Wechselstromasynchronmotor Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wechsel- stromasynchronmotor, insbesondere einen solchen mit Hilfsphase für geringe PS-Zahlen.
Für verschiedene Einrichtungen und in grossen Stückzahlen hergestellte Anlagen, Feuerraumgebläse, Ventilatoren für Luftkonditionierung, Waschmaschi nen und dergleichen sind pro Jahr eine grosse Zahl Motoren erforderlich. Wegen der grossen Wirtschaft lichkeit, die in der Herstellung lieg werden dabei zum grossen Teil Einphasenasynchronmotoren mit Hilfsphase verwendet. Da aber die Anforderungen an Leistung und Raumausnützung fortgesetzt steigen, werden die Betriebscharakteristiken und Laufbedin gungen der Motoren kritisch.
Die angestrebte Wirtschaftlichkeit bei der Her stellung solcher Motoren bringt leider Schwierigkei ten bei der Leistungsverbesserung mit sich. So ist es beispielsweise üblich, zur Erreichung eines elektro,- magnetisch bestens ausbalancierten Motors von ge gebener Grösse mit einem höchstmöglichen Leistungs grad bei Lauf- oder Vollastbedingungen, einen Sta- tor mit aufgeteilter Haupt- und Hilfs- oder Start wicklung zu verwenden, wobei die Hilfswicklung um <B>90</B> elektrische Grade zur Hauptwicklung, zwecks Erreichung der Phasenbeziehung zwischen den Wick lungen, versetzt ist.
Für die notwendige Phasenver schiebung zwischen den Wicklungsströmen in bei spielsweise Widerstandshilfsphasenmotoren ist die Hilfswicklung ferner mit geringerer Drahtgrösse ge wickelt als die Hauptwindung, so dass erstere zur Erzeugung der Phasenverschiebung einen grösseren elektrischen Widerstand aufweist. Ferner sind die Spulen üblicherweise konzentrisch in Nuten angeord net, wobei die äussersten Spulen die grösste und die innersten Spulen die kleinste Windungszahl aufwei sen, zum Zweck, eine möglichst geschlossene Sinus- form zu erzielen.
Es sind schon verschiedene Statoren vorgeschla gen worden, die eine optimale Ausnützung des Wick lungsmaterials bei vorstehenden Verhältnissen für eine verbesserte Betriebscharakteristik des Motors ohne wesentliche Vergrösserung der Herstellungsko sten zum Ziele haben. Diese Vorschläge gehen dahin, dass der Statorkern ein oder mehrere der folgenden Faktoren aufweist: eine gleiche Querschnittsfläche, Wicklungsnuten mit gleicher Fläche über den ganzen Kern, aber verschiedene Formen der einzelnen Nu ten.
In vielen Fällen weisen solche Statoren ein oder mehrere Nuten mit einem unerwünschten Füllfaktor wie auch keine vollständige Materialausnützung auf, so dass das angestrebte Ziel nicht erreicht wird. Ein Nutenfüllfaktor im Bereich über<B>60</B> % ist normaler weise unannehmbar, da es in diesem Bereich schwer und zu teuer wird, die Spulen in den Nuten unterzu bringen, was weitgehend vom Bestreben und den Laborforderungen abhängt, eine Spulenunterbrin- gung ohne Drahtbeschädigung zu ermöglichen.
Unter NutenfüRfaktor ist der Betrag der mit Windungen ausgefüllten Nutenfläche im Vergleich zur vorhande nen in Prozent zu verstehen. Ferner ist es nicht selten, dass beim Versuch der Betriebs-Leistungserhöhung eine Verschlechterung der Starteigenschaften solcher Motoren eintritt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Schaf fung eines geeigneten Stators für solche Motoren, welcher bei Verbesserung der Betriebsleistung unter optimaler Ausnützung des magnetischen Materials und einer Kostenreduktion bei der Herstellung ohne Beeinträchtigung der Starteigenschaften die Nach teile der bekannten Motoren vermeidet.
