DE2627835B1 - Einphasen-asynchronmotor - Google Patents
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Description
45
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 (4)
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.
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