EP1977500A1 - Zweipoliger permanent-erregter synchronmotor mit sechs statorzähnen - Google Patents

Zweipoliger permanent-erregter synchronmotor mit sechs statorzähnen

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EP1977500A1
EP1977500A1 EP06841021A EP06841021A EP1977500A1 EP 1977500 A1 EP1977500 A1 EP 1977500A1 EP 06841021 A EP06841021 A EP 06841021A EP 06841021 A EP06841021 A EP 06841021A EP 1977500 A1 EP1977500 A1 EP 1977500A1
Authority
EP
European Patent Office
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synchronous motor
stator
strand
strands
windings
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06841021A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Heese
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wilo SE
Original Assignee
Wilo AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Wilo AG filed Critical Wilo AG
Publication of EP1977500A1 publication Critical patent/EP1977500A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/16—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having annular armature cores with salient poles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K17/00—Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
    • H02K17/02—Asynchronous induction motors
    • H02K17/04—Asynchronous induction motors for single phase current
    • H02K17/10—Motors with auxiliary phase obtained by split-pole carrying short-circuited windings

Definitions

  • the present invention relates to a permanently excited synchronous motor for direct operation on a single-phase AC network with a two-pole stator and a two-pole permanently excited rotor.
  • Asynchronous motors with an operating capacitor are generally used today for heating pumps with a low output.
  • these asynchronous motors are usually constructed with two poles with a main and an auxiliary winding and are designed as wet rotors. Due to the wet-running version, they have a relatively large air gap, which results in low efficiency.
  • two-pole, permanently excited synchronous motors are now also being used, which are also designed for use as heating pumps in wet-running technology. Due to the magnetic excitation, the large air gap caused by wet-running technology has a less pronounced effect, so that the efficiency of such heating pumps is increased. This results from the fact that the magnets of the rotor behave like air in the magnetic circuit and outweigh the mechanical gap.
  • a disadvantage of such synchronous motors is the need for starting electronics, which is associated with considerably higher manufacturing costs.
  • Mains-operated synchronous motors are usually single-stranded, the stator having two stator poles, hereinafter called stator teeth.
  • stator teeth There are however, two-strand synchronous motors with four stator teeth are also known.
  • the stator teeth are arranged symmetrically at 90 ° and each carry a stator winding, the four windings being connected to form a main winding and an auxiliary winding with an operating capacitor, and the stator teeth carrying the main winding and the auxiliary winding are opposite each other.
  • This two-strand version with four stator teeth also enables the use of a two-pole rotor. Higher pole rotors are rare because in this case the synchronous speed is reduced according to the factor of the number of pole pairs.
  • stator In order to avoid starting electronics, two-strand two-pole synchronous motors with three stator teeth are also known.
  • the stator has an unusual construction, namely in such a way that the three stator teeth are spatially arranged at an angle of 120 °. This means that the magnetic flux of a stator tooth is divided between two stator teeth, so that the use of the sheet metal cross sections is uneven. This becomes even clearer if one imagines a two-pole, permanently excited rotor which, within the three-stator tooth arrangement, i.e. the magnetic field lines within the bore of the machine are influenced by the field of permanent magnets.
  • a very disadvantageous aspect of this principle is the resultant radial radial force that places a heavy load on the bearings and thus considerably accelerates bearing wear and greatly reduces the service life of such an electric motor. Furthermore, this radial force causes a high level of noise, which is particularly intolerable when the electric motor is used in heating pumps. For small motors, these radial forces can be around 5 N.
  • the advantage of such a stator construction is that the electric motor also works independently starts in a defined direction of rotation. Starting electronics is therefore superfluous.
  • EC motors In addition to synchronous motors, electronically commutated electric motors (EC motors), which have six stator teeth and are usually three-stranded, are often used for heating pumps of low power. Therefore, they cannot be connected directly to an AC network. EC motors are often used in the form of four-pole motors. The three lines of the EC motor are individually controlled or energized by a control device. A significant disadvantage with EC motors is therefore the need for a converter to operate the electric motor, which also leads to significantly higher costs and requires a higher production cost.
  • the synchronous motor according to the invention has a stator which corresponds to that of an EC motor, so that the manufacturing method of such a synchronous motor can be used for the manufacturing method of an EC motor.
  • the technical design of a synchronous motor with the stator sheet cross section of an EC motor results in a synergy effect which can be used in a particularly advantageous manner in such a way that the known manufacturing technology of EC motors can be used for producing self-starting synchronous motors without starting electronics.
  • the synchronous motor according to the invention can have six stator teeth, each of which preferably has a winding. It is advantageous here that known and conventional stator laminations from EC motors can be used. Alternatively, the stator can also have nine stator teeth, for example. Furthermore, the stator teeth can also carry more than one winding, so that any interconnections of the stator are possible. This ensures the greatest possible flexibility of the stator connection while maintaining the advantages of the invention.
  • two of the windings can be interconnected to form a strand such that three strands are formed by interconnecting the windings in a stator with six stator teeth, at least one of the strands being able to be connected to a phase-shifting element, in particular a capacitor.
  • All strands can preferably be connected to one another in a common star point.
  • This special connection of the stator windings ensures that the synchronous motor starts up in a preferred and definable direction of rotation, without the need to use start-up electronics.
