DE2430585C3 - Selbstanlaufender Einphasensynchronmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen selbstanlaufenden Einphasensynchronr* oior gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein gattungsgemäßer Synchronmotor ist aus der DE-AS 12 03 379 bekannt Sein Stator weist zwei sich gegenüber liegende Polflächen auf, uie einen Luftspalt begrenzen, durch den sich der Umfang des Rotors hindurchbewegt. Wird die Erregerspule des Stators mit Wechselstrom beaufschlagt, so wird im Stator ein entsprechender magnetischer Fluß induziert, der mit dem magnetischen Fluß des Motors in Wechselwirkung steht. Als Folge dieser Wechselwirkung wird der Rotor bei jeder Umpolung des magnetischen Flusses des Stators während eines Halbzyklus mit dem jeweils im Luftspalt befindlichen Polpaar seines Umfangs aus dem Luftspalt herausgedrängt und mit dem nachfolgenden Polpaar in den Luftspalt hineingezogen. Das dabei jeweils am Rotor auftretende Drehmoment ist relativ gering, so daß, wenn die Rotorbewegung beispielsweise mit merklicher Reibung behaftet ist, die Möglichkeit besteht, daß der Rotor nicht genügend vorwärts getrieben wird und im Luftspalt stehen bleibt bzw. nicht selbsttätig anläuft. Bei einem Stillstand des Rotors ist ein Polpaar des Rotors im Luftspalt des Stators genau zu den Statorpolen, die bezüglich einer von einer Polfläche des Stators zur anderen Polfläche des Stators in der Mitte durch den Luftspalt gelegten Ebene symmetrisch sind, ausgerichtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Synchronmotor zu schaffen, bei dem die Gefahr, daß der Rotor stehen bleibt oder nicht selbsttätig anläuft, verringert ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Synchronmotor der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß gelöst durch zusätzliche, den Kraftfluß leitende Mittel, die an den in Drehrichtung des Rotors liegenden Seiten der Statorpole in der Nähe des Luftspaltes angeordnet sind. Diese zusätzlichen, den Kraftfluß leitenden Mittel

führen dazu, daß sich ein Rotorpolpaar in eine gegenüber den Statorpolen versetzte Lage bewegt, wenn die Erregerspule des Stators nicht erregt ist Diese bezüglich der Statorpole unsymmetrische Lage der Rotorpolpaare führt dazu, daß der Rotor während beider Hälften eines Wechselstrom-Zyklus' durch die Erregerspule beschleunigt wird. Der erfindungsgemäße Synchronmotor läuft somit sicher an und bleibt auch bei vom Rotor zu überwindendem Drehmoment oder bei starken Spannungsschwankungen in der Versorgungsspannung für die Erregerspule nicht stehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zum Stand der Technik sei ergänzend auf die DE-OS 14 88 267 hingewiesen, in der ein Synchronmotor mit einem permanent magnetischen Rotor beschrieben ist der axial in wenigstens zwei Teile unterteilt ist deren Pole untereinander um 90° verschoben sind Die Pole des Stators nehmen bei diesem Synchronmotor die

Umfangsflächen des Rotors zwischen sich auf. Durch die Unterteilung des Rotors in zwei Teile, die zueinander winkelig versetzt magnetisiert sind, soli das Kiebemoment das einem sicheren Anlaufen des Rotors entgegensteht, verringert werden. Der resultierende magnetische Fluß wird durch diese Rotorkonstruktion herabgesetzt und muß durch eine erhöhte Windungszahl der Statorspule ausgeglichen werden. Für den Selbstanlauf sollte der bekannte Rotor in seiner Ruhelage eine Induktion aufweisen, deren Richtung mit

der Richtung des Spulenfeldes eines Statorpolpaares einen Winkel zwischen 5° und 90° bildet Dies kann dadurch erreicht werden, daß wenigstens ein Hiifsmagnet so angeordnet ist, daß in den dadurch bei nicht erregter Statorspule entstehenden stabilen Ruhelagen

die magnetische Induktion jedes Polpaares des Läufers mit der Richtung des Spulenfeldes eines Statorpolpaares einen entsprechenden Winkel bildet Beim Anmeldungsgegenstand sind am Stator keine Hilfsmagnete, sondern lediglich zusätzliche, den Kraftfluß leitende Mittel vorgesehen.