Der erfindungsgemässe Motor, welcher einen Sta- tor mit einem aus ferromagnetischern Material<B>ge-</B> bildeten Kern aufweist, dessen Jochabschnitt mit einer Mehrzahl in Umfangsrichtung voneinander distanzierten, sich vom Jochabschnitt nach innen er streckenden Zahnungsabschnitten versehen ist, die eine Anzahl Wicklungsnuten begrenzen, wobei in den Nuten eine Wicklung mit mindestens zwei Gruppen Spulen, die eine vorbestimmte Anzahl Zahnungsab- schnitte für die Bildung einer Mehrzahl Primärbe- triebspole umfassen, angeordnet ist, zeichnet sich dadurch aus,
dass der magnetische Querschnitt der Zahnungen und Jochabschnitte an jenen Zonen am grössten ist, in welchen die höchste Totalzahl Linien des durch die Wicklung bei Laufbedingungen er zielten Flusses vorhanden ist.
Ausführungsformen des Gegenstandes der Erfin dung werden anschliessend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. <B>1</B> eine Frontansicht eines Stators eines Mo tors, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Nut des Stators gemäss Fig. <B>1</B> im grösseren Massstab und Fig. <B>3</B> und 4 graphische Darstellungen des Fluss- verlaufes im Stator gemäss Fig. <B>1</B> bei unterschiedli chen Betriebsbedingungen.
Gemäss Fig. <B>1</B> weist der Stator <B>10</B> einen im we sentlichen runden Querschnitt auf. Dieser ist zur Verwendung in einem reversiblen Wechselstromein- phasenasynchronmotor mit einer Widerstandshilfs- phase geeignet, welcher Motor einen Rotor mit einer üblichen schräg verlaufenden sekundären Käfig- ankerwicklung (nicht gezeigt) aufweist.
Der Stator <B>10</B> weist einen Kern<B>11</B> auf, der aus einer vorbe stimmten Anzahl Lamellen aus relativ dünnem Ma gnetblech besteht, die auf herkömmliche Art durch voneinander distanzierte Keile 12 zusammengehal ten sind. Die Keile 12 sind fest in entsprechend ausge bildete Nuten<B>13</B> am Kernumfang angeordnet. Der Kern<B>11</B> weist einen angenähert ringförmigen Joch- abschnitt <B>15</B> sowie eine Mehrzahl voneinander di stanzierte Zahnungen<B>16</B> mit im wesentlichen paral lelen Seiten auf.
Die Zahnungen<B>16</B> erstrecken sich von dem Jochabschnitt<B>15</B> nach innen und begren zen eine Mehrzahl zwischen diesen liegende Wick- lungsnuten <B>17</B> sowie eine den Rotor aufnehmende Bohrung<B>18.</B> Der gezeigte Stator weist<B>36</B> Wick lungsnuten auf, deren Einführungsstelle<B>19</B> zwischen benachbarten Zahnnasen<B>26</B> innenseitig der Boh rung<B>18</B> liegt und die gleichmässig am Bohrungsum fang verteilt sind. Wie Fig. 2 ferner zeigt, ist jede Nut auf herkömmliche Weise mit einem Futter<B>27</B> ausgekleidet, das aus geeignetem Isolationsmaterial besteht. Ferner ist<B>jede</B> Einführungsstelle durch eine Klaue<B>28</B> verschlossen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Stator- kerns <B>11</B> mit dem Joch und den Zahnungsabschnit- ten wird nach der anschliessenden Beschreibung der Wicklungsanordnung näher erläutert.
In den Wicklungsnuten<B>17</B> ist eine mehrpolige Haupt- oder Feldbetriebswicklung 20 angeordnet, welche vier einzelne Primärbetriebspole 21 versorgt. Jeder dieser Pole ist durch drei konzentrische Spulen 22,<B>23</B> und 24 gebildet, welche symmetrisch um die radiale Mittellinie<B>25</B> des Pols angeordnet sind. Die äusserste Spule 22 umfasst die Zahnungsabschnitte <B>16b</B> bis<B>16j</B> (total<B>8</B> Zahnungen) und ist auf jeder Seite zum angrenzenden Pol durch einen Zahnungs- abschnitt 16a getrennt.