  • Synchronous motor in pumps results from the fact that the direction of rotation of the rotor shaft of the synchronous motor is known, the possibility of designing the delivery wheel of the pump in such a way that a suitable arrangement of the vanes of the delivery wheel in a preferred direction of rotation enables significantly more liquid to be delivered than in the other.
  • the performance, the efficiency and the efficiency of the pump are increased enormously.
  • all the strands can also be connected to one another at a common point, which is connected to the neutral conductor of the AC voltage network.
  • the phase-shifting element can be connected, for example, in series with the windings of one strand or in parallel or in series with two strands.
  • the windings of a strand can be connected in series, preferably those two strands that do not have a phase-shifting element can be connected in series. Alternatively, the windings of a strand can also be connected in parallel.
  • stator teeth carrying the two windings of one strand lie diametrically opposite one another. This ensures a symmetrical field arrangement within the bore of the synchronous motor, the axial forces on the rotor are minimized and a long service life is achieved due to low bearing wear.
  • the stator teeth can have a substantially rectangular cross-section over their entire radial length in the axial direction, the side of a stator tooth facing the rotor being concave, so that there is a uniform air gap around the rotor in the area of the stator teeth.
  • the stator teeth can also have pole shoes, but the embodiment without pole shoes has the advantage that coils prefabricated on a winding former are pushed onto the stator tooth can, which results in manufacturing advantages, in particular a simplified assembly effort.
  • FIGS. 1 to 3 An advantageous exemplary embodiment of the present invention is explained in detail below:
  • Fig. 1 two-pole synchronous motor with six stator teeth
  • Pole shoes Fig. 2 two-pole synchronous motor with six stator teeth without
  • Fig. 3 first variant of the interconnection of the windings
  • Fig. 4 second variant of the interconnection of the windings
  • Fig. 5 third variant of the interconnection of the windings
  • Fig. 6 fourth variant of the interconnection of the windings
  • Fig. 7 fifth variant of the interconnection of the windings
  • Fig. 8 sixth variant of the interconnection of the windings
  • Fig. 9 seventh variant of the interconnection of the windings
  • Fig. 10 eighth variant of the interconnection of the windings
  • a synchronous motor on an AC voltage network can in principle only take place in a maximum of two phases, the windings of the stator according to the invention being connected together in such a way that they form a main winding and an auxiliary winding.
  • 1 is a first Embodiment variant of the synchronous motor according to the invention shown in cross section.
  • the synchronous motor 1 has a stator 2, which is formed with six stator teeth 3, each of which has a pole school 9 directed towards the rotor 5.
  • the stator teeth 3 each carry a winding 4 wound on a winding body (not shown), which is wound conically in this special exemplary embodiment.
  • the rotor 5 lies coaxially in the bore 7 of the synchronous motor 1 and forms an air gap 6 between the pole shoes 9 and the outer jacket of the rotor 5.
  • Such a stator 2 essentially corresponds to a conventional stator of an EC motor. It is particularly clear here that the synchronous motor according to the invention is based on a known stator concept, so that the manufacture of a synchronous motor according to the invention can be carried out in a simple manner with already existing machine sets and assembly devices.
  • EC motors are three-strand machines and have a higher magnetic utilization of the stator laminated core than single-strand and two-strand machines and thus produce better starting behavior, namely in particular through a higher starting torque and even torque generation.
  • the present synchronous motor 1 is designed for direct operation on the AC voltage network and therefore has a two-strand stator 2, although its operation can be regarded as quasi-three-strand.
  • the two-strand stator arises from the interconnection according to the invention of the three individual strands or winding strands of the stator and is explained in more detail below.
  • the synchronous motor 1 is designed with two poles, wherein it has both a two-pole rotor 5 and a two-pole stator 2.
  • FIG. 1 shows the course of the magnetic field lines within the stator 2, the stator teeth 3, the air gap 6 and the rotor 5 to identify the two-pole arrangement.
  • the magnetic flux is essentially generated by the windings located on the opposing stator teeth 8a, 8b, the magnetic field lines running from one stator tooth 8a through the bore 7 to the other stator tooth 8b and through the yoke ring of stator 2 close.
  • Those magnetic field lines which are guided through the stator teeth 3 and which are arranged between two opposite stator teeth result here from the magnetic field which is generated by the permanently excited rotor 5 itself and from stray fields.
  • the magnetic flux visualized by the magnetic field lines in FIG. 1 merely represents a snapshot and that the main direction of flow circulates in the stator when the synchronous motor is operating on the AC voltage network.
  • the six windings 4 located on the six stator teeth 3 are connected to form three strands 20, 21, 22.
  • An exemplary connection variant of the windings is shown in FIG. 3.
  • the stator windings 4 are connected in series in such a way that two windings 11/12, 13/14, 15/16 form a strand 20, 21, 22, all three strands 20, 21, 22 being connected to one another at a star point 171.
  • a phase-shifting element in particular a capacitor 10 is connected in series with a strand 21. This has the effect that the proportional magnetic field generated by the corresponding stator tooth groups within the stator reaches its maximum or minimum at different times than the alternating alternating voltage of the supply network.
