CH641602A5 - Richtungsdefiniert, selbstanlaufender synchronmotor mit permanentmagnetischem rotor. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Synchronmotor der im Gattungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Es sind eine Vielzahl von Synchron-Kleinstmotoren mit richtungsbestimmendem Anlauf bekannt, dessen Läufer ein polarisierter Dauermagnetläufer ist und dessen in Klauenpol-art ausgeführter Stator Gruppen von Haupt- und Hilfspolen unterschiedlicher oder gleicher Polzahl aufweist, wobei diese Haupt- und Hilfspole aus in Achsrichtung verlaufenden Polfahnen von auf beiden Stirnseiten des Stators befindlichen Statorpolblechen herausgeformt sind, und wobei an jeder Stirnseite des Stators die Hilfspole mit Kurzschlussringen beaufschlagt sind und bestimmte Haupt- oder auch Hilfspole einen magnetischen Nebenschluss bilden. Ein bekannter Synchronmotor dieser Art (DE-PS 1293324) kennzeichnet sich in diesem Zusammenhang dadurch, dass ein magnetischer Nebenschluss an sämtlichen innenliegenden Polzacken der Hauptpolgruppen eines Statorpolblechs vorgesehen ist, wobei durch diese Nebenschlussbildung ein abgeschwächter magnetischer Fluss in den Arbeitsluftspalten der Hauptpolgruppen vorgegeben werden soll. Die Anzahl der Haupt- und Hilfspole dieses bekannten Synchronmotors ist gleich. Da der erforderliche gleichgrosse magnetische Fluss in den Haupt-und Hilfspolen durch eine Schwächung des magnetischen Flusses in den Hauptpolen erzielt wird, geht ein Teil des erzeugten Magnetflusses verloren und bleibt damit für den Betrieb des Synchronmotors inaktiv. Der Wirkungsgrad dieses bekannten Synchronmotors verschlechtert sich damit mindestens um diesen Betrag des inaktiven Flusses der Hauptpolgruppen. Die Ausgleichmassnahme mittels eines Nebenschlusses zu erzielen, führt immer zu der genannten Minderung des Wirkungsgrads.

Auch ist ein Kleinstsynchronmotor mit Dauermagnetläufer und käfigartigem ringförmig geschlossenem Stator bekannt (DE-AS 1923586), bei dem wiederum von der bekannten Klauenpolbauart ausgegangen wird, und der mittels Kurzschlussscheiben belastete Hilfspole aufweist. Dieser Synchronmotor kennzeichnet sich im wesentlichen dadurch, dass nur je eine Gruppe von Hauptpolen und Hilfspolen vorgesehen ist, die sich etwa diametral gegenüberliegen und sich annähernd über die Hälfte des Statorpolumfangs erstrecken und der Läufer exzentrisch gegen die Hilfspolgruppe hin versetzt ist. Ausgegangen wird hierbei von der Erkenntnis, dass zur Erzielung eines kräftigen richtungsbestimmenden Anlaufdrehmoments das Drehfeld so gestaltet sein muss, dass die vektorielle Aufzeichnung über eine volle Periode des Wechselstroms, also über 360°, möglichst eine Kreisform ergibt. Infolge der exzentrischen Rotorlagerung, bezogen auf die auf einer gemeinsamen zylindrischen Fläche angeordneten Haupt- und Hilfspole, wird ein vergrösserter Luftspalt an den Hauptpolen vorgegeben und damit wiederum zwangsläufig eine Verschlechterung des Wirkungsgrads in Abhängigkeit der Grösse der Exzentrizität hingenommen.

Auch soll noch ein bekannter in seiner Richtung selbstanlaufender Synchronmotor mit einem dauermagnetischen Rotor Erwähnung finden (DE-AS 1128546), bei dem die Hauptpolzahl unterschiedlicher Polarität verschieden ist, und zwar derart, dass die Anzahl der Hauptpole kleiner als die der Hilfspole ist, wobei die Hilfspole gegenüber den in der Drehrichtung vorangehenden Hauptpolen gleicher Polarität verschoben sind. In einer speziellen Ausführungsform ist eine Statorhälfte des Synchronmotors mit sechs Haupt- und sechs Hilfspolen gleicher Polarität und die andere Statorhälfte mit vier Haupt- und sechs Hilfspolen entgegengesetzter Polarität bestückt. Die Lösung, den Fluss durch die Hilfspole dem Fluss durch die Hauptpole gleich zu machen dadurch, dass nur die Hauptpolzahl einer Polarität gemindert wird, hat jedoch den Nachteil, dass der Rotor hierdurch axial belastet wird, so dass er bestrebt ist, ständig seine axiale Lage mit der Erregerfrequenz zu ändern, was neben den damit verbundenen Verschleisserscheinungen zu einem unangenehm hohen und in einer Vielzahl von Anwendungsfällen nicht vertretbaren Laufgeräuschpegel führt.

