DE2627835B1

DE2627835B1 - Einphasen-asynchronmotor

Info

Publication number: DE2627835B1
Application number: DE19762627835
Authority: DE
Inventors: Soerensen Per Germann
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1976-06-22
Filing date: 1976-06-22
Publication date: 1977-10-13
Also published as: DK257577A; FR2356306A1; GB1581150A; FR2356306B1; US4119894A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Einphasen-Asynchronmotor, dessen Hilfswicklungszweig in Reihe einen ersten Hilfswicklungsabschnitt, einen zweiten Hilfswicklungsabschnitt und einen Betriebskondensator aufweist, wobei der zweite Hilfswicklungsabschnitt und der Betriebskondensator durch eine Anlaßvorrichtung überbrückt sind.

Bei einem bekannten Asynchronmotor dieser Art (FR-PS 7 74 187, Fig. 6) besteht die Anlaßvorrichtung aus einem Anlaßschalter, der nach dem Hochlaufen des Motors öffnet. Während des Hochlaufens ergibt sich ein Betrieb nach Art eines Asynchronmotors mit Widerstands-Hilfsphase. Dies führt zu einem kräftigen Anlaufmoment. Nach dem Hochlaufen arbeitet die nunmehr eine größere Zahl wirksamer Windungen aufweisende Hilfswicklung mit Betriebskondensator; dies führt zu einem höheren Kippmoment bzw. zu einer geringeren Leistungsaufnahme im Betrieb; auch kann der Drahtquerschnitt der Hauptwicklung kleiner gewählt werden.

Im bekannten Fail ist eine durchgehende Hilfswicklung mit einer Anzapfung für den Anschluß des Anschlußschalters versehen. Beide Hilfswicklungsabschnitte haben daher den gleichen Drahtquerschnitt. Der erste Wicklungsabschnitt muß einen großen, für den Widerstandsanlauf bemessenen, ohmschen Widerstand haben. Dies führt zu einem sehr dünnen Draht, der leicht durchbrennt. Ein dickerer Draht müßte bifilar gewickelt werden. Der große Widerstand ist auch während des Betriebs wirksam. Der zweite Wicklungsabschnitt darf daher keinen allzu großen Widerstand mehr haben. Dies behindert die Freizügigkeit bei der Auslegung. Schutzvorrichtungen für den Hilfswicklungszweig sind in diesem Zusammenhang nicht vorgesehen.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform (FR-PS 7 74 187, Fig. 5) ist im Anlaßzweig ein ohmscher Widerstand vorgesehen und der Anlaßschalter als Umschalter ausgebildet, der während des Anlaßvorganges den ohmschen Widerstand und während des Betriebes den zweiten Hilfswicklungszweig mit Betriebskondensator an die eine Netzzuleitung legt. Bei dieser Ausführung besteht eine größere Freiheit in der Bemessung des ohmschen Widerstandes des ersten Hilfswicklungszweiges. Das plötzliche Anschalten des Betriebskondensators nach dem Hochlauf führt aber zu unerwünschten Stromspitzen. Ein Schutz für den Hilfswicklungszweig ist nicht vorgesehen.

Bei Elektromotoren mit Widerstandshilfsphase (DT-PS 14 88 894) ist es bekannt, als Anlaßvorrichtung einen PTC-Widerstand vorzusehen, dessen Kaltwiderstand einen wesentlichen Teil des ohmschen Widerstandes der Hilfsphase bildet und der so bemessen ist, daß er infolge Beheizung durch den hindurchfließenden Strom seinen Warmwiderstand kurz nach dem Hochlaufen erreicht, so daß die Hilfswicklung praktisch abgeschaltet ist. In diesem Fall kann die Hilfswicklung derart widerstandsarm ausgebildet sein, daß sie sich bei maximalem Anlaßstrom nicht schneller erwärmt als die Hauptwicklung bei Kurzschlußstrom.