Die zwischenliegende Spule <B>23</B> überspannt sechs Zahnungsabschnitte 16c bis <B>16h,</B> während die innerste Spule um vier Zahnungs- abschnitte <B>16d</B> bis<B>16g</B> gewickelt ist. Um eine mög lichst geschlossene Sinusform der Flussverteilung zu erreichen, weisen die Spulen vorzugsweise eine von einander verschiedene Windungszahl auf, wobei die genaue Windungszahl vom<B>Typ</B> und der Grösse des Motors abhängig ist.
Eine angenäherte Sinusform wird beispielsweise erhalten, wenn der in einem 40er-Motor eingebaute Statorkern eine Bohrung von 89mm Durchmesser, eine Stapellänge von 34 mm, der für die Spulen 22,<B>23</B> und 24 verwendete Kupferdraht<B>1,15</B> mm Durchmesser aufweist und die Spule 22 vierunddreissig, die Spule<B>23</B> dreissig und die Spule 24 zweiundzwanzig Windungen besitzt.
Gemäss Fig. <B>1</B> ist ferner eine Hilfs- oder Start wicklung<B>30</B> vorgesehen, welche sich auf vier Pole <B>31</B> verteilt und in den Nuten<B>17</B> angeordnet ist, der art, dass die radiale Mitte<B>32</B> jedes Pols um<B>90</B> elek trische Grade zu den Hauptwicklungspolen versetzt und jeder der verteilten Pole konzentrisch um Zah- nungsabschnitte 16a angeordnet ist. Wie aus Fig. <B>1</B> ersichtlich, weisen zwei dieser sich diametral gegen überliegenden Pole drei Spulen<B>33,</B> 34 und<B>35</B> auf, während die beiden anderen noch eine vierte Spule <B>36</B> aufweisen.
Zur Gewinnung der angenäherten Sinusform des Flusses und der notwendigen Phasen verschiebung zwischen den Strömen der entsprechen den Wicklungen sollte die Startwicklung<B>30</B> geringere Drahtgrösse als die Hauptwicklung 20 aufweisen. Bei spielsweise kann für den vorstehend genannten Mo tor für die Spulen<B>33</B> bis<B>36</B> die Windungszahlen zwölf, achtzehn, einundzwanzig und zweiundzwanzig verwendet werden, bei einem Drahtdurchmesser von 0,54 mm. Aus dem Vorstehenden ist erkennbar, dass die beschriebene Wicklungsanordnung die erläuter ten gewünschten Beziehungen aufweist, welche nach stehend zur Verdeutlichung der ungewöhnlichen Ei genschaften und Vorteile des in Frage stehenden Stators herangezogen werden.
Da allgemein die Schaltung eines Standardmotors für den Betrieb im Uhrzeiger (CW) oder Gegenuhr- zeigersinn (CCW) bekannt ist, wurde von einer Dar stellung und Beschreibung eines solchen Motorstrom kreises abgesehen. Nur so viel sei gesagt, dass die Hauptwicklung 20 zwecks Erregung während des Starts und des Dauerlaufes über Leitungen 40 und 41 an einer Einphasenwechselstromquelle angeschlossen wird. Die Startwicklung<B>30</B> hingegen kann parallel mit der Wicklung 20 verbunden sein und wird wäh rend des Starts über Leitungen 42 und 43 erregt.
Die Umkehrung des Motors wird auf übliche Weise bewerkstelligt, beispielsweise durch Zwischenschal tung eines doppelpoligen Schalters. Wenn der Motor seine Endgeschwindigkeit erreicht hat, wird die Start- wicklung <B>30</B> durch Unterbrechung des Stromkreises mittels geeigneter, beispielsweise von der Motorge schwindigkeit abhängiger Einrichtungen entregt.
Die Kurven gemäss Fig. <B>3</B> und 4 zeigen im Zu sammenhang mit dem Stator gemäss Fig. <B>1</B> den tat sächlichen Flussverlauf durch den magnetischen Be reich jedes Betriebspoles 21 während der Start- und Dauerbetriebsphase des Motors, und zwar im Uhr- zeigersinn (CW) und im Gegenuhrzeigersinn (CCW). Da die Flussbelastbarkeit eines magnetischen Berei ches im Kern<B>11</B> effektiv durch den kleinsten Quer schnitt dieses Bereiches gesteuert ist,
befinden sich die kritischen Bereiche des Jochabschnittes<B>15</B> jedes Betriebspoles 21 direkt über den Nuten<B>17</B> zwischen den Nutböden und der Mantelfläche des Kerns. Diese Stellen sind mit<B><I>A,</I></B><I> B</I><B>... J</B> bezeichnet, und zwar fort schreitend von einem Polende zum anderen, wobei jeweils<B>E</B> mit der radialen Mittellinie<B>25</B> des betreffen den Pols zusammenfällt.