Aus der DE-AS 10 82 555 ist ein Synchronmotor für eine Nebenuhr bekannt, dessen Statorspule auf einem Kunststoffrahmen sitzt. Innerhalb der Spule ist ein permanent magnetisierter Rotor angeordnet, dessen Lage im Stillstand durch einen Weicheisenwinkel bestimmt ist, welcher so angeordnet ist, daß sich der Rotor schräg zu dem von der erregten Spule erzeugten Fluß ausrichtet. Die Spule besitzt bei dem Motor gemäß der DE-AS kein eigenes, flußleitendes Material.

w Die DE-PS 6 15 045 zeigt einen Synchronmotor, bei dem wenigstens einer der Statorhaupt- oder Hilfspole eine andere Tangentialpolstirnlänge hat als die übrigen Pole. Der Stator umgibt bei dieser Position die Umfangsfläche des Rotors. Durch die unterschiedliche tangentiale Polstirnlänge soll ein sicheres Anlaufen des Motors erzielt werden. Zwecks Regulierung der Anlaufverhältnisse kann an einem Polschenkel ein verstellbares Eisenblech angebracht sein.

Der erfindungsgemäße Synchronmotor eignet sich

M) besonders gut zum Betreiben batteriegetriebener Uhren, beispielsweise Automobiluhren, da er sicher selbst anläuft. Wenn nämlich der Anlaßmotor eines Automobils betätigt wird, fällt die Batteriespannung erheblich unter ihren Sollwert von beispielsweise

hi 12 Volt ab. Sollte diese verringerte Spannung die Uhr nicht mehr betriebsfähig halten, könnte es passieren, daß die Uhr bei jedem Anlassen einige Sekunden lang stehenbleibt. Bei einer mit den VorsDrüneen auseerüste-

ten Uhr ist dies ausgeschlossen. Der Motor ist an eine Oszillatorschaltung bekannter Art angeschlossen, die beispielsweise mit einem Quarz ausgerüstet ist und die Wechselspannung für die Erregerspule des Stators liefert. -,

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert Es stellt dar
F i g. 1 eine Aufsicht auf einen Synchronmotor,
Fig.2 eine Endansicht des Synchronmotors gemäß in Fig. 1,

F i g. 3 bis 5 den Luftspalt eines Stators mit Polpaaren des Rotors zur Erläuterung der Wirkungsweise eines herkömmlichen Synchronmotors und

F i g. 6 bis 7 den Luftspalt eines Stators mit Polpaaren ι > eines Rotors zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Synchronmotors.

Gemäß Fig. 1 weist ein Stator It einen Kern 13 und eine Erregerspule 21 auf. Der Kern 13 besteht aus zwei nebeneinander angeordneten, geglühten Eisenplatten >d 15 und 17 (vgL auch Fig.2), die vorzugsweise durch Stanzen hergestellt sind, wobei diese Platten Ansätze 16 zur Aufnahme der Erregerspule 21 aufweiten. Die Spulenhalteransätze 16 sind miteinander punktverschweißt, um einen einteiligen Statorkern zu bilden. Die >i Querschnittsfläche des Kerns ist bei ihrem Durchtritt durch die Erregerspule 21 auf diese Weise rechteckig.

Die Erregerspule 21 ist um den Spulenkörper 19 gewickelt und weist in einer bevorzugten Ausführungsform 6000 Windungen eines Kupferdrahtes mit einem Gesamtwiderstand von etwa 860 0hm auf. Die Windungszahl und die verwendete Drahtstärke können je nach Zahl der Statorpolpaare, des erforderlichen Drehmoments und des Betriebsspannungsbereiches gewählt sein. Der Erregerspule 21 wird über Leitungen r, 23 elektrischer Strom zugeführt

Die Endbereiche des Statorkerns außerhalb der Erregerspule 21 bilden einen axialen Luftspalt 27 für einen Rotor 25. Die Abmessungen des Luftspaltes 27 hängen von der Dicke des Rotors 25 und dem erforderliche., magnetischen Fluß ab. Normalerweise ist es im Hinblick auf leichte Herstellbarkeit wünschenswert, mit einem großen Luftspalt zu arbeiten; der magnetische Fluß, der dadurch verkleinert wird, sollte jedoch nicht zu gering sein, damit der Motor sicher 4^r> funktioniert, wie im folgenden erläutert werden wird. Das vom Siator 11 erzeugte magneJsche Feld steht senkrecht zur Ebene des Rotors 25. Entsprechend wird das vom Rotor 25 erzeugte magnetische Feld senkrecht zur Ebene der Oberfläche der Statorpole auf diese >o gelenkt. Dies führt zu eine;n geringen Streufluß und zu einem geringen magnetischen Widerstand gegenüber dem vom Siator 11 erzeugten Magnetfeld, was den Wirkungsgrad des Motors erhöht.

