is attached to the stator 3.
  • the magnetic field sensor 6 can, for example, be a Hall generator or also be a magnetoresistive sensor. When using a bipolar Hall generator, the magnetic field sensor 6 is also able to measure the polarity (north pole or south pole) of the rotor 4.
  • the magnetic field sensor 6 is used to determine the direction of rotation of the rotor 4 for the control means for controlling the drive motor 2.
  • other means for detecting the rotational position can also be provided, for example optical or inductive position sensors.
  • the rotor R is made of solid permanent magnet material, which is provided with two magnetic poles N (north pole) and S (south pole) which are offset by 180 ° to one another.
  • a central opening 45 for the drive shaft 5, not shown, is provided in the permanent magnet material.
  • the rotor 4 consists of a permanent magnet outer part 47 of circular cross-section and a three-dimensional cylindrical shell with two poles N and S and a core 46 again provided with the opening 45 made of a magnetizable ferromagnetic material, in particular soft magnetic iron such as sheet steel.
  • the rotor 4 according to FIG. 4 has four permanently magnetic outer parts, each shaped like a quarter-cylinder shell, around the core 46 47A to 47D, which are polarized alternately. This rotor 4 is thus four-pole.
  • the attached permanent magnet outer parts 47A to 47D on the core 46 according to FIG. 4 can be non-positively, positively or materially.
  • the rotor 4 each has a solid rotor body 43, preferably made of a magnetizable material such as, for example, steel that has been tinned again.
  • the rotor body 43 has a central opening 45 and slots (gaps, bores, openings) 42A to 42F in FIG. 1 or 41A to 41D in FIG. 2 or 40A and 40B in FIG. 3, which are filled with permanent magnetic material, on.
  • the size of the rotor body 43 decreases in the illustrated embodiments from FIG. 5 to FIG. 7.
  • the slots 40A to 42F are all the same size with the same length a.
  • the number of slots and slot arrangement is adapted to the different sizes of the rotor body 43. This has the advantage that a tool that is common for different rotors 4 can be used for the slots in production. It is of course also possible to use different slot sizes.
  • the slot dimensions are adapted to the mechanical and magnetic requirements of the drive motor 2.
  • the six slots 42A to 42F in FIG. 5, four slots 41A to 41D in FIG. 6 and two Slits 40A and 40B in FIG. 7 are arranged symmetrically to the central opening 45 on the periphery of the rotor body 43.
  • continuous slots in the rotor can also be provided in the circumferential direction.
  • the permanent magnetic material into the slots 40A to 42F and 44A and 44B according to FIGS. 5 to 7 and 14 to form the magnetic poles of the rotor 4.
  • prefabricated sintered, pressed or plastic-bonded magnets can be inserted into the slots.
  • the slots can be filled with magnetic powder or magnetic granulate, which is mixed with a binder.
  • a thermoplastic plastic, mixed with a magnetic granulate or powder can also be injected into the slots.
  • the magnetic material is magnetized after insertion into the slots in accordance with the desired preferred axes.
  • the parts of the rotor 4 consisting of laminated steel are also preferably formed as a laminated core, in that individual laminations punched according to the cross section shown in FIGS. 5, 6, 7 or 14 are connected to one another, for example welded or pressed together .
  • roller bearings or metal plain bearings for example made of copper, bronze or steel, not shown, can be used on the rotor 4 itself or on the drive shaft 5 in all embodiments.
  • plastic bearings which can be operated dry, wet or with special lubricants.
  • FIGS. 8 and 9 show embodiments of a drive motor 2 with a coherent, annular pole body 9, which is designed symmetrically to the main symmetry plane E and completely surrounds the rotor 4, not shown in FIGS. 8 and 9.
  • the pole body 9 is a part separate from the yoke 35 of the stator 3 and can be inserted into the yoke 35, two extensions 90 and 91 or 95 and 97 each engaging in bulges 92 and 93 or 94 and 96 in the yoke 35.
  • FIG. 8 and 9 show embodiments of a drive motor 2 with a coherent, annular pole body 9, which is designed symmetrically to the main symmetry plane E and completely surrounds the rotor 4, not shown in FIGS. 8 and 9.
  • the pole body 9 is a part separate from the yoke 35 of the stator 3 and can be inserted into the yoke 35, two extensions 90 and 91 or 95 and 97 each engaging in bulges 92 and 93 or 94 and 96 in the yok
  • the stator 3 again has a structure which is symmetrical with respect to the main plane of symmetry E, with a square yoke 35 and two induction windings 31 and 32 which are arranged symmetrically with respect to the main plane of symmetry E and are preferably prefabricated, each on one of the extensions 90 and 91 are placed on the pole body 9.
  • FIG. 10 An embodiment of a stator 3 with a distributed induction winding 34 for a drive motor 2 is illustrated in FIG. 10.
  • the induction winding 34 is guided in recesses 37 on the inside of the stator 3 in such a way that the resulting induction field B generated by all turns is mirror-symmetrical to the main plane of symmetry E.
  • a particularly advantageous control of the drive motor 2 is illustrated in the schematic diagram in FIG. 11.
  • a single-phase induction winding arrangement 30 is provided which, optionally together with additional pole bodies, generates an induction field B mirrored on a main plane of symmetry E.
  • the permanent magnet rotor 4 is mounted so that its axis of rotation A lies in the main plane of symmetry E.
  • the rotor 4 is designed with two poles, with a north pole N and a south pole S.
  • the rotor 4 is assigned a magnetic field sensor 6, which generates a measurement signal M which is a measure of the magnetic field of the permanent-magnet rotor 4.
  • the measurement signal M of the magnetic field sensor 6 changes periodically with a period of 360 ° for the angle of rotation of the rotor 4.
  • Means 12 for controlling the induction winding arrangement 30 with an electrical current I are also provided , which preferably a microprocessor and electronic actuators. These means 12 are also electrically connected to the magnetic field sensor 6 and evaluate the measurement signal M to form the current current value I.
  • the induction winding arrangement 30 is energized with a current pulse I of one polarity for half a period of 180 ° of the measurement signal M.
  • the polarity of the current I is reversed, so that the field direction of the induction field B is also reversed (electronic commutation). This ensures that the same torque is always exerted on the rotor 4 and that the rotor 4 rotates in the same direction.
  • the current pulse I lasts only part of the half period of 180 ° or also individual
  • the power of the drive motor 2 can also be controlled. If there are more than two magnetic poles of the rotor 4, the period of the measurement signal M is correspondingly shortened, corresponding to the number of pole changes in one revolution of the rotor 4. As long as the magnetic field sensor 6 is opposite a north pole of the rotor 4, corresponding to a first half period of 180 ° of the measurement signal M, the means 12 generate a current I of a polarity and vice versa for a south pole, corresponding to the other half period of likewise 180 ° of the measurement signal M, a current I of reversed polarity.