Schliesslich soll noch ein weiterer Synchronmotor der hier interessierenden Art Erwähnung finden, bei dem die Summe aller Hauptpolfahnen beider Statorpolbleche gleich der Summe aller Hilfspolfahnen ist und die Gesamtzahl der Statorfahnen kleiner ist als die Läuferpolzahl (DE-PS 2055470).

Trotz dieser bekannten Einzelmassnahmen zur Verbesserung der Lauf Charakteristik und/oder des Wirkungsgrads von Synchronmotoren zeigt der genannte Stand der Technik, dass zwar die eine oder andere Aufgabenstellung mit bestimmten Einzelmassnahmen gelöst werden konnte, dass jedoch diese Lösungen stets mit anderen Nachteilen erkauft worden sind.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, einen Synchronmotor der im Gattungsteil des Patentanspruchs 1 genannten Art dahingehend zu verbessern und weiter zu entwickeln, dass der Wirkungsgrad bei geräuscharmem Lauf optimiert werden kann, und dass sich eine schnelle Anlaufcharakteristik ergibt, wobei zusätzlich die eindeutige Drehrichtung vorgegeben werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale erfin-dungsgemäss erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieser Aufgabenlösung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2-4.

Den erforderlichen Ausgleich der Magnetflüsse in den Haupt- und Hilfspolen dadurch zu erreichen, dass die Haupt5

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polzahl kleiner als die Hilfspol-Gesamtzahl ist, und zwar bei jeweils zwei Hauptpol- und Hilfspolgruppen, ist in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. Da einmal Dreh- und Radialschwingungen vermieden werden, ergibt sich eine geräuscharme Laufcharakteristik des Synchronmotors. Zum anderen wird der Wirkungsgrad durch diese Massnahme nicht verschlechtert. Da erfindungsgemäss ausserdem auch die Anzahl der Hauptpole als auch der Hilfspole unterschiedlicher Polarität gleich ist, bleibt auch in axialer Richtung der Einfluss der Pole auf den Rotor über eine Periode des Wechselstroms gleich, so dass auch Axialschwingungen vermieden werden. Die beschriebene Polanordnung ergibt daher einen besonders geräuscharmen Synchronmotor bei bestmöglichem Wirkungsgrad.

Eine besonders vorteilhafte Wahl der Dimensionierung zwischen Polbreite und Poldicke sowie dem Kreisumfang der Polanordnung bei gleichzeitig definierten Beziehungen zwischen Aussen- und Innendurchmesser des Rotors sorgt für den schnellen Anlauf, also eine besonders vorteilhafte Laufcharakteristik des Synchronmotors in der Startphase.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen, die sich jedoch nur auf beispielsweise Ausführungsformen beziehen, näher erläutert werden. Es bedeutet:

Fig. 1 eine Darstellung des zusammengesetzten Gehäuses des Synchronmotors in perspektivischer Wiedergabe:

Fig. 2 eine entsprechende perspektivische Wiedergabe des Rotors des Synchronmotors ;

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Motor nach Fig. i zur Verdeutlichung der Polaufteilung und -anordnung;

Fig. 4 eine Darstellung gemäss Fig. 3 für ein weiteres Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung den vorliegenden in einer Drehrichtung selbstlaufenden Synchronmotor ohne Richtgesperre im zusammengebauten Zustand von einem Stator 22,23 umschlossen, der das Gehäuse darstellt. Die einen Teil des Stators bildende flache Abdeckung 23 ist entlang ihrer Umfangskante mit radial vorstehenden Ansätzen 24 im Abstand zueinander versehen, zwischen denen radial entsprechend zurückgesetzte Abschnitte liegen. In letztere greifen axial hervorspringende Ansätze 25 eines topfför-migen Stator- beziehungsweise Gehäuseteils 22 ein. Durch Verstemmung gebildete Kerbungen 26 machen aus den beiden Statorteilen 23,22 eine dauerhaft verbundene Einheit. Zwei Anschlussfahnen 27 sind für elektrische Steckverbindungen zu der Erregerspule vorgesehen.

