DE4003455A1 - Einphasen-synchron-elektromotor mit steuerpolen am stator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Einphasen-Synchron-Elektro- Motor, dessen Statorwicklungsstrom vom Rotor gesteuert über Halbleiter eingeschaltet wird.

Bekannt sind Gleichstrommotoren, deren Statorwicklungs- Strom abhängig von der Rotorstellung ein- und ausge­ schaltet wird, wozu beispielsweise ein mit dem Rotor verbundenes Weicheisenteil den magnetischen Fluß zwischen einer Primärspule und sekundären Steuerspulen drehwinkel­ abhängig kuppelt. Das drehwinkelabhängige Einschalten des Statorstromes ist auch mittels magnetfeldabhängiger Sen­ soren bekannt. Die bekannten Motoren besitzen vorzugsweise einen Permanentmagnetrotor.

Diese bekannten Motoren haben den Nachteil, daß sie vom Prinzip her nicht eine konstante Drehzahl einhalten und auf Gleichstrom angewiesen sind, was in sehr vielen Ein­ satzfällen eine Gleichrichtung des vorhandenen Wechselstro­ mes notwendig macht. Soweit diese Motoren Permanentmagnet- Rotoren besitzen, ist damit die magnetische Flußdichte be­ grenzt, weil sonst Ummagnetisierung eintritt.

Es sind auch Schrittmotoren mit Reluktanzrotor bekannt. Diese Motoren haben zwar konstante Drehzahl. Sie können jedoch am Einphasenwechselstromnetz nur sehr viel kleinere Drehzahl als n (U/s) = f (Hz) erreichen.

Bekannt sind auch Einphasen-Hysteresemotoren. Diese haben synchrone Drehzahl, erreichen jedoch nur sehr kleine Wir­ kungsgrade und werden deshalb nur für sehr kleine Leistun­ gen eingesetzt.

Weiterhin sind Wechselstrom-Magnetmotoren bekannt. Diese werden jedoch nur für kleine Drehzahlen ausgeführt, weil sie bei Ausführung für höhere Drehzahl nicht selbsttätig anlaufen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Synchron- Elektromotor mit folgenden wesentlichen Eigenschaften:

• - Synchrondrehzahl bis n (U/s) = f (Hz) an Einphasen- Wechselstrom, auch mit Frequenzumrichter.
• - Betreibbar auch an pulsierendem Gleichstrom, beispiels­ weise gleichgerichteten Wechselstrom.
• - Selbsttätiges Anlaufen bis zur Synchrondrehzahl.
• - Kostengünstige Ausführung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der folgenden Motorausführung gelöst:

• - Stator mit einem oder mehreren drehmomenterzeugenden Polpaaren, die eine Wicklung tragen und im folgenden Drehmomentpolpaare genannt werden.
• - In der Rotordrehrichtung gesehen vor jedem Drehmoment­ polpaar ein Steuerpolpaar, das aus einem Pol mit Primär­ wicklung und einem Pol mit Sekundärwicklung besteht, wo­ bei der Steuerwinkel zwischen Drehmomentpolpaar und dazu­ gehörendem Steuerpolpaar zur Drehsinnbestimmung in der Rotordrehrichtung kleiner als 90° beträgt.
• - Rotor, vorzugsweise Reluktanzrotor, der in einer Diago­ nalen einen wesentlich kleineren magnetischen Widerstand gegenüber den Statorpolen aufweist und keine Wicklung haben muß.
• - Eine mit den Statorwicklungen und der Spannungsquelle verbundene elektronische Schaltung mit einem steuerbaren Halbleiter, vorzugsweise Triac oder Thyristor für jeden aus Drehmomentpolpaar und Steuerpolpaar bestehenden Stator­ strang, wobei der Halbleiter und damit der Strom in der Wicklung des Drehmomentpolpaares eingeschaltet wird, wenn der Rotor eine Drehwinkelstellung hat, in der er den mag­ netischen Fluß zwischen Primärsteuerpol und Sekundärsteuer­ pol so koppelt,daß in der Sekundärsteuerwicklung ausrei­ chend hohe Spannung entsteht.