  • the means 12 preferably contain a corresponding start-up control in the form of a value table stored in a memory and readable by the microprocessor.
  • the motor itself controls its induction field B and its frequency by detecting the angular position of the rotor 4.
  • the speed of the motor 2 is thus determined on the basis of the mechanical load and the electrical energy supplied and not on the basis of an external frequency as in the case of a conventional synchronous motor.
  • the motor control principle according to FIG. 11 is not limited to a drive motor for a turbomachine, but can basically be used with any single-phase permanent magnet motor.
  • FIGS. 12 and 13 show the attachment of the drive motor 2 within a flow channel 10 of a flow machine, in particular a vacuum cleaner fan, for conveying a gaseous medium, for example air L.
  • a flow channel 10 In the flow channel 10 there is an impeller 13 of the turbomachine ordered, which is driven by the drive motor 2 via the drive shaft 5 and brings air L in the flow channel 10 to flow.
  • the drive motor 2 is now introduced into the flow channel 10 in such a way that an air gap remains between the drive motor 2 and the walls 14 and 15 of the flow channel 10, so that the air flow L between the side walls 14 and 15 of the flow channel and the outer surface of the drive motor 2 is performed.
  • This is particularly useful when the drive motor M is wound particularly tightly, so that internal ventilation of the laminated core and the copper coils is unfavorable, and ensures external cooling of the drive motor 2.
  • the length 1 along the axis of rotation A in the embodiment according to FIG. 12 is at most as large as the corresponding dimensions of the stator 3, so that the rotor 4 does not protrude from the stator 3, and smaller than the diameter d of the rotor 4.
  • covers 48 and 49 provided that cover the space between the rotor 4 and the stator 3 and protect it from the ingress of dirt or other foreign bodies and, if appropriate, protect the bearings of the rotor 4 that are also arranged there.
  • the drive motor 2 fills the entire flow channel 10 in cross section, i.e. the outer walls of the drive motor 2 rest on the inner walls 14 and 15 of the flow channel 10, so that here the sheet core and the copper coils are ventilated internally for cooling.
  • the rotor 4 protrudes from the stator 3 and has a greater length 1 than the diameter d.
  • FIGS. 12 and 13 A combination of the types of ventilation according to FIGS. 12 and 13 is also conceivable.
  • the air is first passed through the drive motor and then through the fan operated by the motor (impeller).
  • the cooling air can either come from the dust room or be sucked in directly through the ambient air through a bypass.
  • the electric motor described is suitable as a drive motor for all types of turbomachines, in particular fans for conveying air or another gas, pumps for conveying liquid media, compressors for gases or Liquids or heat pumps, however, is also suitable for other electric drives, for example for driving a washing drum of a washing machine, a grill in a stove and the like.
  • the motor according to the invention is preferably suitable for applications in a power range between approximately 100 W and approximately 2500 W.
  • the motor described is preferably used as the drive motor of a turbomachine of a household appliance.
  • Such flow machines can be, for example, blowers of vacuum cleaners, hair dryers, tumble dryers or domestic stoves (cooling blowers or circulating air blowers), circulation and / or drain pumps of washing machines or dishwashers, heat pumps of tumble dryers or also compressors (compressors) of refrigerators and / or freezers .

Landscapes

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  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Verwendung eines Permanentmagnet-Synchronmotors (2) als Antriebsmotor einer Strömungsmaschine in einem Haushaltsgerät.

Description

Beschreibung
Strömungsmaschine, insbesondere für ein Haushaltsgerät
Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsmaschine, ins¬ besondere für ein Haushaltsgerät.
In Gebläsen von Staubsaugern werden bisher ausschließlich Universalmotoren oder Induktionsmotoren als Antriebsmotoren verwendet. Diese Universalmotoren weisen einen Stator
(Ständer) mit Statorwicklungen und einen Rotor (Läufer) mit einer Rotorwicklung sowie Kollektorbürsten (Schleifkontak¬ te) zur kommutierten Kontaktierung der Rotorwicklung wäh¬ rend des Laufs des Rotors auf. Da bei solchen Motoren am Rotor Wärme entsteht, wird der Rotor in der Regel vom Luft- strom des vom Motor angetriebenen Gebläserads gekühlt. Die¬ se bekannten Staubsaugergebläse mit Universalantriebsmoto¬ ren sind wegen des mechanischen Kontakts und den Lichtbögen über die Kolektorbürsten einem vergleichsweise hohen Ver- schleiß ausgesetzt.
Außer Universalmotoren mit Kommutierung durch die Schleif¬ kontakte sind auch elektronisch, bürstenlos kommutierte Permanentmagnet-Motoren bekannt. Bei einem Permanentmagnet- Motor weist der Rotor anstelle einer Rotorwicklung perma- nentmagnetisches Material mit zwei oder mehr Magnetpolen auf. Der Stator weist zwei oder mehrere Polschuhe mit Sta¬ torwicklungen auf. Diese Polschuhe mit den Statorwicklungen sind so angeordnet und werden so angesteuert, daß ein wech¬ selndes oder drehendes Induktionsfeld des Stators erzeugt wird und auf den Permanentmagnet-Rotor ein Drehmoment aus¬ geübt wird. Da der Rotor synchron dem Induktionsdrehfeld des Stators folgt, nennt man einen solchen Motor auch Syn¬ chronmotor.
Aus DE-A- 40 21 599 , DE-A-39 28 313 , DE-A-37 10 658 , DE-A- 36 22 231 und EP-A- 0 682 404 sind bürstenlose Gleichstrom- Permanentmagnet-Motoren bekannt. Anwendungen dieser Motoren sind in diesen Schriften nicht offenbart.