  • the geometric angle of the two stator poles on one side is less than 180 °, so that the synchronous motor can be impressed with a specific, specifiable starting direction.
  • the starting direction depends on the position of the line 21 to which the capacitor 10 is assigned. This measure also gives an increased starting torque.
  • the circuit arrangement according to FIG. 3 can be regarded as a quasi-three-phase synchronous motor 1, but the phase 21 connected to the capacitor 10 is to be regarded as an auxiliary winding distributed over two stator teeth, and the series connection generated by the star point 171 from the other two Strands 20, 22 can be regarded as a main winding distributed over four stator teeth, so that the stator according to the invention of the synchronous motor can be technically described as two-stranded.
  • the third strand 22 is fed together by the current flowing through the other two strands 20 and 21.
  • the quasi three-strand operation is achieved by the skilful choice of the switching of the capacitor in relation to the three strands and the capacitor capacity as well as the number of turns depending on the output power.
  • This type of symmetrization is preferably carried out for the nominal operating point.
  • the ends 17, 18, 19 of the strands 20, 21, 22 facing away from the star point 171 are connected to the AC voltage network in such a way that the strand 21 connected to the capacitor 10 is parallel to another strand 20. It follows from this that the network connections of the two strands 17, 18 are connected to the phase of the AC voltage network, whereas the network connection 19 of the third strand 22 is connected to the neutral conductor of the AC voltage network. Alternatively, however, this network connection can also take place in reverse.
  • FIG. 2 shows a synchronous motor according to the invention with the circuitry according to FIG. 3, the stator teeth 3 having no pole shoes 9.
  • This has the advantage that during the manufacture and assembly of the stator, the windings 4 wound on a winding support can be pushed easily and quickly over the stator teeth 3, so that the windings are wound 4 can take place outside the stator 2 and the manufacturing effort is facilitated.
  • FIGS. 4 to 10 show alternative connection variants of the stator windings to FIG. 3 according to FIGS. 1 and 2.
  • the windings of one strand are always combined, so that only one strand 20, 21, 22 in each case instead of the respective strand 20, 21 , 22 windings 11, 12; 13.14; 15, 16 is shown.
  • the two windings 11, 12; 13.14; 15, 16 can be connected in parallel or in series.
  • FIG. 4 shows an embodiment variant of the winding connection with a star point 171 based on FIG. 3, but the capacitor 10 is connected in parallel with two strands 21, 22.
  • the arrangement can be supplied either via the two connections 17, 18 of two strands 20, 21 based on the embodiment variant according to FIG.
  • connection 18 of the third strand 21 is connected to the neutral conductor of the AC voltage network via the capacitor 10. In this way, better starting behavior of the synchronous motor is achieved.
  • FIGS. 5 and 6 show embodiment variants in which two strands 20, 22 are connected directly in series, this series connection being connected at a connection point 173 to the third branch 21 and to the neutral conductor 19 of the AC voltage network.
  • FIG. 6 shows a variant in which the capacitor 10 is in series with the strand series connection 20, 22, whereas
  • FIG. 5 illustrates a variant in which the capacitor is in series with the individual strand 21.
  • FIGS. 7 to 8 show connection variants of the stator strands 20, 21, 22, in which all strands 20, 21, 22 are connected to one another at a common summation point 172 and this summation point 172 with the neutral conductor 19 of the AC network or is connected to ground.
  • the strands 20, 21, 22 would all be connected in parallel to one another without the capacitor 10 and lie between the phase connections 17, 18 and the neutral conductor connection 19 of the AC voltage network.
  • the capacitor 10 is connected in series with two of the three strands 21, 22 in FIG. 7, whereas in FIG. 8 it is only in series with one branch 22.
  • FIGS. 9 and 10 Further design variants are shown in FIGS. 9 and 10.
  • the three strands 20, 21, 22 are all in series, the capacitor being parallel to two strands 21, 22 in the embodiment according to FIG. 9 and parallel to one strand 20 in the embodiment according to FIG.
  • two strands 21, 22 are thus always connected in series.
  • these two strands 21, 22 can also be connected in parallel.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen permanent-erregten Synchronmotor zum direkten Betrieb an einem einphasigen Wechselspannungsnetz mit einem zweipoligen, zweisträngigen Stator, der mindestens sechs Statorzähne aufweist, wobei die Statorwicklung zu Erzeugung eines quasi-dreisträngigen Betriebes verschaltet sind.

Description

Zweipoliger permanent-erregter Synchronmotor mit sechs Statorzähnen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen permanent-erregten Synchronmotor zum direkten Betrieb an einem einphasigen Wechselspannungsnetz mit einem zweipoligen Stator und einem zweipoligen permanent-erregten Rotor.
Für Heizungspumpen mit geringer Abgabeleistung werden heute in der Regel Asynchronmotoren verwendet, die mit einem Betriebskondensator ausgeführt sind. Zur Erreichung hoher Drehzahlen sind diese Asynchronmotoren meist zweipolig mit einer Haupt- und einer Hilfswicklung aufgebaut und als Nassläufer ausgeführt. Aufgrund der Nassläuferausführung verfügen sie über einen relativ großen Luftspalt, der einen geringen Wirkungsgrad bedingt.