Bei dem erfindungsgemäßen Motor wird die Primärwicklung oder deren Mehrzahl laufend vom Strom durchflossen. Damit wird der Rotor mit kleinem Drehmoment zwischen die Steuer­ pole gedreht, wo er, wie oben beschrieben, das Einschalten des Stomes für die dazugehörende Drehmomentwicklung bewirkt, wodurch der Rotor mit großem Drehmoment zwischen das Dreh­ momentpolpaar weitergedreht wird. Beim nächsten Nulldurch­ gang des Wechselstromes oder Nullwerden des Pulsstromes in der Drehmomentwicklung schaltet der Halbleiter selbsttätig aus. Diese Abhängigkeit von der Frequenz der Anschlußspan­ nung bewirkt die frequenzabhängige Drehzahlkonstanz des Motors.

Der Motor läuft auch an hohen Frequenzen an und bis zur Synchrondrehzahl hoch, weil der Strom in den Drehmoment­ wicklungen nur dann eingeschaltet wird, wenn der Rotor den drehmomenterzeugenden Drehwinkelbereich erreicht hat.

Die Höhe der konstanten Drehzahl wird prinzipiell durch die Anzahl der Drehmomentpolpaare und die Frequenz f der Statorspannung bestimmt. Bei einem Drehmomentpolpaar be­ trägt die konstante Drehzahl bei entsprechender Motoraus­ führung, beispielsweise der Wicklung und Belastung, n (U/s)=f (Hz). Zwei Drehmomentpolpaare ergeben eine kon­ stante Drehzahl n (U/s)=f/2 (Hz).

Wenn ein Teil der vorhandenen Drehmomentpolpaare oder ihre Steuerpole aus- oder eingeschaltet werden, ändert der er­ findungsgemäße Motor seine Drehzahl. Beispielsweise kann ein Motor mit zwei Drehmomentpolpaaren so zwischen n=f und n=f/2 umgeschaltet werden.

Für einen hohen Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Motors ist folgende Ausführung vorteilhaft:

• - Der räumliche Steuerwinkel zwischen Drehmomentpolpaar und dazugehörendem Steuerpolpaar muß innerhalb der Bedingung kleiner 90° so gewählt werden, daß über einen möglichst großen Drehwinkelbereich ein Drehmoment entsteht.
• - Darüber hinaus ist der elektrische Steuerwinkel auf einen möglichst großen drehmomenterzeugenden Bereich einzustel­ len, was beispielsweise auch mittels eines Widerstandes vor der Steuerelektrode des schaltenden Halbleiters er­ folgen kann.
• - Weiterhin beeinflußt die Gestaltung des Reluktanzrotors besonders hinsichtlich seiner Bogenlängen an seiner den Luftspalt gegenüber den Statorpolen bildenden größten Diagonale die Größe des optimalen Steuerwinkels und des erreichbaren Drehmomentes.

Der sichere Anlauf des erfindungsgemäßen Motors kann wahl­ weise mit folgender Ausgestaltung erreicht werden:

• - Der durch die Primärwicklung bzw. Primärwicklungen erzeug­ te magnetische Fluß wird so hoch bemessen, daß durch ihn der Rotor zum Anlauf zwischen ein Steuerpolpaar gedreht wird.
• - Ein Permanentmagnet am Stator hält den Rotor beim Auslauf so fest, daß er zwischen einem Steuerpolpaar stehen bleibt, wobei dieser Permanentmagnet, wie weiter unten beschrie­ ben, in einem Primärsteuerpol angeordnet sein kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Statoren mit je einem Drehmomentpolpaar und dazugehörendem Steuerpolpaar sowie Rotoren in Reihe angeordnet. Mit dieser Anordnung wird erreicht, daß bei der Drehzahl n=f mehr­ fach als zweimal je 360° ein drehmomenterzeugender Drehwinkel­ bereich vorhanden ist, womit das Drehmoment weniger pulsiert.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in jedem Primärsteuerpol ein Permanentmagnet angeordnet, der beim Vorbeirotieren des Rotors den Permanentmagnetfluß zum Se­ kundärsteuerpol koppelt und dort eine Bewegungsspannung induziert. Damit kann nach dem Anlauf des Rotors der Primär­ strom ausgeschaltet und die Leistungsaufnahme zur Wirkungs­ graderhöhung gesenkt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vor dem Gate jedes einschaltenden Halbleiters eine Verstärkerstufe angeordnet, womit Sekundärsteuerspannung und -Strom und damit die Leistungsaufnahme des Primärpoles zur Wirkungs­ gradverbesserung gesenkt werden können.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist entweder für die Wicklungen der Drehmomentpole und der Primärsteuer­ pole wirksam eine Phasenanschnittsteuerung oder aber nur für die Wicklung der Primärsteuerpole wirksam eine Phasen­ anschnittsteuerung ausgeführt. Mit einer solchen oder ent­ sprechend wirkenden Schaltung wird der Vorteil genutzt, den steile oder zeitlich versetzte Stromanstiege für der­ artige Motoren bringen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Rotor nach OS DE 38 15 737 A1 einen oder mehrere Wicklungs­ stränge auf, die aus Rotationswicklung und Steuerwicklung bestehen und über einen Widerstand, einen Diag und einen Triac in sich geschlossen sind.

ln einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Rotor eine Wicklung auf, die in bekannter Weise über eine Diode in sich geschlossen ist, dabei kann der Rotor eine Vollpolausführung sein.

ln einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Rotor ein permanentmagnetisches Polpaar auf.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist anstelle des Steuerpolpaares am Rotor ein Permanentmagnet und für jedes Drehmomentpolpaar am Stator ein magnetfeldabhängiger Sensor ausgeführt, der über einen Verstärker den Halbleiter und damit den Strom für das Drehmomentpolpaar einschaltet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist anstelle des Steuerpolpaaares am Rotor ein lichtstrahlsteuerndes Teil, beispielsweise eine Lochscheibe und am Stator für jedes Drehmomentpolpaar ein lichtabhängiger Halbleiter ausgeführt, der, gegebenenfalls über einen Verstärker, den Halbleiter und damit den Strom für das Drehmomentpol­ paar einschaltet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorzugsweise bei vielpoliger Ausführung oder bei größeren Motoren sind die Steuerpolpaare in einem vom Drehmomentstator getrenn­ ten Steuerstator ausgeführt, wozu ein vom Drehmomentrotor getrenntes Steuerrotorpaket oder ein verlängerter Rotor gehört. Mit dieser Ausgestaltung kann der Steuerwinkel vor­ teilhaft vergrößert werden.

ln einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Stator an seinem Innendurchmesser mittels Kunsttsoffauskleidung zylinderförmig glatt ausgeführt und/oder der Rotor an sei­ nem Außendurchmesser durch gleiche Maßnahmen zylinderför­ mig glatt. Mit diesen Maßnahmen werden Luftwirbel vermie­ den, womit Wirkungsgraderhöhung und leiser Betrieb erreicht werden.

Der erfindungsgemäße Motor bringt dort gewerblichen Nutzen, wo hohe konstante Drehzahl bei gutem Wirkungsgrad gebraucht wird, beispielsweise, wenn mehrere Motoren genau gleich­ schnell parallel laufen müssen. Der gewerbliche Nutzen wird durch den selbsttätigen Anlauf und die kostengünstige Bau­ weise noch erhöht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mit den Zeichnungen dargestellt und wird wie folgt beschrieben:

Es zeigen:

Fig. 1 Draufsicht auf den Motor mit 1 Drehmomentpolpaar und 1 Steuerpolpaar und Reluktanzrotor.

Fig. 2 Schaltbild für einen Motor nach Fig. 1.

Fig. 3 Querschnitt durch einen Motor mit Ansicht der Steuer­ pole mit einen Permanentmagneten in Primärpol.