Aus DE-A- 39 15 539 ist ein elektronisch kommutierter Perma¬ nentmagnet-Gleichstrommotor bekannt mit einem Ständer eines Spaltpolmotors, bei dem die den Spaltpol bildenden Kurz- schlußwindungen weggelassen sind, und einem zwei- oder mehrpoligen Permanentmagnetläufer. In einer Ausführungsform ist dieser bekannte Gleichstrommotor magnetisch zweipolig und elektrisch einphasig (einsträngig) ausgebildet. Der Läufer weist in dieser Ausführungsform zwei einander entge¬ gengesetzte Magnetpole (Nord- und Südpol) in einem Perma- nentmagnetring auf, welcher um einen zylindrischen Kern aus magnetisierbarem Material angeordnet ist. Der Läufer wird von einem symmetrisch aufgebauten Ständer umschlossen. Der Ständer weist ein im Querschnitt quadratisches und rahmen- förmiges Jochpaket auf, in das ein Polpaket mit einer Läu¬ ferbohrung für den Läufer eingesetzt ist. Das Polpaket um¬ schließt den Läufer parallel zu dessen Drehachse vollstän¬ dig in Gestalt eines Hohlzylinders und in einem konstanten Abstand zum Rotor. Auf zwei Fortsätzen des Polpakets sind jeweils eine konzentrierte Induktionswicklung (Ständerwicklung) angeordnet. In einer die Drehachse des Läufers enthaltenden neutralen Ebene, die nicht symmetrisch zu de Ständerwicklungen und dem von diesen erzeugten Induk- tionsfeld liegt, sind in dem hohlzylindrischen Polpaket Einschnürungen vorgesehen, in denen das Magnetfeld schon bei geringen Wicklungsströmen in Sättigung geht. Neben der neutralen Ebene ist ferner ein Lauferstellungssensor ange¬ ordnet, der zur elektronischen Kommutierung und Drehrich- tungsbeStimmung dient. Eine Anwendung des Permanentmagnet- Gleichstrommotors ist in DE-A-39 15 539 nicht angegeben.
In dem deutschen Gebrauchsmuster 90 17 912 Ul ist eine elektrische Küchenmaschine beschrieben mit einem elektro- nisch kommutierten Permanentmagnet-Motor, der einen vielpo- ligen scheibenförmigen Läufer und einen Ständerring mit ei¬ ner Vielzahl von Polschuhen, um die jeweils eine Indukti¬ onsspule gewickelt ist, umfaßt.
Aus DE-A-38 25 035 ist eine Faß- oder Behälterpumpe mit einem bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrom- motror als Antriebsmotor bekannt . Die DE-A-39 28 313 offenbart einen Schmutzsauger mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor als Antriebsmotor. Der Gleichstrommotor wird im Ansaugkanal des Saugers von der angesaugten Luft gekühlt .
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Strömungsmaschine, die insbesondere für ein Haushaltsgerät geeignet ist, anzugeben.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merk¬ malen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 22.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, als elektrischen Antriebsmotor für eine Strömungsmaschine erstmalig einen elektrisch einphasigen und magnetisch wenigstens zweipoli¬ gen Permanentmagnet-Motor einzusetzen.
Ein Stator dieses Motors weist gemäß Anspruch 1 eine ein¬ phasige Induktionswicklungsanordnung auf und erzeugt bei Bestromen der Induktionswicklungsanordnung ein bezüglich einer die Drehachse des Rotors enthaltenden Hauptsymme¬ trieebene wenigstens annähernd spiegelsymmetrisches Induk¬ tionsfeld (magnetische Flußdichte) . Die einphasige Indukti¬ onswicklungsanordnung kann eine oder mehrere Induktions- Wicklungen enthalten, die alle von einer einzigen Betriebs¬ spannung (Phase) versorgt werden. Durch die Symmetrie des Induktionsfeldes erreicht man einen höheren Wirkungsgrad des Antriebsmotors als bei einem asymmetrischen Feld, da ein höherer Anteil der Feldenergie in kinetische Energie des Rotors umgesetzt wird, und ferner werden bei der zeit¬ lichen Änderung des Induktionsfeldes Streufelder unter¬ drückt .
Mit dem Antriebsmotor gemäß der Erfindung weist die Strö¬ mungsmaschine eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmli¬ chen Strömungsmaschinen mit Universal- oder Induktionsmoto¬ ren auf : • geringerer Verschleiß, da keine mechanische Kommutierung
• längere Lebensdauer
• höhere Zuverlässigkeit
• einfacherer, kompakterer und kostengünstigerer Aufbau
• niedrigere Verlustleistung, insbesondere im Rotor, und dadurch bessere Kühlbarkeit
• höherer Wirkungsgrad
• geringere Strömungsverluste
• unempfindlicher gegenüber elektromagnetischen Störungen
• niedrigere Laufgeräusche, was bei Strömungsmaschinen von Haushaltsgeräten wegen der besonderen Lärmsensibilität im privaten Wohn- und Arbeitsbereich besonders vorteilhaft ist
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Strö- mungsmaschine ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängi¬ gen Ansprüchen. Demnach ist in einer ersten Weiterbildung das Induktions¬ feld des Stators auch bezüglich einer zur genannten Haupt- symmetrieebene senkrecht gerichteten, zusätzlichen Symme¬ trieebene im wesentlichen spiegelsymmetrisch.
Die Induktionswicklungsanordnung des Stators kann insbeson¬ dere eine verteilte oder auch eine konzentrierte Wicklung umfassen. In einer besonderen Ausführungsform weist die In¬ duktionswicklungsanordnung zwei konzentrierte Induktions- Wicklungen auf, die am Stator auf entgegengesetzten Seiten des Rotors angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfaßt der Stator einen den Rotor geschlossen umgebenden und im wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Hauptsymmetrieebene ausgebildeten Polkörper aus einem magnetisierbaren Material (mit einer relativen Permeabilität größer eins) und ein Joch, in das der Polkörper lösbar eingesetzt ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch ausgezeichnet, daß der Stator zwei einander im wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Hauptsymmetrieebene gegenüberliegen¬ de Polkörper aus magnetisierbarem Material aufweist, zwi¬ schen denen der Rotor angeordnet ist. Da in dieser Ausfüh- rungsform zwischen den Polkörpern ein Luftspalt liegt und
Luft einen höheren magnetischen Widerstand als das magneti- sierbare Material der Polkörpers aufweist, wird ein größe¬ rer Teil der Energie des Induktionsfeldes des Stators für die Bewegung des Rotors genutzt und somit ein höherer Wir¬ kungsgrad erreicht als bei dem Motor mit geschlossenem Pol- körper.
Der Rotor und die Magnetpole des Rotors können auf viele verschiedene Arten realisiert sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Rotors umfaßt der Rotor einen Grundkör¬ per, vorzugsweise aus magnetisierbarem Werkstoff, und ma¬ gnetisches und entsprechend der gewünschten Lage und Zahl der Magnetpole aufmagnetisiertes Material in Schlitzen
(Ausnehmungen, Öffnungen, Bohrungen) des Grundkörpers. Das magnetische Material in den Schlitzen des Rotors kann mit vorgefertigten, insbesondere gepreßten, gesinterten oder kunststoffgebundenen, Magnetformkörpern, mit mit Bindemit- tel versehenem Magnetpulver oder Magnetgranulat oder auch gespritztem, magnethaltigem Kunststoff gebildet sein.
In einer Weiterbildung sind in beiden Richtungen der Dreh¬ achse gesehen an den Enden des Rotors Abdeckungen vorgese- hen zum Verhindern des Eindringens von Fremdkörpern in den zwischen Rotor und Stator gebildeten Zwischenraum.