Zur Optimierung des Wirkungsgrades werden neuerdings auch zweipolige permanent-erregte Synchronmotoren eingesetzt, die zur Verwendung als Heizungspumpen ebenfalls in Nassläufertechnik ausgeführt sind. Aufgrund der Magneterregung wirkt sich der durch die Nassläufertechnik bedingte große Luftspalt weniger deutlich aus, so dass der Wirkungsgrad derartiger Heizungspumpen erhöht wird. Dies resultiert daraus, dass sich die Magnete des Rotors im magnetischen Kreis wie Luft verhalten und gegenüber dem mechanischen Spalt überwiegen. Nachteilig bei derartigen Synchronmotoren ist jedoch die Notwendigkeit einer Anlaufelektronik, die mit erheblich höheren Herstellungskosten einhergeht.
Netzbetriebene Synchronmotoren sind meist einsträngig ausgeführt, wobei der Stator zwei Statorpole, im Folgenden Statorzähne genannt, aufweist. Es sind jedoch auch zweisträngige Synchronmotoren mit vier Statorzähnen bekannt. Die Statorzähne sind in diesem Fall 90° symmetrisch angeordnet und tragen jeweils eine Statorwicklung, wobei die vier Wicklungen zu einer Hauptwicklung und einer Hilfswicklung mit Betriebskondensator zusammengeschaltet sind und sich die die Hauptwicklung und die Hilfswicklung tragenden Statorzähne jeweils gegenüberliegen. Auch diese zweisträngige Ausführung mit vier Statorzähnen ermöglicht die Verwendung eines zweipoligen Rotors. Höherpolige Rotoren sind selten, da in diesem Fall die Synchrondrehzahl entsprechend dem Faktor der Polpaarzahl reduziert wird.
Der technische Aufbau der Statoren von zweipoligen, vier-statorzahnigen Synchronmotoren ist jedoch im Vergleich zu herkömmlichen zweipoligen Synchronmotoren erheblich aufwändiger und führt zu einem unverhältnismäßig hohen Kostenaufwand bei der Herstellung und Fertigung.
Zur Vermeidung einer Anlaufelektronik sind neuerdings auch zweisträngige zweipolige Synchronmotoren mit drei Statorzähnen bekannt. Bei diesen Exoten weist der Stator eine ungewöhnliche Konstruktion auf, nämlich derart, dass die drei Statorzähne im Winkel von 120° räumlich voneinander angeordnet sind. Dies führt dazu, dass sich der magnetische Fluss eines Statorzahnes auf zwei Statorzähne aufteilt, so dass die Ausnutzung der Blechquerschnitte ungleich erfolgt. Dies wird noch deutlicher, wenn man sich einen zweipoligen permanent- erregten Rotor vorstellt, der innerhalb der Drei-Statorzahnanordnung d.h. innerhalb der Bohrung der Maschine die Magnetfeldlinien durch das Feld der Permanentmagnete beeinflusst.
Sehr nachteilig bei diesem Prinzip ist die Entstehung einer resultierenden umlaufenden Radialkraft, die die Lager stark belastet und damit den Lagerverschleiß erheblich beschleunigt und die Lebensdauer eines derartigen Elektromotors stark herabsetzt. Ferner bedingt diese Radialkraft eine hohe Geräuschentwicklung, die insbesondere bei dem Einsatz des Elektromotors in Heizungspumpen nicht tolerierbar ist. Für kleine Motoren können diese Radialkräfte ca. 5 N betragen. Vorteilhaft ist bei einer derartigen Statorkonstruktion jedoch die Tatsache, dass der Elektromotor selbstständig mit einer definierten Drehrichtung anläuft. Eine Startelektronik wird daher überflüssig.
Aufgrund der ungewöhnlichen Statorkonstruktion ist ein zweipoliger Synchronmotor mit drei Statorzähnen jedoch nur mit erheblichem Konstruktionsaufwand fertigbar und nicht ohne weiteres in bestehende Fertigungsprozesse konventioneller Synchronmotoren eines Herstellers integrierbar. Die Herstellung eines drei-statorzahnigen Synchronmotors erfordert neue Maschinen sowie neue Herstellungs-, Montage- und Bestückungsverfahren.
Für Heizungspumpen geringer Leistung werden neben Synchronmotoren auch häufig elektronisch kommutierte Elektromotoren (EC-Motoren) verwendet, die sechs Statorzähne aufweisen und meist dreisträngig ausgebildet sind. Sie könne daher nicht unmittelbar an eine Wechselspannungsnetz angeschlossen werden. EC-Motoren werden häufig in Gestalt von vierpoligen Motoren verwendet. Die drei Stränge des EC-Motors werden hierbei von einer Steuereinrichtung einzeln angesteuert bzw. bestromt. Ein erheblicher Nachteil bei EC-Motoren ist daher die Notwendigkeit eines Umrichters zum Betrieb des Elektromotors, welcher ebenfalls zu erheblich höheren Kosten führt und einen höheren Herstellungsaufwand bedingt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Synchronmotor bereitzustellen, der ohne Anlaufelektronik auskommt und mit einer definierbaren Drehrichtung anläuft, wobei die Nachteile des Standes der Technik derart überwunden werden, dass der Lagerverschleiß des Synchronmotors erheblich reduziert und seine Lebensdauer erhöht wird. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen Synchronmotor bereitzustellen, dessen Herstellungsverfahren leicht in bestehende Fertigungsverfahren und Herstellungssysteme integrierbar ist, wobei auf bestehende Konzepte konventioneller Motoren aufgesetzt wird.