Der Rotor 25 ist eine Scheibe mit einer Dicke von ^rn etwa 0,58 mm und besteht aus einem Material geringer Dichte, beispielsweise Bariumferrit in gummiartigem Bindematerial, mit einer Remanenz von 0,22 Weber/m², was bezüglich der Arbeitscharakteristik des Motors vorteilhaft ist. Wie aus Fig.2 ersichtlich, ist der m> Umfangsbereich des Rotors 25 axial magnetisiert, derart, daß ringsegmentförmige Pole wechselnder Polarität entstehen. Die Pole sind derart angeordnet, daß sie längs des Umfangs des Rotors 25 aneinander angrenzen. Der Rotor 25 ist auf einer Welle 29 fr, angebracht. In eine·· bevorzugten Ausführungsform sind sechzehn Rotorpole vorhanden und die Erregerspule 21 wird mit Wechselstrom jiner Freauenz von 64 Hz erregt. Entsprechend d-eht sich der Rotor achtmal je Sekunde.

Die Arbeitsweise des Motors, soweit er bishe,-beschrieben ist, entspricht der allgemein bekannten Arbeitsweise von Synchronmotoren. Ausgenommen der Rotor 25 ist bei einer Drehung in Gegenuhrzeigerrichtung gerade in der in Fig.2 dargestellten Lage. Weist der Stator 18 in diesem Augenblick durch den Erregerstrom einen Südpol auf, so wird der magnetische Nordpol 31 vom Statorpolpaar angezogen und gleichzeitig der magnetische Südpol 33 in Gegenuhrzeigerrichtung vom Statorpolpaar abgestoßen. Ein Bruchteil einer Sekunde später und nach ¹A₆ einer vollständigen Umdrehung des Rotors dreht sich das magnetische Feld im Stator um und der magnetische Südpol 35 des Rotors wird vom Statorpolpaar angezogen, während der magnetische Nordpol 31 in Gegenuhrzeigerrichtung weg vom Stator abgestoßen wird. Auf diese Weise wird der Rotor kontinuierlich durch Wechselwirkung mit dem abwechselnd ändernden magnetischen Feld des Stators angetrieben.

Ohne Strom In der Erregerspuie 2t richtet sich der Rotor 25 relativ zum Stator 11 gemäß Fi g. 3 und 4 aus. Der einem Nordpol des Rotors 25 entspringende magnetische Fluß (F i g. 3) folgt dem Eisen des Stators 11 und fließt aus dem Stator in den zugehörigen Südpol des Rotors 25. Außerdem fließt ein Teil des aus einem Nordpol des Rotors 25 fließenden magnetischen Flusses gemäß Fig.4 aus dem Eisen des Stators 18 zu den beiden benachbarten Südpolen des Rotors 25. Der direkt hinter dem Nordpol des Rotors 25 befindliche Südpol des Rotors kann für einen Teil des magnetischen Flusses aus zwei benachbarten Nordpolen als Ziel (wieder durch das Eisen des Stators neben dem Luftspalt 27) betrachtet werden.

Wenn die Erregerspule 21 mit Wechselstrom beaufschlagt wird, wird im Stator 11 gemäß F i g. 5 ein magnetischer Fluß induziert. Die Polarität dieses magnetischen Flusses entspricht einem jeweiligen Halbzyklus des Wechselstroms. Mit den Polaritäten gemäß Fig.3 bis 5 wird der Rotor 25 während des anfänglichen Halbzyklus' des Wechselstroms durch die Erregerspule 21 im Luftspalt 27 festgehalten. Während des nachfolgenden Halbzyklus' wird der Rotor 25 als Wirkung der wechselseitigen Abstoßung (Umkehr der Polaritäten gemäß F i g. 5) aus dem Luftspalt 27 herausgetrieben. Wenn jedoch die Bewegung des Rotors 25 stark reibungsbehaftet ist, ist es möglich, daß das erzeugte Drehmoment nicht ausreicht, um den Rotor 25 genügend vorwärts zu treiben. Dies führt dazu, daß der Motor nicht anläuft.