Sodann ist es bekannt (US-PS 29 91 402), in Reihe mit einer Hilfswicklung im Anlaßzweig einen Anlaßkondensator und parallel zu diesem oder der Hilfswicklung eine sättigbare Drosselspule zu schalten. Die Drosselspule hat beim Anlassen eine hohe und während des Betriebs eine niedrige Impedanz, so daß beim Anlassen die Reihenschaltung aus Hilfswicklung und Anlaßkondensator wirksam, dagegen während des Betriebs der durch die Hilfswicklung fließende Anteil des Kondensatorstroms geringer ist. Um ein hinreichendes Anlaufmoment sicherzustellen, ist ein großer und sperriger Anlaßkondensator erforderlich. Auch die sättigbare Drosselspule stellt ein aufwendiges Bauelement dar. Der Drosselspulenstrom erhöht, insbesondere während des Betriebs, also bei kleiner Impedanz der Drosselspule, die Kupferverluste, ohne wesentlich zum Drehmoment des Motors beizutragen, soweit Hilfswicklung und Drosselspule parallelgeschaltet sind. Da der ohmsche Widerstand der Hilfswicklung beim Anlauf und im Betrieb gleich bleibt, ist zur Erzielung eines hohen Stroms in der Hilfswicklung beim Anlauf und damit eines hohen Anlaufmoments ein großer Kupferquerschnitt für den Draht der Hilfswicklung und damit viel Kupfer erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einphasen-Asynchronmotor der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der bei optimaler Auslegung für Anlaß und Betrieb sowie gut geschütztem Hilfswicklungszweig einen möglichst kleinen Leistungs- und

Kupferbedarf hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anlaßvorrichtung durch einen PTC-Widerstand gebildet ist, dessen Kaltwiderstand in der gleichen Größenordnung liegt wie der Widerstand des ersten Hilfswicklungsabschnitts und der so bemessen ist, daß er seinen Warmwiderstand kurz nach dem Hochlaufen erreicht, daß der Querschnitt des einfach gewickelten Drahts des ersten Hilfswicklungsabschnitts so bemessen ist, daß er eine Belastung durch den maximalen Anlaßstrom im Hilfwicklungszweig erträgt, bis der PTC-Widerstand seinen Warmwiderstand erreicht, und daß der Querschnitt des einfach gewickelten Drahtes des zweiten Hilfwicklungsabschnitts kleiner als der Drahtquerschnitt des ersten Hilfswicklungsabschnitts ist.

Bei dieser Anordnung kann der erste Hilfswicklungsabschnitt bezüglich seiner Windungszahl optimal für einen Widerstand-Anlauf ausgelegt werden. Da ein wesentlicher Teil des Anlaufwiderstandes durch den Kaltwiderstand des PTC-Widerstandes gebildet wird, braucht der Draht des ersten Hilfswicklungsabschnitts nicht bifilar gewickelt zu werden. Er kann auch einen ausreichend großen Querschnitt erhalten, damit er sich auch bei einer Blockierung des Motors nicht zu rasch erwärmt. Der zweite Hilfswicklungsabschnitt wird demgegenüber dünndrähtig ausgelegt. Dies ergibt eine Ersparnis an Wicklungskupfer zusätzlich zu derjenigen in der Hauptwicklung. Die Windungszahl und der ohmsche Widerstandswert des zweiten Abschnitts können so bemessen werden, daß sie in Summe mit denen des ersten Wicklungsabschnitts optimale Betriebsverhältnisse, d.h. ein optimales Kippmoment, ergeben. Der ohmsche Widerstand des zweiten Hilfswicklungsabschnitts darf größer sein als derjenige des ersten, ohne daß hierbei zu große Wärmeverluste auftreten, weil im ersten Wicklungsabschnitt der ohmsche Widerstand entsprechend klein ist. Da der zweite Wicklungsabschnitt und der Betriebskondensator dem PTC-Widerstand unmittelbar parallel liegen, ist es sogar erwünscht, daß der zweite Wicklungsabschnitt einen etwas größeren Widerstandswert hat, damit beim Anlauf nur ein vernachlässigbar kleiner Strom über den zweiten Hilfswicklungsabschnitt fließt. Insbesondere kann die Summe der ohmschen Widerstandswerte dieser Wicklungsabschnitte gleich dem ohmschen Widerstandswert einer für ein optimales Kippmoment ausgelegten Hilfswicklung sein. Hierzu sei angenommen, daß ein Motor mit Hauptwicklung, Hilfswicklung und Kondensator mit Bezug auf ein optimales Kippmoment ausgelegt worden ist. Daraus ergibt sich die Auslegung der erfindungsgemäßen Hilfswicklung, die aus den zwei Wicklungsabschnitten besteht. Der erste Abschnitt kann hinsichtlich Drahtquerschnitt und Windungszahl in Verbindung mit dem PTC-Widerstand auf das gewünschte Anlaßmoment ausgelegt werden. Danach kann der Drahtquerschnitt des zweiten Wicklungsabschnitts so bemessen werden, daß die vorher ermittelten Daten für den Betrieb vorhanden sind. Das heißt, daß nicht nur die Summe der Windungszahlen, sondern auch die Summe der Widerstandswerte der beiden Wicklungsabschnitte dem gewünschten Betriebswert entsprechen. Die Hilfswicklung ist auch gut gegen ein eventuelles Durchbrennen bei blockiertem Rotor geschützt. Denn der erste Wicklungsabschnitt verträgt den maximalen Anlaßstrom wenigstens so lange, bis der PTC-Widerstand infolge Eigenerwärmung seinen Warmwiderstand erreicht hat. Der zweite Hilfswicklungsabschnitt ist wegen des höheren Widerstandswertes und der Reihenschaltung mit dem Betriebskondensator wesentlich geringer belastet, so daß er ohne weiteres den durch ihn hindurchfließenden Strom verträgt, bis ein normaler Schutzschalter, der z. B. auf die Temperatur der Hauptwicklung anspricht, eine Netzabschaltung vornimmt. Im Vergleich zu einem Anlaßkondensator kann ein Betriebskondensator sehr viel kleiner bemessen sein. Gegenüber einem Fliehkraftschalter, selbst gegenüber einer sättigbaren Drosselspule ist ein PTC-Widerstand weniger aufwendig und raumsparender, insbesondere bei der handelsüblichen Ausbildung des PTC-Widerstands aus Halbleitermaterial. Seine Lebensdauer gegenüber einem Fliehkraftschalter ist ebenfalls höher.