Diesen Aufgaben werden durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Synchronmotor weist einen Stator auf, der demjenigen eines EC-Motors entspricht, so dass bei dem Herstellungsverfahren eines derartigen Synchronmotors auf das Herstellungsverfahren eines EC-Motors aufgesetzt werden kann. Durch die technische Ausführung eines Synchronmotors mit dem Statorblechquerschnitt eines EC-Motors ergibt sich ein in besonders vorteilhafter Weise nutzbarer Synergieeffekt derart, dass die bekannte Herstellungstechnologie von EC-Motoren zur Herstellung von selbst anlaufenden Synchronmotoren ohne Anlaufelektronik verwendet werden kann. Herstellungskostenintensive EC-Motoren mit Umrichter und technisch nachteilige Synchronmotoren nach dem Stand der Technik können auf diese Weise durch den erfindungsgemäßen Synchronmotor ersetzt werden, wodurch Fertigungs- und Herstellungskosten insbesondere bei hohen Stückzahlen der Motoren erheblich gesenkt werden können.
Der erfindungsgemäße Synchronmotor kann sechs Statorzähne aufweisen, die vorzugsweise jeweils eine Wicklung tragen. Vorteilhaft ist hierbei, dass auf bekannte und konventionelle Statorblechpakete von EC-Motoren zurückgegriffen werden kann. Alternativ kann der Stator beispielsweise auch neun Statorzähne aufweisen. Ferner können die Statorzähne auch mehr als eine Wicklung tragen, so dass beliebige Verschaltungen des Stators möglich sind. Hierbei wird eine größtmögliche Flexibilität der Statorverschaltung unter Beibehaltung der Vorteile der Erfindung gewährleistet.
Vorzugsweise können jeweils zwei der Wicklungen zu einem Strang derart zusammengeschaltet werden, dass durch die Zusammenschaltung der Wicklungen bei einem Stator mit sechs Statorzähnen drei Stränge gebildet werden, wobei mindestens einer der Stränge mit einem phasenschiebenden Element, insbesondere einem Kondensator verbunden sein kann.
Vorzugsweise können hierbei alle Stränge in einem gemeinsamen Sternpunkt miteinander verbunden sein können. Durch diese besondere Verschaltung der Statorwicklungen wird gewährleistet, dass der Synchronmotor in einer bevorzugten und definierbaren Drehrichtung anläuft, ohne dass die Verwendung einer Anlaufelektronik notwendig wird. Für die Verwendung eines derartigen Synchronmotors bei Pumpen ergibt sich aus der Bekanntheit der Drehrichtung der Rotorwelle des Synchronmotors die Möglichkeit, das Förderrad der Pumpe derart auszugestalten, dass durch eine geeignete Anordnung der Flügel des Förderrades in einer bevorzugten Drehrichtung erheblich mehr an Flüssigkeit förderbar ist als in der anderen. Die Leistung, der Wirkungsgrad und die Effizienz der Pumpe werden damit enorm erhöht.
Alternativ können auch alle Stränge in einem gemeinsamen Punkt miteinander verbunden sein, welcher mit dem Nullleiter des Wechselspannungsnetzes verbunden ist. In den Ausführungsformen mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt der Stränge kann das phasenschiebende Element beispielsweise in Reihe mit den Wicklungen eines Stranges oder parallel oder in Reihe mit zwei Strängen geschaltet sein.
Die Wicklungen eines Stranges können hierbei in Reihe geschaltet sein, wobei vorzugsweise diejenigen beiden Stränge in Reihe geschaltet sein können, die kein phasenschiebendes Element aufweisen. Alternativ können die Wicklungen eines Stranges auch parallel geschaltet sein.
Zur Erzeugung der Zweipoligkeit des Stators ist es von Vorteil, wenn sich bei einem Stator mit sechs Statorzähnen die die zwei Wicklungen eines Stranges tragenden Statorzähne diametral gegenüber liegen. Hierdurch wird eine symmetrische Feldanordnung innerhalb der Bohrung des Synchronmotors gewährleistet, wobei die axialen Kräfte auf den Rotor minimiert werden und eine hohe Lebensdauer aufgrund eines geringen Lagerverschleißes erreicht wird.
Die Statorzähne können über ihre gesamte radial Länge einen in axialer Richtung im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei die dem Rotor jeweils zugewandte Seite eines Statorzahns konkav ausgebildet ist, so dass sich umfänglich des Rotor im Bereich der Statorzähne ein gleichmäßiger Luftspalt ergibt. Alternativ können die Statorzähne auch Polschuhe aufweisen, jedoch hat die Ausführung ohne Polschuhe den Vorteil, dass auf einen Wickelkörper vorgefertigte Spulen auf den Statorzahn geschoben werden können, woraus sich fertigungstechnische Vorteile insbesondere ein vereinfachter Montageaufwand ergibt.