Die in der Praxis vorkommenden Linien des Flusses<B>-</B> (I) <B>-</B> in jedem gegebenen polaren magneti schen Bereich eines Kerns sind durch den Ausdruck
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feststellbar, wobei<B>E</B> die mittels Voltmeter mit hoher Impedanz gemessene Induktionsspannung, 4,44 der Faktor für die Sinusform der erregten Wicklung,<B>N</B> die Windungszahl und<B>f</B> die Frequenz der Erreger quelle ist. Es ergibt sich somit, dass der Totalfluss e durch das Joch<B>15</B> an den bezeichneten Stellen leicht feststellbar ist.
In Fig. <B>3</B> ist der durch die Wicklungen im Joch <B>15</B> verursachte Flussverlauf wie folgt dargestellt: Die Kurven 45 und 46 (ausgezogene Linien) veranschau lichen den Start vom Stillstand weg bzw. den Dauer betrieb in den magnetischen Polarzonen des Jochs<B>15</B> bei CW-Betrieb, während Kurven 47 und 48 (ge strichelte Linien) den totalen Flussverlauf beim CCW- Betrieb veranschaulichen.
Es sei daran erinnert, dass beim Start beide Wicklungen 20 und<B>30</B> erregt sind, während beim Normalbetrieb, beispielsweise<B>1725</B> U./min, nur die Hauptwicklung 20 erregt ist, unab hängig von der Drehrichtung.
In Fig. 4 sind die totalen Linien des Flusses<B>0</B> bezüglich der Polarabschnitte der Zähne der Be triebspole 21 dargestellt, und zwar zeigen die Kurven <B>51</B> und<B>52</B> (ausgezogene Linien) den Verlauf bei Betrieb im Uhrzeigersinn (CW) bei Stillstand bzw. Lauf des Motors, während die Kurven<B>53</B> und 54 (gestrichelte Linien) den polaren Flussverlauf bei gleichen Betriebsbedingungen im Gegenuhrzeigersinn (CCW) zeigen.
Aus den Kurven gemäss Fig. <B>3</B> und 4 kann fest gestellt werden, dass das grösste Total der Linien des durch die Wicklungen erzeugten Flusses am Anfang des Startes (Kurven 45, 47,<B>51</B> und<B>53)</B> und bei Nor mallauf (Kurven 46, 48,<B>52</B> und 54) liegt, allgemein gesprochen, an einem Scheitel einer besonderen ma gnetischen Polarzone während des Normallaufes.
Bei der bevorzugten Ausführungsform des Ker nes<B>11</B> sind die magnetischen Zonen der Polarab schnitte durch die Drehrichtung bestimmt, welche den Höchstwert der Flusslinien in diesen Zonen wäh rend Normalbetrieb bewirkt. Dieser Höchstwert ist den Zonen proportional- Fig. <B>3</B> zeigt, dass der totale Fluss e im Jochabschnitt (Kurve 46 und 48) von einem Maximum nahe jedem Endpunkt des Be- triebspoles allmählich auf ein Minimum in Nachbar schaft der Mitte<B>25</B> (Zone<B>E)</B> abfällt. Daraus folgt, dass die Jochzonen in ihrer Grösse in ähnlicher Weise fortschreitend wechseln wie der Wechsel des Spitzen flusses.
Der Spitzenfluss <B>0</B> in den Zahnabschnitten (Fig. 4) wechselt quer zum Betriebspol in umgekehr ter Weise wie in den Jochabschnitten. Entsprechend weisen die Zahnabschnitte nahe den Polenden den kleinsten Querschnitt auf (Zähne a und<B>b).</B> Zahnung <I>a</I> ist nicht im Bereich der äusseren Spule 22 des Be- triebspoles und der Fluss durch diesen hindurch bei i Betrieb resultiert aus der durch das magnetische Feld im Rotor erzeugten reaktiven Rückkopplung. Dieser Zahn ist hier aber als Teil des Betriebspoles 21 einbe zogen.