Die genaue Bemessung des Kaltwiderstandes des PTC-Widerstandes hängt von den jeweiligen Gegebenheiten ab. Günstig ist eine Widerstandsaufteilung von 1 :1 zwischen Kaltwiderstand und Wieklungswiderstand. Es kommt aber ein größerer Bereich zwischen etwa 2 :1 und 1 :2 in Betracht.

Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Drahtquerschnitt des zweiten Hilfswicklungsabschnitts etwa halb so groß ist wie derjenige des ersten Wicklungsabschnitts. Je nach dem Windungszahlverhältnis liegt dann der ohmsche Widerstand des zweiten Wicklungsabschnitts in der Regel um 30 bis 100% über demjenigen des ersten Wicklungsabschnitts.

Mit besonderem Vorteil beträgt die Gesamtwindungszahl der Hilfswicklung etwa das l,5fache derjenigen der Hauptwicklung, und der erste Hilfswicklungsabschnitt hat eine größere Windungszahl als der zweite Hilfswicklungsabschnitt. Insbesondere kann die Windungszahl des ersten Hilfswicklungsabschnitts 80 bis 90% und die Windungszahl des zweiten Hilfswicklungsabschnitts 60 bis 70% derjenigen der Hauptwicklung betragen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Einphasen-Asynchronmotors und

F i g. 2 seine Drehmomentenkennlinie.

In Fig. 1 ist ein Elektromotor 1 veranschaulicht, der eine Hauptwicklung 2 aufweist sowie einen Hilfswicklungszweig 3, der aus der Reihenschaltung eines ersten Hilfswicklungsabschnitts 4, eines zweiten Hilfswicklungsabschnitts 5 und eines Betriebskondensators 6 besteht. Ein PTC-Widerstand 7 überbrückt den zweiten Hilfswicklungsabschnitt 5 und den Betriebskondensator 6. Das Ganze wird über einen Hauptschalter 8 von einem Wchselstromnetz her gespeist. In der Zuleitung kann noch ein Schutzschalter 9 liegen, der von einem Temperaturfühler 10 im Bereich der Hauptwicklung 2 gesteuert wird und bei Übertemperatur anspricht.

In einem Ausführungsbeispiel hatte die Hauptwicklung 2 insgesamt 400 Windungen. Der Hilfswicklungsabschnitt 4 besaß 350 Windungen, der Hilfswicklungsabschnitt 5 dagegen 250 Windungen, insgesamt also 600 Windungen. Dies führt bei einem entsprechend bemessenen Betriebskondensator zu einem optimalen, verlustarmen Betrieb. Der erste Hilfswicklungsabschnitt 4 besteht aus einem Draht mit einem Durchmesser von 0,5 mm, der zweite Hilfswicklungsabschnitt 5 aus einem Draht mit einem Durchmesser von 0,35 mm, was etwa dem halben Querschnitt des Drahtes des ersten Abschnitts entsprach. Der ohmsche Widerstand des ersten Hilfswicklungsabschnitts 4 betrug etwa 8,5 Ohm, während derjenige des zweiten Hilfswicklungsab-

Schnitts 5 etwa 21,6 Ohm betrug. Der Kaltwiderstand des PTC-Widerstands in einem Bereich unterhalb 80⁰C betrug etwa 10 Ohm, sein Warm widerstand bei einer Temperatur von rund 100° C rund 1000 Ohm.