Ein wesentlicher Unterschied und besonderer Vorteil der Ausführung des erfindungsgemäßen Synchronmotors mit sechs Statorzähnen gegenüber derjenigen mit drei Statorzähnen ist, dass keine resultierende umlaufende Radialkraft entsteht, die die Lager belastet. Außerdem wird durch die Vermeidung einer derartigen Radialkraft das Geräuschverhalten der Maschine erheblich verbessert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind den Figuren 1 bis 3 zu entnehmen. Im Folgenden wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert:
Es zeigen:
Fig. 1 : zweipoliger Synchronmotor mit sechs Statorzähnen mit
Polschuhen Fig. 2: zweipoliger Synchronmotor mit sechs Statorzähnen ohne
Polschuhe
Fig. 3: erste Variante der Verschaltung der Wicklungen
Fig. 4: zweite Variante der Verschaltung der Wicklungen
Fig. 5: dritte Variante der Verschaltung der Wicklungen
Fig. 6: vierte Variante der Verschaltung der Wicklungen
Fig. 7: fünfte Variante der Verschaltung der Wicklungen
Fig. 8: sechste Variante der Verschaltung der Wicklungen
Fig. 9: siebte Variante der Verschaltung der Wicklungen
Fig. 10: achte Variante der Verschaltung der Wicklungen
Der direkte Betrieb eines Synchronmotors an einem Wechselspannungsnetz kann grundsätzlich nur maximal zweisträngig erfolgen, wobei die Wicklungen des erfindungsgemäßen Stators derart zusammengeschaltet sind, dass sie eine Hauptwicklung und eine Hilfswicklung bilden. In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Synchronmotors im Querschnitt dargestellt.
Der Synchronmotor 1 weist hierbei einen Stator 2 auf, der mit sechs Statorzähnen 3 ausgebildet ist, welche jeweils zum Rotor 5 gerichtete Polschule 9 aufweisen. Die Statorzähne 3 tragen jeweils eine auf einen nicht dargestellten Wickelkörper gewickelte Wicklung 4, die in diesem speziellen Ausführungsbeispiel konisch gewickelt ist. Der Rotor 5 liegt hierbei in der Bohrung 7 des Synchronmotors 1 koaxial ein und bildet zwischen den Polschuhen 9 und dem Außenmantel des Rotors 5 einen Luftspalt 6. Ein derartiger Stator 2 entspricht im Wesentlichen einem konventionellen Stator eines EC-Motors. Hierbei wird besonders deutlich, dass der erfindungsgemäße Synchronmotor auf einem bekannten Statorkonzept basiert, so dass die Fertigung eines erfindungsgemäßen Synchronmotors auf einfache Weise mit bereits vorhandenen Maschinensätzen und Montageeinrichtungen durchführbar ist.
Der wesentliche Unterschied des erfindungsgemäßen Synchronmotors gegenüber einem konventionellen EC-Motor liegt in der Verschaltung der einzelnen Wicklungen. EC-Motoren sind dreisträngige Maschinen und weisen gegenüber ein- und zweisträngigen Maschinen eine höhere magnetische Ausnutzung des Statorblechpaketes auf und erzeugen dadurch ein besseres Anlaufverhalten, nämlich insbesondere durch ein höheres Anlaufmoment und eine gleichmäßige Drehmomenterzeugung.
Bei EC-Motoren ergibt sich dieser Vorteil jedoch nur durch die Verwendung eines den Motor ansteuernden Umrichters, wobei jede der drei Phasen des EC- Motors einzeln angesteuert und bestromt wird. Der vorliegende Synchronmotor 1 ist jedoch für einen direkten Betrieb am Wechselspannungsnetz ausgelegt und weist daher einen zweisträngigen Stator 2 auf, wobei jedoch sein Betrieb als quasi-dreisträngig betrachtet werden kann. Die Zweisträngigkeit des Stators entsteht durch die erfindungsgemäße Zusammenschaltung der drei einzelnen Stränge oder Wicklungsstränge des Stators und wird im Folgenden näher erläutert. Zur Erreichung einer möglichst hohen Drehzahl ist der Synchronmotor 1 zweipolig ausgeführt, wobei er sowohl einen zweipoligen Rotor 5 als auch einen zweipoligen Stator 2 aufweist. Zur Kennzeichnung der Zweipoligkeit ist in Fig. 1 der Verlauf der Magnetfeldlinien innerhalb des Stators 2, der Statorzähne 3, des Luftspalts 6 und des Rotors 5 dargestellt. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel wird der magnetische Fluss im Wesentlichen durch die auf den sich gegenüber liegenden Statorzähnen 8a, 8b befindlichen Wicklungen erzeugt, wobei die Magnetfeldlinien von einem Statorzahn 8a durch die Bohrung 7 zum anderen Statorzahn 8b verlaufen und sich durch den Rückschlussring des Stators 2 schließen. Diejenigen Magnetfeldlinien, die durch die Statorzähne 3 geführt werden, die zwischen zwei gegenüberliegenden Statorzähnen angeordnet sind, ergibt sich hierbei aufgrund des magnetischen Feldes, das von dem permanent- erregten Rotor 5 selbst erzeugt wird, sowie aufgrund von Streufeldern.