Die entlang der Rotationsachse gemessene Länge des Rotors ist vorzugsweise zwischen etwa halb und etwa doppelt so groß wie der senkrecht zur Rotationsachse gemessene Durch¬ messer des Rotors. Dadurch erhält man ein gutes Vehältnis von Oberfläche zu Länge des Rotors und einen besonders gu¬ ten Wirkungsgrad des Motors. Zum Betreiben des Motors umfaßt die Strömungsmaschine in einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform we¬ nigstens einen, dem Stator zugeordneten Sensor, vorzugswei- se einen Magnetfeldsensor, zum Erzeugen eines von der Win¬ kelposition des Rotors abhängigen Meßsignals und Mittel zum Bestromen der einphasigen Induktionswicklungsanordnung in Abhängigkeit von dem Meßsignal des Sensors. Die Mittel be¬ stromen die Induktionswicklungsanordnung vorzugsweise immer dann mit einem Strompuls (Stromimpuls) einer vorgegebenen Polarität, wenn das Meßsignal des Sensors einen vorgegebe¬ nen Signalwert wenigstens einmal angenommen hat. Insbeson¬ dere beaufschlagen die Mittel die Induktionswicklungsanord¬ nung während einer halben Periode des Meßsignals mit einem Strompuls einer vorgegebenen Polarität und während der an¬ deren halben Periode mit einem Strompuls der umgekehrten Polarität. Die Periode des Meßsignals ist im allgemeinen festgelegt durch die Zahl der Pole des Rotors und deren Winkelpositionen.
Dadurch erhält man ein Motorsteuerungsprinzip, bei dem der Motor, sobald sich der Rotor dreht, durch Messen der Win¬ kelposition des Rotors sein Induktionsfeld selbst steuert. Das Induktionsfeld wird automatisch, ohne feste externe An- Steuerung, wie beispielsweise bei einer Frequenzansteuerung bei einem Synchronmotor, vom drehenden Rotor während jeder Umdrehung selbst bestimmt, indem der Rotor immer in den gleichen, definierten Winkelpositionen ein Drehmoment (einen Kraftstoß) durch das Induktionsfeld erfährt. Durch diese Maßnahmen sucht sich der Motor bei jeder mechanischen Last (Beanspruchung) durch das Laufrad der Strömungsmaschi¬ ne selbst seinen zugehörigen Arbeitspunkt mit optimaler Drehzahl und zugehörigem Drehmoment, bei dem die Motorlei¬ stung als Produkt von Drehzahl und Drehmoment optimal ist. Mit dieser besonderen Ansteuerung hat die Strömungsmaschine also einen besonders guten Wirkungsgrad.
Eine weitere Ausführungsform der Strömungsmaschine ist da¬ durch ausgezeichnet, daß, wobei der Antriebsmotor so ausge¬ bildet und so in einem Strömungskanal der Strömungsmaschine für ein strömendes Medium angeordnet ist, daß das strömende Medium zwischen den Innenwänden des Strömungskanals und den Außenwänden des Stators des Antriebsmotors durchströmt. Da¬ durch kann der Stator mit dem strömenden Medium der Strö¬ mungsmaschine gekühlt werden.
In einer anderen Ausführungsform kann aber der Antriebsmo- tor so ausgebildet und so in dem Strömungskanal angeordnet sein, daß die Außenwände des Stators des Antriebsmotors mit den Innenwänden des Strömungskanals abschließen und das strömende Medium den Antriebsmotor durchströmt. Diese Aus¬ führungsform hat einen geringeren Platzbedarf.
Ausführungsbeispiele einer Strömungsmaschine und Teile ei¬ ner Strömungsmaschine gemäß der Erfindung sind im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigen: Fig. 1 einen Permanentmagnet-Motor als Antriebsmotor für eine Strömungsmaschine im Querschnitt,
Fig. 2 bis 7 verschiedene Ausbildungen eines Permanentma¬ gnet-Rotors für einen Permanentmagnet-Motor jeweils im Querschnitt
Fig. 8 einen Permanentmagnet-Antriebsmotor für eine Strömungsmaschine mit zwei Induktionswicklun¬ gen
Fig. 9 einen Permanentmagnet-Antriebsmotor für eine Strömungsmaschine mit einer konzentrierten
Induktionswicklung
Fig. 10 einen Permanentmagnet-Antriebsmotor für eine Strömungsmaschine mit einer verteilten Induktionswicklung Fig. 11 eine Strömungsmaschine mit einem Permanentma¬ gnet-Antriebsmotor und besonderen Ansteuer¬ mitteln,
Fig. 12 und 13 eine Strömungsmaschine mit einem innerhalb eines Strömungskanals angeordneten Permanent- magnet-Antriebsmotor und
Fig. 14 eine weitere Ausbildung eines Permanentma¬ gnet-Rotors für einen Permanentmagnet-Motor im Querschnitt jeweils in einer schematischen Darstellung. Einander ent- sprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 14 mit denselben
Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt einen Permanentmagnet-Motor als Antriebsmotor 2 einer Strömungsmaschine mit einem Stator 3 und einem Ro¬ tor 4 im Querschnitt . Der Rotor 4 ist vorzugsweise von hohlzylindrischer Gestalt mit einem Durchmesser d und der Zylinderachse als Drehachse (Rotationsachse) A und ist auf eine parallel zur Drehachse A verlaufende Antriebswelle 5 zum Antreiben eines oder mehrerer nicht dargestellter Lauf¬ räder der Strömungsmaschine gesteckt Durch die Drehachse A verläuft eine Hauptsymmetrieebene E. Der Rotor 4 ist inner- halb des Stators 3 angeordnet, der im wesentlichen symme¬ trisch zur Hauptsymmetrieebene E ausgebildet ist und ein Joch 35 sowie zwei mit dem Joch 35 verbünde Polkörper (Polschuhe) 7 und 8. Die beiden Polkörper 7 und 8 sind sym¬ metrisch zur Hauptsymmetrieebene E angeordnet und umschlie- ßen den Rotor 4 klauen- oder halbmondförmig bis auf einen symmetrisch zur Hauptsymmetrieebene E liegenden Zwischen¬ raum (Spalt) zwischen den beiden Polkörpern 7 und 8. Dieser Zwischenraum ist Teil eines innerhalb des Stators 3 gebil¬ deten Innenraums 36, der auch die für den Rotor 4 vorgese- hene zentrale Öffnung umfaßt. Der zwischen Rotor 4 und den Polkörpern 7 und 8 gebildete Luftspalt weist vorzugsweise eine konstante Spaltbreite auf (symmetrischer Luftspalt) . Der Stator 3 kann insbesondere als Blechpaket aus einstük- kigen, vorzugsweie gestanzten, Blechen aus geblechtem Stahl von dem in Fig. 1 dargestellten Querschnitt zusammengesetzt sein. Jedem der Polkörper 7 und 8 ist auf einem zum Joch 35 hin verlaufenden Verbindungsstück eine konzentrierte Indukti¬ onswicklung 31 bzw. 32, beispielsweise eine Kupferspule, zugeordnet. Die beiden Induktionswicklungen 31 und 32 sind seriell oder parallel zwischen zwei nicht dargestellte Pole einer Versorgungsspannung (Betriebsspannung) von Steuermit¬ teln geschaltet (einphasige Ausführung) und sind zugleich in ihrem Wiσklungssinn so aufeinander abgestimmt, daß sie ein gleichgerichtetes magnetisches Induktionsfeld B erzeu- gen. In der dargestellten Ausführungsform sind die Indukti¬ onswicklungen 31 und 32 symmetrisch zur Hauptsymmetrieebene E angeordnet und gleich ausgebildet. Dadurch erzeugen die Induktionswicklungen 31 und 32 ein Induktionsfeld B, das spiegelsymmetrisch zur Hauptsymmetrieebene E ist (hinsichtlich der Stärke oder des Betrags des Induktions- feldes B) . Die Induktionswicklungen 31 und 32 können aber auch asymmetrisch zur Hauptsymmetrieebene E angeordnet sein, da die Polkörper 7 und 8 aufgrund ihrer im Vergleich zu Luft hohen Permeabilität das Induktionsfeld B führen und symmetrisieren. Vorzugsweise ist das Induktionsfeld B und insbesondere auch die Polkörper 7 und 8 und der Rotor 4 zu¬ sätzlich spiegelsymmetrisch zu einer weiteren Symmetrieeben F, die orthogonal zur Hauptsymmetrieebene E gerichtet ist und ebenfalls αie Drehachse A des Rotors 4 enthält.