Hiermit ergibt sich die folgende Betriebsweise. Beim Einschalten des Hauptschalters 8 fließt der gesamte Hilfswicklungsstrom über den ersten Abschnitt 4 und der überwiegende Teil über den PTC-Widerstand 7, da der andere Zweig wegen des Betriebskondensators 6 und des höheren Widerstandswerts des Abschnitts 5 eine entsprechend hohe Impedanz hat. Dies ergibt praktisch einen reinen Widerstands-Anlauf mit einem hohen Anlaufmoment M₃. Inzwischen erwärmt sich der PTC-Widerstand 7. Wenn er nach dem Hochlauf seinen Warmwiderstand einnimmt, fließt praktisch der gesamte, nunmehr allerdings recht kleine Strom über die beiden Wicklungsabschnitte 4 und 5 sowie den Betriebskondensator 6. Diese Betriebsweise führt zu einem relativ hohen Kippmoment M*. Dieses liegt im Vergleich zu einem reinen Widerstands-Motor relativ hoch, so daß man beispielsweise bei einem Kältekompressor mit einer geringeren Speiseleistung pro Kilokalorie Kühlleistung auskommt oder mit einer gegebenen Größe von Motor und Kompressor eine größere Kühlleistung erzielen kann. Während bei einem Widerstands-Motor die Hauptwicklung aHein das Kippmoment bestimmt, trägt beim Kondensator-Motor sowohl die Haupt- als auch die Hilfswicklung zur Bildung des Kippmoments bei. Dadurch können die Wicklungsquerschnitte kleiner gehalten werden. Zusammenfassend kann bei Verwendung eines Kondensator-Motors statt eines Widerstands-Motors mit ausschaltbarer Hilfsphase bei gleicher Nennleistung Kupfer eingespart werden. Das Anlaufmoment liegt in der Regel bei 50 bis 60% des Kippmoments (vgl. F i g. 2).

Da der PTC-Widerstand nicht schaltet, fallen auch Strom- und Spannungsstöße beim Umschalten fort. Darüber hinaus wird der erste Wicklungsabschnitt 4 durch den PTC-Widerstand 7 geschützt, wenn der Motor blockiert. Der zweite Wicklungsabschnitt 5 ist dabei ohnehin wegen des geringen Stroms nicht gefährdet. Er hält ohne weiteres eine Belastung bis zu demjenigen Zeitpunkt aus, an dem wegen Übertemperatur der Hauptwicklung 2 der Schutzschalter 9 anspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einphasen-Asynchronmotor, dessen Hilfswicklungszweig in Reihe einen ersten Hilfswickiungsabschnitt, einen zweiten Hilfswicklungsabschnitt und einen Betriebskondensator aufweist, wobei der zweite Hilfswicklungsabschnitt und der Betriebskondensator durch eine Anlaßvorrichtung überbrückt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaßvorrichtung durch einen PTC-Widerstand (7) gebildet ist, dessen Kaltwiderstand in der gleichen Größenordnung liegt wie der Widerstand des ersten Hilfswicklungsabschnitts (4) und der so bemessen ist, daß er seinen Warmwiderstand kurz nach dem Hochlaufen erreicht, daß der Querschnitt des einfach gewickelten Drahtes des ersten Hilfswicklungsabschnitts so bemessen ist, daß er eine Belastung durch den maximalen Anlaßstrom im Hilfswicklungszweig erträgt, bis der PTC-Widerstand seinen Warmwiderstand erreicht, und daß der Querschnitt des einfach gewickelten Drahtes des zweiten Hilfswicklungsabschnitts (5) kleiner als der Drahtquerschnitt des ersten Hilfswicklungsabschnitts ist.

2. Einphasen-Asynchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtquerschnitt des zweiten Hilfswicklungsabschnitts (5) etwa halb so groß ist wie derjenige des ersten Hilfswicklungsabschnitts (4).

3. Einphasen-Asynchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtwindungszahl der Hilfswicklung (4, 5) etwa das l,5fache derjenigen der Hauptwicklung (2) beträgt und der erste Hilfswicklungsabschnitt (4) eine größere Windungszahl als der zweite Hilfswicklungsabschnitt (5) hat.

4. Einphasen-Asynchronmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl des ersten Hilfswicklungsabschnitts (4) 80 bis 90% und die Windungszahl des zweiten Hilfswicklungsabschnitts (5) 60 bis 70% derjenigen der Hauptwicklung (2) beträgt.