Es sei angemerkt, dass der durch die Magnetfeldlinien visualisierte magnetische Fluss in Fig. 1 lediglich eine Momentaufnahme darstellt und bei Betrieb des Synchronmotors am Wechselspannungsnetz die Hauptflussrichtung zirkulierend im Stator umläuft. Zur Erzeugung eines derartigen Magnetfeldlinienverlaufes sind die sechs auf den sechs Statorzähnen 3 befindlichen Wicklungen 4 zu drei Strängen 20, 21 , 22 zusammengeschaltet. Eine beispielhafte Verschaltungsvariante der Wicklungen ist in Fig. 3 dargestellt.
Die Statorwicklungen 4 werden derart in Reihe geschaltet, dass jeweils zwei Wicklungen 11/12, 13/14, 15/16 einen Strang 20, 21 , 22 bilden, wobei alle drei Stränge 20, 21 , 22 in einem Sternpunkt 171 miteinander verbunden sind. Zur Erzeugung einer Phasendifferenz des Stromes innerhalb eines Stranges 20, 21, 22 gegenüber den beiden anderen ist ein phasenschiebendes Element insbesondere ein Kondensator 10 in Reihe mit einem Strang 21 geschaltet. Dies hat den Effekt, dass das von den entsprechenden Statorzahngruppen erzeugte anteilige magnetische Feld innerhalb des Stators zu unterschiedlichen Zeiten sein Maximum bzw. Minimum erreicht, als die alternierende Wechselspannung des Versorgungsnetzes. Dies wiederum hat zur Folge, dass der geometrische Winkel der beiden Statorpole auf einer Seite weniger als 180° beträgt, so dass dem Synchronmotor eine bestimmte, gezielt vorgebbare Anlaufrichtung aufgeprägt werden kann. Die Anlaufrichtung ist hierbei abhängig von der Lage desjenigen Stranges 21 , dem der Kondensator 10 zugeordnet ist. Zusätzlich erhält man durch diese Maßnahme ein erhöhtes Anlaufmoment.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 kann als quasi-dreisträngiger Synchronmotor 1 betrachtet werden, wobei jedoch der mit dem Kondensator 10 verbundene Strang 21 als eine auf zwei Statorzähne verteilte Hilfswicklung zu betrachten ist, und wobei die durch den Sternpunkt 171 erzeugte Reihenschaltung aus den anderen beiden Strängen 20, 22 als eine auf vier Statorzähne verteilte Hauptwicklung anzusehen ist, so dass der erfindungsgemäße Stator des Synchronmotors technisch als zweisträngig zu bezeichnen ist. Der dritte Strang 22 wird hierbei gemeinsam von dem Strom gespeist, der durch die anderen beiden Stränge 20 und 21 fließt.
Der quasi-dreisträngige Betrieb wird hierbei durch die geschickte Wahl der Schaltung des Kondensators gegenüber der drei Stränge und der Kondensatorkapazität sowie der Windungszahl in Abhängigkeit von der Abgabeleistung erreicht. Diese Art der Symmetrisierung erfolgt vorzugsweise für den Nennbetriebspunkt. Die dem Sternpunkt 171 abgewandten Enden 17, 18, 19 der Stränge 20, 21, 22 sind derart mit dem Wechselspannungsnetz verbunden, dass der mit dem Kondensator 10 beschaltete Strang 21 parallel zu einem anderen Strang 20 liegt. Hieraus ergibt sich, dass die Netzanschlüsse der beiden Stränge 17, 18 mit der Phase des Wechselspannungsnetzes verbunden sind, wohingegen der Netzanschluss 19 des dritten Stranges 22 mit dem Nullleiter des Wechselspannungsnetzes verbunden ist. Alternativ kann dieser Netzanschluss jedoch auch umgekehrt erfolgen.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Synchronmotor mit der Verschaltung nach Fig. 3, wobei die Statorzähne 3 keine Polschuhe 9 aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass bei der Fertigung und Montage des Stators die auf einen Wicklungsträger gewickelten Wicklungen 4 einfach und schnell über die Statorzähne 3 geschoben werden können, so dass das Wickeln der Wicklungen 4 außerhalb des Stators 2 erfolgen kann und der Fertigungsaufwand erleichtert wird.
Die Figuren 4 bis 10 zeigen alternative Verschaltungsvarianten der Statorwicklungen zu Figur 3 gemäß Figuren 1 und 2. In diesen beispielhaften Ausführungsformen sind die Wicklungen eines Stranges stets zusammengefasst, so dass jeweils nur ein Strang 20, 21 , 22 anstelle der den jeweiligen Strang 20, 21, 22 bildenden Wicklungen 11,12; 13,14; 15,16 dargestellt ist. Innerhalb eines Stranges können die den Strang 20, 21 , 22 bildenden beiden Wicklungen 11 ,12; 13,14; 15,16 parallel oder in Reihe geschaltet sein. Figur 4 zeigt eine Ausführungsvariante der Wicklungsverschaltung mit einem Sternpunkt 171 in Anlehnung an Figur 3, wobei jedoch der Kondensator 10 parallel zu zwei Strängen 21 , 22 geschaltet ist. Bei dieser Ausführungsvariante kann die Speisung der Anordnung entweder über die beiden Anschlüsse 17, 18 zweier Stränge 20, 21 in Anlehnung an die Ausführungsvariante gemäß Figur 3 erfolgen oder über nur einen Anschluss 17 eines Stranges 20, wobei in diesem Fall ein anderer Anschluss 19 eines anderen Stranges 22 mit dem Nullleiter des Wechselspannungsnetzes verbunden ist. Der Anschluss 18 des dritten Stranges 21 ist bei dieser Ausführungsvariante gemäß Figur 4 über den Kondensator 10 mit dem Nulleiter des Wechselspannungsnetzes verbunden. Hierdurch wird ein besseres Anlaufverhalten des Synchronmotors erzielt.