Das Induktionsfeld B durchdringt den Zwischenraum zwischen den Polkörpern 7 und 8 und damit den Rotor 4. Durch die zwischen den in FIG 1 nicht dargestellten Magnetpolen des Rotors 4 und dem Induktionsfeld B wirkenden Anziehungs¬ oder Abstoßungskräfte wird auf den Rotor 4 ein Drehmoment ausgeübt, solange die Pole nicht im Induktionsfeld B ausge¬ richtet sind. Dieses Drehmoment bewirkt die Rotation des Rotors 4 im Betrieb des Antriebmotors 2. Die an die Induk¬ tionswicklungsanordnung mit den Induktionswicklungen 31 und 32 von den nicht dargestellten Steuermitteln angelegte Ver¬ sorgungsspannung kann in einer Ausführungsform des An¬ triebsmotors 2 als AC-Synchronmotor eine Wechselspannung mit einer vorgegebenen Frequenz, beispielsweise 230 V mit 50 Hz, und in einer Ausführungsform als Gleichstrommotor- Synchronmotor eine Gleichspannung sein, die zu bestimmten Zeitpunkten auf die Induktionswicklungen 31 und 32 gelegt wird, z.B. nach einem Pulswechselverfahren. Bei diesen Aus- führungsformen als Synchronmotor folgt der Rotor 4 einem von den Induktionswicklungen 31 und 32 erzeugten und von den Polschuhen 7 und 8 geführten Wechsel- oder Drehindukti¬ onsfeld B synchron.
Bei aus der Gleichgewichtslage gebrachtem und drehendem Ro¬ tor 4 wird dem Induktionsfeld B und dem entsprechenden Ma¬ gnetfeld des Stators 3 das drehende Magnetfeld des Rotors 4 überlagert. Das resultierende Magnetfeld iεt ein im wesent¬ lichen zur Drehachse A des Rotors 4 symmetrisches Feld.
Am Stator 3 ist ein Magnetfeldsensor 6 zur Detektion der Lage (Winkelposition) des Rotors 4 angebracht. Der Magnet- feldsensor 6 kann beispielsweise ein Hallgenerator oder auch ein magnetoresistiver Sensor sein. Bei Verwendung ei¬ nes bipolaren Hallgenerators ist der Magnetfeldsensor 6 auch in der Lage, die Polarität (Nordpol oder Südpol) des Rotors 4 zu messen. Der Magnetfeldsensor 6 dient zur Be¬ stimmung der Drehrichtung des Rotors 4 für die Steuermittel zur Ansteuerung des Antriebsmotors 2. Anstelle eines Ma¬ gnetfeldsensors 6 können auch andere Mittel zur Drehpositi¬ onserfassung vorgesehen sein, beispielsweise optische oder induktive Positionssensoren.
Die Fig. 2 bis 7 zeigen verschiedene Ausführungsmöglichkei¬ ten des Rotors 4 jeweils in einem Querschnitt.
In Fig. 2 ist der Rotor R massiv aus Dauermagnetmaterial aufgebaut, das mit zwei um 180° zueinander versetzten Ma¬ gnetpolen N (Nordpol) und S (Südpol) versehen ist. In dem Dauermagnetmaterial ist eine zentrale Öffnung 45 für die nicht dargestellte Antriebswelle 5 vorgesehen.
Gemäß Fig. 3 besteht der Rotor 4 aus im Querschnitt kreis¬ ringförmigem und dreidimensional zylinderschalenförmigem Permanentmagnetaußenteil 47 mit zwei Polen N und S und ei¬ nem wieder mit der Öffnung 45 versehenen Kern 46 aus einem magnetisierbaren ferromagnetischen Material, insbesondere weichmagnetischem Eisen wie geblechtem Stahl.
Der Rotor 4 gemäß Fig. 4 weist um den Kern 46 vier dauerma¬ gnetische, jeweils viertelzylinderschalenformige Außenteile 47A bis 47D auf, die alternierend gepolt sind. Dieser Rotor 4 ist also vierpolig ausgebildet. Die Befestigung der auf¬ gesetzten Permanentmagnet-Außenteile 47A bis 47D auf dem Kern 46 gemäß Fig. 4 kann kraft-, form- oder stoffschlüssig erfolgen.
Besonders vorteilhafte Ausführungsformen des Rotors 4 sind in den Fig. 5 bis 7 sowie in Fig. 14 gezeigt. Der Rotor 4 weist in diesen Ausführungsformen jeweils einen massiven Rotorkörper 43, vorzugsweise aus magnetisierbarem Material wie beispielsweise wieder geblechtem Stahl, auf. Der Rotor¬ körper 43 weist eine zentrale Öffnung 45 und Schlitze (Spalte, Bohrungen, Öffnungen) 42A bis 42F in Fig. 1 oder 41A bis 41D in Fig. 2 oder 40A und 40B in Fig. 3, die mit dauermagnetischem Material gefüllt sind, auf.