Ferner sei festgestellt, dass die gesamten Fluss- linien in den Zahnungsabschnitten c und<B>d</B> bei Dre hung im Uhrzeigersinn (CW) und<B>g</B> und h bei Dre hung ün Gegenuhrzeigersinn (CCW) grösser bei Still stand als bei Normalbetrieb sind. Dieser Zustand dauert aber höchstens einige Sekunden, was die Startcharakteristik des Motors sicher nicht unge bührlich belastet.
Zur besseren Verdeutlichung, warum es möglich ist, ein Optimum an Vorteilen zu erlangen, wenn der Stator <B>11</B> in einem reversiblen Motor, mit den i vorstehend beschriebenen konzentrischen Windungen, eingebaut ist, erfolgt eine Aufstellung der Linien maxima des Flusses<B>0</B> (Kurve 46 und 48 in Fig. <B>3</B> und<B>52</B> und 54 in Fig. 4) der verschiedenen magneti schen Zonen der Betriebspole im Kern<B>11</B> in der i nachfolgenden Tabelle:
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Zonen <SEP> des <SEP> Jochabschnittes <SEP> <B>A</B> <SEP> B <SEP> <B>C <SEP> D <SEP> E</B> <SEP> F <SEP> <B>G</B> <SEP> H <SEP> <B>J</B>
<tb> Maximum <SEP> der <SEP> totalen <SEP> Fusslinien
<tb> bei <SEP> Drehen <SEP> des <SEP> Motors <SEP> <B>(103), <SEP> 0 <SEP> 73. <SEP> 71. <SEP> 68. <SEP> 59. <SEP> 57. <SEP> 62. <SEP> 68. <SEP> 72.5 <SEP> 75.</B>
<tb> Drehrichtung <SEP> <B>CcWCCWCCWCCWCW <SEP> CW <SEP> CW <SEP> CW <SEP> CW</B>
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Zahnungsabschnitte <SEP> a <SEP> <B>b <SEP> C <SEP> d</B> <SEP> e <SEP> <B>f <SEP> 9</B> <SEP> h
<tb> Maximum <SEP> der <SEP> totalen <SEP> Flusslinien
<tb> <B>(103), <SEP> 0</B> <SEP> bei <SEP> Drehen <SEP> des <SEP> Motors <SEP> <B>17.5 <SEP> 18.2</B> <SEP> 20. <SEP> <B>22.5</B> <SEP> 21. <SEP> 20. <SEP> <B>21.5 <SEP> 19.
<SEP> 17.5</B>
<tb> Drehrichtung <SEP> <B>CW <SEP> CW <SEP> CW <SEP> CcW <SEP> CcW <SEP> CcW <SEP> CcW <SEP> CcW <SEP> CcW</B>
<tb> <B>CcW</B> Aus der vorstehenden Tabelle geht hervor, dass die schmalste radiale Tiefe in der Jochzone direkt -über den einzelnen Nuten<B>17</B> jedes Betriebspoles be- züglich der Zone<B>J -</B> die Zone mit der grössten Fluss- dichte (CW-Betrieb) <B>-</B> das folgende Verhältnis auf weist:
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Joch-Zone <SEP> <B>A</B> <SEP> B <SEP> <B>C <SEP> D <SEP> E</B> <SEP> F <SEP> <B>G</B> <SEP> H <SEP> <B>J</B>
<tb> Betrag <SEP> der <SEP> Joch-Zone <SEP> <B>bei <SEP> J <SEP> .97 <SEP> .95 <SEP> .91 <SEP> .79 <SEP> .76 <SEP> .83 <SEP> .91 <SEP> .96 <SEP> 1.00</B> Auf gleiche Weise stehen der schmalste Quer schnitt oder Breite der verschiedenen Zahnungsab- schnitte mit der Breite des Zahnabschnittes<B>d</B> wie folgt ün Verhältnis:
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Zahnungsabschnitte <SEP> a <SEP> <B>b <SEP> C <SEP> d</B> <SEP> e <SEP> <B>f <SEP> 9</B> <SEP> h <SEP> <B>i</B>
<tb> Betrag <SEP> der <SEP> Zahnabschnitte <SEP> bei <SEP> <B>d <SEP> .78 <SEP> .81 <SEP> .89 <SEP> 1.00 <SEP> .93 <SEP> .89 <SEP> .96 <SEP> .85 <SEP> .78</B> Bei dieser Anordnung sind die Zahnungsab- schnitte auf den Seiten der Nuten mit den äusseren Spulen 22 mit den meisten Windungen der verteilten Hauptwicklung von geringerer Weite als die Zah- nungsabschnitte auf den Nutenseiten, auf welchen die innersten Spulen 24 mit den wenigsten Windungen untergebracht sind.