In den Figuren 5 und 6 sind Ausführungsvarianten dargestellt, bei denen zwei Stränge 20, 22 direkt in Reihe geschaltet sind, wobei diese Reihenschaltung in einem Verbindungspunkt 173 mit dem dritten Strang 21 und mit dem Nullleiter 19 des Wechselspannungsnetzes verbunden ist. Figur 6 zeigt eine Variante, bei der der Kondensator 10 in Reihe mit der Strangreihenschaltung 20, 22 liegt wohingegen Figur 5 eine Variante veranschaulicht, bei der der Kondensator in Reihe mit dem einzelnen Strang 21 liegt.
Die Figuren 7 bis 8 zeigen Verschaltungsvarianten der Statorstränge 20, 21 , 22, bei welchen alle Stränge 20, 21 , 22 in einem gemeinsamen Summenpunkt 172 miteinander verbunden sind und dieser Summenpunkt 172 mit dem Nullleiter 19 des Wechselspannungsnetzes bzw. mit Masse verbunden ist. In dieser Ausführung wären die Stränge 20, 21, 22 ohne den Kondensator 10 alle parallel zueinander geschaltet und liegen zwischen den Phasenanschlüssen 17, 18 und dem Nullleiteranschluss 19 des Wechselspannungsnetzes. Der Kondensator 10 ist in Figur 7 in Reihe mit zwei der drei Stränge 21 ,22 geschaltet, wohingegen er in Figur 8 nur mit einem Strang 22 in Reihe liegt.
Weitere Ausführungsvarianten sind in den Figuren 9 und 10 gezeigt. Die drei Stränge 20, 21, 22 liegen hierbei alle in Reihe, wobei in der Ausführung gemäß Figur 9 der Kondensator parallel zu zwei Strängen 21 , 22 und in der Ausführung gemäß Figur 10 parallel zu einem Strang 20 liegt. In diesem beiden Ausführungsvarianten sind somit stets zwei Stränge 21 , 22 unmittelbar in Reihe geschaltet. Alternativ können diese beiden Stränge 21 , 22 auch parallel geschaltet sein.

Claims

Ansprüche
1. Permanent-erregter Synchronmotor (1) zum direkten Betrieb an einem einphasigen Wechselspannungsnetz mit einem zweipoligen Stator (2) und einem zweipoligen permanent erregten Rotor (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) mindestens sechs jeweils mindestens eine Wicklung (4) tragende Statorzähne (3) aufweist, wobei mindestens zwei der Wicklungen (4) jeweils zu einem Strang (20, 21, 22) derart zusammengeschaltet sind, dass durch die Zusammenschaltung der Wicklungen (4) vorzugsweise drei Stränge (20, 21, 22) gebildet sind, wobei mindestens einer der Stränge (20, 21, 22) mit einem phasenschiebenden Element (10) insbesondere einem Kondensator verbunden ist.
2. Synchronmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, d a s s die Wicklungen (11, 12; 13, 14; 15, 16) eines Stranges (20, 21, 22) in Reihe geschaltet sind.
3. Synchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei einem Stator (2) mit sechs Statorzähnen (3) die die zwei Wicklungen (4) eines Stranges (20, 21, 22) tragenden Statorzähne (8a, 8b) diametral gegenüberliegen.
4. Synchronmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorzähne (3) über ihre gesamte radiale Länge einen in axialer Richtung im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei die dem Rotor (5) jeweils zugewandte Seite eines Statorzahns konkav ausgebildet ist.
5. Synchronmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen beiden Stränge (20, 22) in Reihe geschaltet sind, die kein phasenschiebendes Element (10) aufweisen.
6. Synchronmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das phasenschiebende Element (10) in Reihe mit den Wicklungen (11, 12) zumindest eines Stranges (21) geschaltet ist.
7. Synchronmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das phasenschiebende Element (10) parallel oder in Reihe zu zwei Strängen (21 , 22) geschaltet ist.
8. Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Stränge (20, 21 , 22) in einem gemeinsamen Sternpunkt (171) miteinander verbunden sind.
9. Synchronmotor nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Stränge (20, 21 , 22) in einem gemeinsamen Punkt (19) miteinander verbunden sind und dieser Punkt mit dem Nullleiter des Wechselspannungsnetz verbunden ist.
10. Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Stränge (21 , 22, 23) parallel oder in Reihe geschaltet sind.
11. Synchronmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur der Anschluss (17) eines Stranges (20) mit der Phase des Wechselspannungsnetzes verbunden ist und nur das Ende (19) eines anderen Stranges (22) mit dem Nullleiter des Wechselspannungsnetzes verbunden ist.
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