Die Größe des Rotorkörpers 43 nimmt in den dargestellten Ausführungsformen von Fig. 5 zu Fig. 7 ab. Die Schlitze 40A bis 42F sind alle gleich groß mit einer gleichen Länge a. Die Schlitzzahl und Schlitzanordnung ist den unterschiedli¬ chen Größen des Rotorkörpers 43 angepaßt. Das hat den Vor¬ teil, daß in der Fertigung ein für verschiedene Rotoren 4 gemeinsames Werkzeug für die Schlitze verwendet werden kann. Es ist natürlich auch möglich, unterschiedliche Schlitzgrößen zu verwenden. Die Schlitzabmessungen werden den mechanischen und magnetischen Anforderungen des An- triebsmotorε 2 angepaßt. Die sechs Schlitze 42A bis 42F in Fig. 5, vier Schlitze 41A bis 41D in Fig. 6 und zwei Schlitze 40A und 40B in Fig. 7 sind symmetrisch zur zentra¬ len Öffnung 45 an der Peripherie des Rotorkörpers 43 ange¬ ordnet .
In Fig. 14 sind zwei im wesentlichen parallel zum Umfang des Zylindermantels des Rotors 4 verlaufende, fast halb¬ kreisförmige Schlitze 44A und 44B vorgesehen.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform können auch in Umfangsrichtung durchgehende Schlitze im Rotor vorgesehen sein.
Zum Einbringen des permanentmagnetischen Materials in die Schlitze 40A bis 42F sowie 44A und 44B gemäß den Fig. 5 bis 7 bzw. Fig. 14 zum Ausbilden der Magnetpole des Rotors 4 sind mehrere Varianten möglich. Zum einen können vorgefer¬ tigte gesinterte, gepreßte oder kunststoffgebundene Magnete in die Schlitze eingesetzt werden. Weiter können die Schlitze mit Magnetpulver oder Magnetgranulat, das mit ei- nem Bindemittel versetzt ist, gefüllt werden. Schließlich kann in die Schlitze auch ein mit einem magnetischen Granu¬ lat oder Pulver versetzter, insbesondere thermoplastischer Kunststoff gespritzt werden. In den beiden letztgenannten Ausführungsfromen wird das Magnetmaterial nach Einbringen in die Schlitze entsprechend den gewünschten Vorzugsachsen aufmagnetisiert . Diese Ausführungsformen des Rotors 4 mit Schlitzen in einem Rotorkörper hat den Vorteil, daß die me¬ chanischen Kräfte von dem stabileren Rotorkörper und nicht vom Magnetmaterial aufgenommen werden und Magnetmaterial eingespart werden kann sowie eine hohe Flexibilität beim Gestalten des Rotors 4 gewährleistet ist.
Auch die aus geblechtem Stahl bestehenden Teile des Rotors 4 werden vorzugsweise als Blechpaket gebildet, indem ein¬ zelne gemäß dem in den Fig. 5, 6, 7 oder 14 gezeigten Quer¬ schnitt gestanzte Bleche miteinander verbunden werden, bei¬ spielsweise zusammengeschweißt oder zusammengepreßt werden.
Zur Lagerung des Rotors 4 können in allen Ausführungsformen am Rotor 4 selbst oder an der Antriebswelle 5 nicht darge¬ stellte Wälzlager oder Metallgleitlager, beispielsweise aus Kupfer, Bronze oder Stahl, eingesetzt werden. Es ist aber auch die Verwendung von Kunststofflagern möglich, die so¬ wohl im Trockenlauf, naß als auch mit besonderen Gleitmit¬ teln betrieben werden können.
Die Fig. 8 und 9 zeigen Ausführungsformen eines Antriebsmo- tors 2 mit einem zusammenhängenden, symmetrisch zur Haupt- symmetrieebene E ausgebildeten, ringförmigen Polkörper 9, der den in den Fig. 8 und 9 nicht dargestellten Rotor 4 vollständig umschließt. Der Polkörper 9 ist ein vom Joch 35 des Stators 3 getrenntes Teil und in das Joch 35 einsetz- bar, wobei jeweils zwei Fortsätze 90 und 91 bzw. 95 und 97 jeweils in Ausbuchtungen 92 und 93 bzw. 94 und 96 im Joch 35 eingreifen. In Fig. 8 hat der Stator 3 wieder einen bezüglich der Hauptsymmetrieebene E symmetrischen Aufbau mit einem qua¬ dratischen Joch 35 und zwei symmetrisch zur Hauptsymme¬ trieebene E angeordneten und vorzugsweise vorgefertigten Induktionswicklung 31 bzw. 32, die jeweils auf einen der Fortsätze 90 und 91 an dem Polkörper 9 aufgesetzt sind.
Fig. 9 zeigt dagegen eine Ausführungsform mit einem bezüg¬ lich der Hauptsymmetrieebene E asymmetrischen Aufbau des Antriebsmotors 2 mit nur einer Induktionswicklung 33, die auf den Fortsatz 95 des Polkörpers 9 aufgesetzt ist und ei¬ nem asymmetrischen Joch 35. Das Induktionsfeld B, das der Rotor 4 „sieht", ist dennoch wegen der Symmetrie des Pol- körpers 9 symmetrisch zu Hauptsymmetrieebene E.