Ferner ist die radiale Tiefe der magnetischen Zonen im Jochabschnitt <B>15</B> allmählich ansteigend von einem Minimum nahe der radialen Mitte<B>25</B> der Pole 21 zu einem Maximum direkt über den äusseren Spulen 22. Mit dieser Beziehung wird nicht nur eine ausgezeichnete Materialausnützung erzielt, sondern zusätzlich sind die Wicklungsnuten so geformt, dass genügend Raum zur Unterbringung der geforderten Anzahl Leitungen der Hauptwick lung für eine befriedigende Wicklungsverteilung vor handen ist,
beispielsweise einen maximalen Zwi- schenraumfaktor für die Nuten unterhalb der Ma ximalbegrenzung von<B>60</B> %. Fig. 2 zeigt die Spulen <B>23</B> und<B>33</B> in der Nut<B>17</B> mit einer Zwischenphasen- isolation 27a, woraus dieser Vorteil hervorgeht. Dar aus geht hervor, dass die beschriebene Ausführungs form eine ungewöhnlich gute Materialausnützung und erhöhte Betriebsleistung bewirkt.
An der Stelle des geringsten Totalflusses in Nach barschaft der Mitte<B>25</B> jedes Poles 21 weist die Man telfläche des lamellierten Kernes eine Abflachung<B>58</B> auf, welche eine Materialersparnis bei der Herstellung der einzelnen Lamellen darstellt. Ferner sind diesen Abflachungen <B>58</B> Nuten<B>13</B> vorgesehen, welche der Aufnahme der die Lamellen zusammenhaltenden Keile 12 dienen. Bohrungen<B>59</B> dienen der Aufnahme von Bolzen, um den Stator mit einem Gehäuse zu verbinden.
Es versteht sich von selbst, dass die erwünschten Abmessungen und optimalen Verhältnisse der Joch- zonen und Zahnungsabschnitte durch die Flusssätti- gungscharakteristiken des verwendeten Materials, der Wicklung und der Grösse des Motors abhängig sind. Die genannten optimalen Verhältnisse sind variabel, während die Vorteile der beschriebenen Ausführungs formen beibehalten werden können.
Selbstverständ lich ist es möglich, anstelle des für Vierpolbetrieb gewickelten Stators ohne Änderung des Vorgenann ten Zweipolkonstruktionen Motoren für mehr als vier Pole herzustellen. In gleicher Weise sind anstelle von Statoren mit rundem Querschnitt solche mit recht eckigem Querschnitt verwendbar oder Motoren für zwei Geschwindigkeiten wickelbar.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass es durch die beschriebene Ausführungsform nicht nur möglich ist, eine zur Erreichung eines elektromagne tisch gut ausbalancierten Motors vorteilhafte Wick lungsanordnung zu erzielen, sondern zusätzlich durch einen maximalen Füllfaktor unter<B>60</B> % für die Schlitze eine leichte und wirtschaftliche Wicklung herzustellen. Ferner wird eine bessere Wirtschaftlich keit bei der Statorherstellung durch Materialerspar nis erzielt. Trotz der vorstehenden Verbesserungen der Wirtschaftlichkeit wird die Betriebsleistung des Motors ohne Konzessionen an die Startcharakteristik günstiger.