Beim Motor nach Fig. 1 stellen dar:

1 Stator,
2 Reluktanzrotor,
3 Drehmomentpolpaar,
4 Primärsteuerpol,
5 Sekundärsteuerpol,
6 Wicklungen auf dem Drehmomentpolpaar,
7 Primärsteuerwicklung,
8 Sekundärsteuerwicklung,
α Steuerwinkel.

Der Rotor 2 ist in einer Drehwinkelstellung dargestellt, in welcher er den Magnetfluß vom Primärsteuerpol 4 zum Sekun­ därsteuerpol 5 koppelt. In dieser Stellung kann der Rotor 2 in Richtung Drehmomentpolpaar 3 anlaufen. Wenn er bereits angelaufen ist, wird er um den Winkel α weitergedreht. Anschließend rotiert er mit seinem Trägheitsmoment bis 180° gegenüber der gezeichneten Stellung weiter.

Beim Schaltbild Fig. 2 stellen dar:
Wicklungen 6 auf dem Drehmomentpolpaar, die mit der Strom­ zuleitung einerseits direkt, andererseits über einen Halb­ leiter 9, hier Triac, verbunden sind.

Die Steuerelektrode G des Triac 9 ist über den Diag 10 und den Widerstand 11 mit der Wicklung 8 auf dem Sekundärsteuer­ pol verbunden. Mit dem Diag 10 wird die Einschaltspannung festgelegt. Mit dem Widerstand 11 wird der Einschaltstrom bestimmt. Mit Einschaltspannung und Einschaltstrom wird der optimale elektrische Steuerwinkel festgelegt. Die Sekundär­ steuerwicklung 8 ist andererseits mit dem Anschluß A1 des Triac 9 verbunden.

Die Wicklung 7 auf dem Primärsteuerpol kann direkt an die Stromzuleitung angeschlossen sein.

Die Phasenanschnittsteuerung 14 kann eingesetzt werden, wenn in allen Wicklungen ein steiler Stromanstieg gewünscht wird.

Die Phasenanschnittsteuerung 15 kann eingesetzt werden, wenn mit einem steilen Stromanstieg in der Primärwicklung 7 eine höhere oder zeitlich versetzte induktive Spannung in der Sekundärsteuerwicklung 8 erreicht werden soll.

Beim Motor Fig. 3 stellen dar:
Stator 1 mit Primärsteuerpol 4 und seiner Wicklung 7, sowie Sekundärsteuerpol 5 mit seiner Wicklung 8.

lm Primärsteuerpol 4 ist ein Permanentmagnet 12 dargestellt, dessen Pollage auch entgegengesetzt sein kann. ln der ge­ zeichneten Stellung koppelt der Reluktanzrotor 2 den Perma­ nentmagnetfluß über den Sekundärsteuerpol 5. Bei der Rotation wird in dieser Stellung in der Sekundärwicklung 8 eine Be­ wegungsspannung induziert.

Die Lagerschilde 13 sind aus zeichnerischer Vereinfachung ohne Lagereinsätze dargestellt.

Claims (18)

1. Einphasen-Synchronmotor für Wechselstrom oder pulsieren­ den Gleichstrom auch aus einem Frequenzumrichter, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom für die Stator­ wicklungen abhängig von der Drehwinkelstellung des Rotors, der vorzugsweise ein Reluktanzrotor ist, gesteu­ ert über einen Halbleiter, beispielsweise einen Triac, eingeschaltet wird, wozu der Stator vor jedem drehmoment­ erzeugenden Polpaar ein Steuerpolpaar aufweiset, von dem ein Steuerpol eine Primärwicklung und der andere Steuer­ pol eine Sekundärwicklung trägt, wobei die Sekundärwick­ lung mit der Steuerelektrode des Halbleiters, beispiels­ weise dem Gate des Triac, verbunden ist und der Strom durch den Halbleiter beim Nulldurchgang oder Nullwerden des Statorstromes ausgeschaltet wird.

2. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor aus Weicheisen­ blech besteht und in einer Diagonalen mit den Stator­ polen einen Luftspalt bildet.

3. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen jedem drehmomenterzeugenden Polpaar und dem dazugehörenden Steuerpolpaar in der Drehrichtung kleiner als 90° ist.

4. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung des Sekundär- Steuerpoles einerseits über einen Widerstand und einen Diag mit dem Gate eines Triacs oder Thyristors und andererseits mit dem Anschluß A1 dieses Triac oder der Kathode dieses Thyristors verbunden ist.

5. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehmomenterzeugendes Polpaar oder mehrere drehmomenterzeugende Polpaare aus­ geführt sind, wobei zu jedem drehmomenterzeugenden Pol­ paar ein Steuerpolpaar gehört.

6. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerpole in einem vom drehmomenterzeugenden Stator getrennten Steuerstator angeordnet sind und mit einem verlängerten Rotor oder einem getrennten Rotorweicheisenblechpaket zusammen­ wirken.

7. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Statoren mit je einem Drehmomentpolpaar mit dazugehörendem Steuerpol­ paar in Reihe angeordnet sind, wozu ein verlängerter oder mehrteiliger Rotor gehört.

8. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Primärsteuerpol ein Permanentmagnet angeordnet ist.

9. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator oder Rotor min­ destens einen den Rotor beim Auslauf in einer für den Anlauf vorteilhaften Stellung festhaltenden Permanent­ magneten aufweist.

10. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Motorausführung mit mehreren Drehmomentpolpaaren und dazugehörenden Steuerpolpaaren eine Schalteinrichtung zum Ein- oder Aus-Schalten von mindestens einer Wicklung eines Steuer­ polpaares oder Drehmomentpolpaares vorhanden ist.

11. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stromzuleitungen für die Wicklungen aller Drehmomentpolpaare und aller Steuer­ polpaare oder nur für die Wicklungen aller Primärsteuer­ pole eine bekannte Phasenanschnittsteuerung vorhanden ist.

12. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor nach OS DE 38 15 737 A1 einen oder mehrere Wicklungsstränge aufweist, die aus Ro­ tationswicklung und Steuerwicklung bestehen und über einen Widerstand, einen Diag und einen Triac in sich geschlos­ sen sind.

13. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor in bekannter Weise ein permanentmagnetisches Polpaar aufweist.

14. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor in bekannter Weise eine Wicklung aufweist, die über eine Diode in sich geschlossen ist.

15. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator anstelle von Steuerpolen eine oder mehrere magnetfeldabhängige Sonden aufweist, die über einen elektronischen Verstärker einen Halbleiter und damit von der Drehstellung des Rotors abhängig den Strom in den drehmomenterzeugenden Polen einschalten und am Rotor ein Permanentmagnet angeordnet ist.

16. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator anstelle von Steuerpolen einen oder mehrere lichtabhängige Halbleiter sowie eine Lichtquelle aufweist und damit von der Dreh­ stellung des Rotors abhängig gegebenenfalls über einen elektronischen Verstärker einen Halbleiter und damit den Strom in den drehmomenterzeugenden Polen einschalten und der Rotor ein lichtsteuerndes Teil, beispielsweise eine Lochscheibe aufweist.

17. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator am Innendurch­ messer durch Kunststoffauskleidung zylinderförmig glatt ist und/oder der Rotor am Außendurchmesser durch Kunst­ stoffauskleidung zylinderförmig glatt ist.

18. Einphasen-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Spannung, an die ein Drehmomentpolpaar-Stromkreis angeschlossen ist, von der Spannung, an die die Primärsteuerpol-Wicklung angeschlossen ist, zumindest zeitlich unterscheidet, derart, daß die Spannung in der Primärsteuerpolwicklung erst dann ansteigt, vorzugsweise mit steiler Flanke, wenn die Spannung im Stromkreis der Drehmomentpolpaar- Wicklung ihren Höchstwert zumindest weitgehend erreicht hat.