Eine Ausführungsform eines Stators 3 mit verteilter Induk¬ tionswicklung 34 für einen Antriebsmotor 2 ist in Fig. 10 veranschaulicht. Die Induktionswicklung 34 ist in Ausbuch¬ tungen 37 an der Innenseite des Stators 3 derart geführt, daß das von allen Windungen erzeugte resultierende Indukti¬ onsfeld B spiegelsymmetrisch zur Hauptsymmetrieebene E ist
Eine besonders vorteilhafte Ansteuerung des Antriebsmotors 2 ist in der Prinzipskizze der Fig. 11 veranschaulicht. Es ist eine einphasige Induktionswicklungsanordnung 30 vorge¬ sehen, die, gegebenenfalls zusammen mit zusätzlichen Pol¬ körpern, ein an einer Hauptsymmetrieebene E gespiegeltes Induktionsfeld B erzeugt. In dem symmetrischen Induktions- feld B ist der Permanantmagnet-Rotor 4 so gelagert, daß seine Drehachse A in der Hauptsymmetrieebene E liegt. Der Rotor 4 ist zweipolig ausgebildet mit einem Nordpol N und einem Südpol S. Dem Rotor 4 ist ein Magnetfeldsensor 6 zu- geordnet, der ein Meßsignal M erzeugt, das ein Maß für das Magnetfeld des permanentmagnetischen Rotors 4 ist. Bei dre¬ hendem Rotor 4 ändert sich das Meßsignal M des Magnetfeld¬ sensors 6 periodisch mit einer Periode von 360° für den Drehwinkel des Rotors 4. Es sind ferner Mittel 12 zum An- steuern der Induktionswicklungsanordnung 30 mit einem elek¬ trischen Strom I vorgesehen, die vorzugsweise einen Mikro¬ prozessor und elektronische Stellglieder. Diese Mittel 12 sind auch mit dem Magnetfeldsensor 6 elektrisch verbunden und werten das Meßsignal M zum Bilden des aktuellen Strom- wertes I aus. Abhängig von einer gewünschten Drehrichtung wird während einer halben Periode von 180° des Meßsignals M die Induktionswicklungsanordnung 30 mit einem Strompuls I einer Polarität bestromt . Während der nächsten halben Peri¬ ode von 180° wird die Polarität des Stromes I umgekehrt, so daß sich auch die Feldrichtung des Induktionsfeldes B um¬ kehrt (elektronische Kommutierung) . Somit wird gewährlei¬ stet, daß auf den Rotor 4 immer ein gleichgerichtetes Drehmoment ausgeübt wird und der Rotor 4 sich in die glei¬ che Richtung dreht. Indem der Strompuls I nur einen Teil der halben Periode von 180° lang währt oder auch einzelne
Perioden ausgelassen werden, kann auch die Leistung des An¬ triebsmotors 2 gesteuert werden. Bei mehr alε zwei Magnet¬ polen des Rotors 4 ist die Periodendauer des Meßsignals M entsprechend verkürzt, entsprechend der Anzahl der Polwech¬ sel bei einem Umlauf des Rotors 4. Solange dem Magnetfeld- senosr 6 ein Nordpol des Rotors 4 gegenüberliegt, entspre¬ chend einer ersten halben Periode von 180° des Meßsignals M, erzeugen die Mittel 12 einen Strom I einer Polarität und umgekehrt bei einem Südpol, entsprechend der anderen halben Periode von ebenfalls 180° des Meßsignals M, einen Strom I umgekehrter Polarität. Zum Anlaufen des Rotors 4 werden zu¬ sätzliche elektronische Maßnahmen vorgesehen, insbesondere ein starker Anlaufstrompuls und/ oder eine mit vorgegebener Geschwindigkeit alternierende Bestromung zum Erzeugen einer wackelnden Bewegung des Rotors 4, um den Rotor 4 aus seiner Gleichgewichtslage zu bringen. Die Mittel 12 enthalten dazu vorzugsweise eine entsprechende Anlaufsteuerung in Form ei- ner in einem Speicher gespeicherten und von dem Mikropro¬ zessor auslesbaren Wertetabelle.
Bei diesem Motorsteuerungsprinzip gemäß Fig. 11 steuert der Motor, sobald sich der Rotor 4 dreht, durch Erfassen der Winkelposition des Rotors 4 selbst sein Induktionsfeld B und dessen Frequenz. Die Drehzahl des Motors 2 bestimmt sich somit aufgrund der mechanischen Belastung und elek¬ trisch zugeführten Energie und nicht aufgrund einer exter¬ nen Frequenz wie bei einem konventionellen Synchronmotor.
Das Motorsteuerungsprinzip gemäß Fig. 11 ist nicht auf ei¬ nen Antriebsmotor für eine Strömungsmaschine beschränkt , sondern prinzipiell bei jedem einphasigen Permanentmagnet- Motor einsetzbar.
Die Fig. 12 und 13 zeigen die Anbringung des Antriebsmotors 2 innerhalb eines Strömungskanals 10 einer Strömungsmaschi¬ ne, insbesondere eines Staubsaugergebläses, zum Fördern ei¬ nes gasförmigen Mediums, beispielsweise Luft L. Im Strö¬ mungskanal 10 ist ein Laufrad 13 der Strömungsmaschine an¬ geordnet, das über die Antriebswelle 5 vom Antriebsmotor 2 angetrieben wird und Luft L im Strömungskanal 10 zum Strö¬ men bringt .
In Fig. 12 ist der Antriebsmotor 2 nun so in den Strömungs- kanal 10 eingebracht, daß zwischen dem Antriebsmotor 2 und den Wänden 14 und 15 des Strömungskanals 10 ein Luftspalt bleibt, so daß die Luftströmung L zwischen den Seitenwänden 14 und 15 des Strömungskanals und der äußeren Mantelfläche des Antriebsmotors 2 durchgeführt wird. Dies bietet sich vor allem dann an, wenn der Antriebsmotor M besonders dicht gewickelt ist, so daß eine Innenbelüftung des Blechpaketes und der Kupferspulen ungünstig ist, und gewährleistet eine Außenkühlung des Antriebsmotors 2. Die Länge 1 entlang der Drehachse A in der Ausführungsform gemäß Fig. 12 ist höch¬ stens so groß wie die entsprechenden Abmessungen des Sta- tors 3, so daß der Rotor 4 nicht aus dem Stator 3 heraus- ragt, und kleiner als der Durchmesser d des Rotors 4. An den Stirnseiten des Rotors 4 sind am Stator 3 oder Rotor 4 oder der Antriebswelle 5 befestigte Abdeckungen 48 und 49 vorgesehen, die den Zwischenraum zwischen Rotor 4 und Sta¬ tor 3 abdecken und vor dem Eindringen von Schmutz oder son¬ stigen Fremdkörpern schützen und gegebenenfalls die eben¬ falls dort angeordnete Lager der Rotors 4 schützen.
In Fig. 13 füllt der Antriebsmotor 2 den gesamten Strö¬ mungskanal 10 im Querschnitt aus, d.h. die Außenwände des Antriebsmotors 2 liegen an den Innenwänden 14 und 15 des Strömungskanals 10 an, so daß hier eine Innenbelüftung des Blechpaketes und der Kupferspulen zur Kühlung erfolgt. Der Rotor 4 ragt in der Ausführungsform gemäß Fig. 13 aus dem Stator 3 heraus und weist eine größere Länge 1 als Durch¬ messer d auf.
Denkbar ist auch eine Kombination der Belüftungsarten gemäß Fig. 12 und Fig. 13. Bei einer Ausführungsform, die insbe¬ sondere bei einem Staubsauger zum Einsatz kommen könnte, ist es vorteilhaft, wenn die Luft zuerst durch den An¬ triebsmotor geführt wird und anschließend durch den vom Mo- tor betriebenen Ventilator (Laufrad) . Bei Verwendung des
Motors in einem Staubsauger kann die Kühlluft entweder aus dem Staubraum stammen oder durch einen Bypass direkt über die Umgebungsluft angesaugt werden.