Der in der Mitte des Statorgehäuses 22, 23 mit seiner Achse 29 in beiden Stirnseiten geführte Rotor 28 besteht aus einem ringförmigen in Fig. 2 dargestellten Permanentmagneten mit einem Aussendurchmesser D und einem wirksamen Innendurchmesser d. Dieser Rotor 28 läuft in dem zylindrischen Hohlraum, der von den in den Fig. 3 beziehungsweise 4 dargestellten Polfahnen gebildet wird, um.

Der Synchronmotor ohne Richtgesperre und mit permanentmagnetischem Rotor, der von èiner Erregerspule umgriffen wird, aus dessen Stirnseiten sich die Pole in axialer Richtung herausgeformt erstrecken, wie später noch näher geschrieben werden wird, kann sich nur dann durch eine eindeutige Drehrichtung, ein hohes Drehmoment und einen geräuscharmen Lauf kennzeichnen, wenn das Drehfeld von besonders hoher Güte ist. Diese erforderliche Güte wird andererseits nur dann erreicht, wenn ausser einer räumlich richtigen Polanordnung, die der zeitlichen Phasenverschiebung der Flüsse entsprechen muss, auch die Flüsse in den Haupt- und Hilfspolen gleich oder zumindest annähernd gleich sind. Um das zu erreichen, werden Polanordnungen getroffen, wie sie in Fig. 3 und 4 in beispielsweisen Ausführungsformen durch die dort gezeigten Schnittdarstellungen wiedergegeben sind. In beiden Ausführungsbeispielen, wie auch in anderen denkbaren, besteht das übergeordnete gemeinsame Merkmal darin, dass jeweils zwei Hauptpolgruppen und zwei Hilfspolgruppen vorgesehen sind, wobei die Hauptpolgesamtzahl kleiner als die Hilfspolgesamtzahl ist. Voraussetzung für den geräuscharmen Lauf ist darüber hinaus, dass bei kleinerer Hauptpolanzahl gegenüber der Hilfs-polanzahl zum Ausgleich ihrer Flüsse über jede Wechselstromperiode der Einfluss der Pole unterschiedlicher Polarität auf den Rotor gleich bleibt, so dass keinerlei Axialkräfte auftreten können, die entsprechende Schwingungen und damit Geräusche des Synchronmotors erbrächten.

Bei gleicher Anzahl der Hauptpole unterschiedlicher Polarität und gleicher Anzahl der Hilfspole unterschiedlicher Polarität, wie nach der vorliegenden Anordnung gegeben, ergibt sich somit der gewünschte gleichbleibende Einfluss der Pole auf den Rotor und die Vermeidung jeglicher Axialkräfte.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Hauptpolgruppen, bestehend aus den Polen 1,2 einerseits und 7, 8,9, 10 andererseits. Diese beiden Hauptpolgruppen mit zwei plus vier, also sechs Polen, stehen gegenüber zwei Hilfspolgruppen, nämlich 3 bis 6 und 11 bis 14, also vier plus vier gleich acht Hilfspole. Die Haupt- wie auch die Hilfspole 1 bis 14 sind jeweils aus den sich gegenüberliegenden Stirnseiten in Klauenpolweise herausgebogen oder an diese angeformt, wobei sich aus jeder der beiden Stirnseiten die gleiche Hauptpolanzahl und die gleiche Hilfspolanzahl herauserstreckt. Die Hilfspole der einen Stirnseite sind durch die Kurzschlussscheibe 20 und die Hilfspole der gegenüberliegenden Stirnseite durch die Kurzschlussscheibe 20' belastet. Die Hilfspole, die sich aus der einen Stirnseite erstrecken, sind im einzelnen die Hilfspole 4,6, 11 und 13 und aus der gegenüberliegenden Stirnseite die Hilfspole 3, 5, 12 und 14, während die Hauptpole aus der erstgenannten Stirnseite die Hauptpole 1, 8 und 10 sind und die Hauptpole aus der anderen Stirnseite die Hauptpole 2,7 und 9. Die Breite sowohl der Hilfs- als auch der Hauptpole ist B und ihre in Radialrichtung gemessene Dicke b. Zwischen der Polbreite und der Poldicke, wie auch dem inneren Umfang, auf dem die Pole angeordnet sind, wird eine bestimmte Beziehung eingehalten, was darüber hinaus auch zwischen Aussen- und Innendurchmesser des Rotors und seiner Wichte besteht, um einen möglichst schnellen Anlauf des Synchronmotors zu erreichen, was letztlich nichts anderes heisst, als das Haltemoment des Rotors im Stator und das Trägheitsmoment des Rotors klein zu halten und den Querschnitt der Statorpole so, dass ein grosser sinusförmiger Magnetfluss vorgebbar ist. Die genannten Beziehungen bestehen einmal darin, dass die Dicke b der Pole mehr als 30% ihrer Breite B ausmacht, und zum anderen darin, dass der wirksame Innendurchmesser d grösser oder gleich dem Aussendurchmesser D, multipliziert mit der vierten Wurzel eines bestimmten Betrags, ist, in den die Wichte des Rotors mit eingeht. Diese Beziehung stellt sich dar als:

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wobei y die Wichte des ringförmigen permanentmagnetischen Rotors ist. Nach dieser Formel muss ein d stets grösser oder wenigstens gleich dem Produkt aus D mal den vierten Wurzel aus 1 minus 3/y sein. Die aneinandergereihte Gesamtbreite aller Pole 1 bis 14 beträgt mindestens 60% des Kreisumfangs, auf dem sie angeordnet sind.

Die beschriebenen Verhältnisse ergeben sich auch für das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4. Dort bestehen die Hauptpolgruppen zum einen aus den Hauptpolen 1', 2', 3' und zum anderen aus den Hauptpolen 7', 8', 9' und die Nebenpolgrup-

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pen einmal aus den Nebenpolen 4', 5', 6' und zum anderen aus den Nebenpolen 10' bis 14'. Die Hauptpole 1', 3', 8' sind aus der einen Stirnseite ausgeformt und die Hauptpole 2', T, 9' aus der anderen Stirnseite, während die Hilfspole 4', 6', 11', 13' aus der erstgenannten Stirnseite und die Hilfspole 5', 10', 12' und 14' aus der letztgenannten Stirnseite ausgeformt beziehungsweise an diese angeformt sind. Zwei Kurzschlussscheiben 21 und 21' wirken jeweils auf die Hilfspolgruppen, die sich aus jeder Stirnseite herauserstrecken. Die radiale Dicke b' und die Breite B' jeder der Haupt- und Hilfspole 1' 5 bis 14' entspricht der von Fig. 3.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

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1. Richtungsdefiniert, selbstanlaufender Synchronmotor mit permanentmagnetischem Rotor und einem eine Erregerspule umfassenden Stator in Klauenpolbauart, wobei mehrere Pole zu Hauptpolgruppen und mit Kurzschlussscheiben belastete Hilfspolgruppen zusammengefasst sind, und wobei eine definierte Drehrichtung nicht mittels Richtungssperre vorgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einem Kreisring liegenden, aus den gegenüber angeordneten Stirnseiten sich herauserstreckenden und ineinandergreifenden Pole (1-14 bzw. 1'—14') zu zwei Hauptpolgruppen (1,2 und 7-10 bzw. l'-3' und 7'-9') und zu zwei Hilfspolgruppen (3-6 und

11-14 bzw. 4'-6' und 10'—14') zusammengefasst sind, wobei die Hauptpolgesamtzahl kleiner als die Hilfspolgesamtzahl ist, und dass sich aus jeder der beiden Stirnseiten die gleiche Hauptpolanzahl und die gleiche Hilfspolanzahl herauserstreckt.

2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtbreite aller Statorpole mindestens 60% des inneren Kreisumfangs ausmacht, auf dem sie liegen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Synchronmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Statorpole mehr als 30% ihrer Breite beträgt.

4. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame Innendurchmesser d des ringförmigen Rotors (28) aus permanentmagnetischem Material zum Aussendurchmesser D in folgender Beziehung steht:

wobei y die Wichte des permanentmagnetischen Materials ist.