Zur Sicherstellung des Anlaufens sind nun erfindungsgemäß gemäß F i g. I und 2 am Statorkern auf jeder Eisenplatte 15 und 17 in der Nähe des Luftspaltes 27 Vorsprünge 101 ausgebildet, die sich parallel zur Ebene des Rotors 25 in l>ehrichtung des Rotors von dem oberen Bereich 18 bzw. den Polen der Eisenplatten 15 und 17 aus erstrecken. Diese Vorsprünge 101 leiten das magnetische Feld, das von einem Statorpol durch den Rotor zum entgeg.ngesetzten Statorpol hindurchtritt. Ein Teil def so geleiteten magnetischen Feldes bzw. Flusses tritt durch den nächstfolgenden magnetischen Pol des Rotors 25 hindurch, wodurch die Möglichkeit verringert wird, daß der Rotor 25 nicht anläuft, wie im folgenden erläutert werden wird. Die Vorsprünge 101 haben in einer beujrzugten Ausführungsform eine zylindrische Form mit 1,58 mm Durchmesser und 0.89 mm Höhe.

Die Wirkungsweise der Vorspriinge 101 wird anhand Fi g. 6 und 7 erläutert.

F i g. 6 zeigt den Rotor 25 gestrichelt dargestellt in der Lage, wenn die Erregung gemäß F i g. 5 eingeschaltet ist.

Fig. 7 zeigt den Rotor 25 gestrichelt in der .Stellung gemäß F i g. 4 bei fehlender Erregung.

Wenn sich der Rotor 25 bei Fehlen der Erregung in der Lage gemäß F ι g. 7 befindet und die Statorpole 18 gemäß Fig. 6 während eines ersten Halbzyklus' erregt werden, so bewegt sich der Rotor 25, wie aus F i g. 7 und 6 unmittelbar ersichtlich, nach rechts. Der Drehimpuls des Motors bewirkt, wenn der magnetische Fluß am Fnde des ersten I lalb/vklus' auf etwa Null abnimmt, dal!

der Rotor 25 seine Bewegung beibehält, woraufhin ihm durch Absloßungskräfle eines Rotorpols, der sich aus dem Luftspalt herausbewegt, und Anziehungskräfte eines Rotorpols, der in den Luftspalt eintritt, ein zusätzlicher Antrieb erteilt wird. Möglicherweise erreicht der Rotor 25 dabei schon die erwünschte Betriebsgeschwindigkeit.

Wenn die Polarität während de^c ersten Halb/yklus' entgegengesetzt ist, bewegt sich der Rotor in Gegenrichtung. Um eine Drehung des Rotors 25 in diese entgegengesetzte Richtung, d. h. in den Figuren nach links, zu verhindern, ist der Rotor 25 mit einem herkömmlichen Sperrmechanismus versehen, der eine solche Rückwärtsbewegung verhindert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Selbstanlaufender Einphasensynchronmotor mit einem scheibenförmigen Permanentmagnetrotor, dessen Umfang mit abwechselnder Polarität axial magnetisierte Bereiche aufweist, und mit einem mindestens zweipoligen Stator mit Erregerspule, dessen Pole jeweils einen axial magnetisierten Bereich der Umfangsfläche des Stators zwischen sich aufnehmen, sowie mit einer Einrichtung, weiche eine Drehung des Rotors in einer Richtung sperrt, gekennzeichnet durch zusätzliche, den Kraftfluß leitende Mittel (101; 103), die an den in Drehrichtung des Rotors liegenden Seiten der Statorpole (18) in der Nähe des Luftspaltes angeordnet sind.

2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen, den Kraftfluß leitenden Mittel (101; 103) einteilig mit dem Stator (11) ausgebildet sind.

3. Synchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen, den Kraftfluß leitenden Mittel als sich von jedem Statorpol (18) in einer Ebene parallel zur Ebene des Rotors erstreckende Vorsprünge (101; 103) ausgebildet sind.