Der beschriebene elektrische Motor eignet sich als An¬ triebsmotor für Strömungsmaschinen aller Art, insbesondere Gebläse zum Fördern von Luft oder einem anderen Gas, Pumpen zum Fördern flüssiger Medien, Verdichter für Gase oder Flüssigkeiten oder auch Wärmepumpen, ist jedoch auch für andere elektrische Antriebe geeignet, beispielsweise zum Antreiben einer Wäschetrommel einer Waschmaschine, eines Grilles in einem Herd und ähnlichem. Vorzugsweise kommt der Motor gemäß der Erfindung für Anwendungen in einem Lei¬ stungsbereich zwischen etwa 100 W und etwa 2500 W in Be¬ tracht. Bevorzugte Verwendung findet der beschriebene Motor als Antriebsmotor einer Strömungsmaschine eines Haushalts¬ gerätes. Solche Strömungsmaschinen können beispielsweise Gebläse von Staubsaugern, Haartrocknern, Wäschetrocknern oder Haushaltsherden (Kühlgebläse oder Umluftgebläse) , Um¬ wälz- und oder Entleerungspumpen von Waschmaschinen oder Geschirrspülmaschinen, Wärmepumpen von Wäschetrocknern oder auch Verdichter (Kompressoren) von Kühl- und/oder Gefrier- geraten sein.

Claims

Ansprüche
1. Strömungsmaschine, insbesondere für ein Haushaltsgerät, mit einem elektrischen Antriebsmotor (2) , der a) einen wenigstens zweipoligen magnetischen Rotor (4) , der um eine Rotationsachse (A) drehbar ist, und b) einen Stator (3) mit wenigstens einem den Rotor (4) we¬ nigstens teilweise umgebenden Polkörper (7,8,9) und mit einer dem wenigstens einen Polkörper (7,8,9) zugeordne- ten einphasigen Induktionswicklungsanordnung (30,31 bis 34) aufweist, wobei c) der Stator (3) ein bezüglich einer die Rotationsachse (A) des Rotors (4) enthaltenden Hauptsymmetrieebene (E) im wesentlichen spiegelsymmetrisches magnetisches Induk¬ tionsfeld (B) erzeugt.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, bei der das Indukti¬ onsfeld (B) des Stators (3) auch bezüglich einer zur ge- nannten Hauptsymmetrieebene (E) senkrecht gerichteten, zu¬ sätzlichen Symmetrieebene (F) im wesentlichen spiegelsymme¬ trisch ist. 3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Induktionswicklungsanordnung des Stators (3) als verteilte Wicklung ausgebildet ist.
4. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Induktionswicklungsanordnung (30) des Stators (3) zwei am Stator (3) vorgesehene, konzentrierte Induktions¬ wicklungen (31,32) aufweist, die auf entgegengesetzten Sei¬ ten des Rotors (4) angeordnet sind.
5. Strömungsmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprü¬ che, bei der der Stator (3) zwei einander im wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Hauptsymmetrieebene (E) gegenüber¬ liegende Polkörper (7,8) aufweist, zwischen denen der Rotor (4) angeordnet ist.
6. Strömungsmaschine nach Anspruch 4 und Anspruch 5, bei der der Stator (3) ein Joch (35) und einen rings um den Ro¬ tor (4) geschlossenen Polkörper (33) aufweist, der mit dem Joch (35) lösbar verbunden ist.
9. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, bei der der Rotor (4) mit einem zusammenhängenden Kör¬ per gebildet ist, der Schlitze (40 bis 44) aufweist, in de- nen magnetisches Material angeordnet ist.
10. Strömungsmaschine nach Anspruch 9, bei der in die
Schlitze (40 bis 44) des Rotors (4) vorgefertigte, insbe- sondere gepreßte oder gesinterte oder kunststoffgebundene, Magnetkörper eingebracht sind.
11. Strömungsmaschine nach Anspruch 9, bei der die Schlitze (40 bis 44) des Rotors (4) mit einem mit Bindemittel verse¬ henen Magnetpulver oder Magnetgranulat gefüllt sind.
12. Strömungsmaschine nach Anspruch 9, bei der die Schlitze (40 bis 44) des Rotors (4) mit magnethaltigern Kunststoff ausgespritzt sind.
13. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, bei der an den Stirnseiten des Rotors (4) Abdeckungen (48,49) vorgesehen sind zum Verhindern des Eindringens von Fremdkörpern in den zwischen Rotor (4) und Stator (3) ge¬ bildeten Zwischenraum.
14. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, bei der das Verhältnis der entlang der Rotationsachse (A) des Rotors (4) gemessenen Länge (1) des Rotors zum senkrecht zur Rotationsachse (A) gemessenen Durchmesser (d) des Rotors zwischen etwa 0,5 und etwa 2 gewählt ist.
15. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, bei der a) der Stator (3) wenigstens einen Sensor, insbesondere ei¬ nen Magnetfeldsensor (6) , aufweist, der bei Drehung des Rotors (4) ein im wesentlichen periodisches Meßsignal (M) erzeugt, und b) Mittel (12) zum Bestromen der einphasigen Induktions¬ wicklungsanordnung (30) in Abhängigkeit von dem Meßsi- gnal (M) des Sensors (6) vorgesehen sind.
16. Strömungsmaschine nach Anspruch 15, bei der die Mittel (12) die Induktionswicklungsanordnung (30) während einer halben Periode des Meßsignals (M) mit einem Strompuls einer vorgegebenen Polarität bestromen und während der anderen halben Periode mit einem Strompuls der umgekehrten Polari¬ tät bestromen.
17. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe mit einem Strömungskanal (10) für ein strömendes Medi¬ um, wobei der Antriebsmotor (2) so ausgebildet und so in dem Strömungskanal (10) angeordnet ist, daß das strömende Medium zwischen den Innenwänden des Strömungskanals (10) und den Außenwänden des Stators (3) des Antriebsmotors (2) durchströmt.
18. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16 mit einem Strömungskanal (10) für ein strömendes Medium, wobei der Antriebsmotor (2) so ausgebildet und so in dem Strö- mungskanal (10) angeordnet ist, daß die Außenwände des Sta¬ tors (3) des Antriebsmotors (2) mit den Innenwänden des Strömungskanals (10) abschließen und das strömende Medium den Antriebsmotor (2) durchströmt. 19. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che als Gebläse.
20. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18 als Pumpe.
21. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18 als Verdichter oder Wärmepumpe.
22. Verwendung eines elektrisch einphasigen und magnetisch wenigstens zweipoligen Permanentmagnet-Motors als Antriebs¬ motor (2) für eine Strömungsmaschine, insbesondere in einem Haushaltsgerät.
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