CH619329A5

CH619329A5 -

Info

Publication number: CH619329A5
Application number: CH876377A
Authority: CH
Inventors: Kurt Dipl Ing Guettinger
Original assignee: Sodeco Compteurs De Geneve
Priority date: 1977-07-15
Filing date: 1977-07-15
Publication date: 1980-09-15
Also published as: IT1096931B; FR2401542A1; IT7825452A0; GB2002181B; US4296341A; DE2827675A1; GB2002181A; FR2401542B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen selbstanlaufenden Einphasen-Synchronmotor, insbesondere Kleinmotor, mit einer im Innern eines glockenförmigen, permanent-magnetisierten Rotors liegenden Spule, deren Kern beidseitig mit Statorteilen verbunden ist, von welchen, der eine zwischen Spule und Rotor, der andere ausserhalb des Rotors liegt.

Ein derartiger Motor ist bekannt, z. B. aus der DT-OS 254 897. Dieser Motor weist zwar den Vorteil auf, dass die Windungslänge in der innen liegenden Wicklung gering und daher der Bedarf an Kupfer und die Kupferverluste entsprechend gering sind, aber im übrigen sind weder Wirkungsgrad noch spezifische Leistung besonders hoch, weil nur innerhalb des Rotors ausgeprägte Pole vorgesehen sind.

Es zeigt sich auch, dass dieser bekannte Motor, bei welchem der Rotor fest auf der Welle sitzt, keine günstigen Anlaufeigenschaften besitzt.

Es ist das Ziel vorliegender Erfindung, einen selbstanlaufenden Einphasen-Synchronmotor zu schaffen, der hohen Wirkungsgrad und hohe spezifische Leistung sowie gute Anlaufeigenschaften unter allen denkbaren Lastverhältnissen aufweist.

Der erfindungsgemässe Motor ist dadurch gekennzeichnet, dass beide Statorteile ausgeprägte Pole besitzen, der Rotor mit definierter Reibung drehbar auf der Welle gelagert ist, zwischen Rotor und Welle ein federndes Kupplungselement angeordnet ist und dass Sperrmittel zur Bestimmung des Anlaufdrehsinns auf dem Kraftübertragungsweg vor dem federnden Kupplungselement auf den Rotor wirken.

Damit, dass beide Statorteile ausgeprägte Pole aufweisen, ist eine optimale Nutzung des Flusses bzw. des permanentmagnetischen Rotors möglich. Der Steuerfluss fällt sehr gering aus, was für den Wirkungsgrad des Motors mitentscheidend ist. Es gelingt, sogar mit billigem Material sowohl für den Stator als auch für den Rotor sehr hohe Wirkungsgrade zu erreichen, die z. B. bis zu 50% bei einem Motor für eine Leistungsaufnahme von 1,4 W betragen können. Bekannte Asynchronmotoren in dieser Leistungsklasse erreichen Wirkungsgrade bis höchstens etwa 15%. Bei Anwendung optimaler, aber auch entsprechend teurerer Materialien können entsprechend höhere Wirkungsgrade, spezifische Leistungen und Drehmomente erreicht werden.

Die Tatsache, dass der Rotor drehbar auf der Welle sitzt und durch ein federndes Kupplungselement, vorzugsweise eine Spiralfeder, mit demselben verbunden ist und dass die Sperrmittel zur Bestimmung des Anlaufsinns direkt auf den Rotor also auf dem Kraftübertragungsweg vor dem federnden Kupplungselement wirken, ist für die Anlaufseigenschaften, abgesehen von dem sich aus der optimalen Nutzung des Flusses und der Permanentmagnete ergebenden hohen Anlaufdrehmoment, entscheidend für die sehr günstigen Anlaufeigenschaften des Motors. Einmal ist es möglich, dass der Motor unter Belastung durch ein hohes Bremsmoment und/oder ein hohes Trägheitsmoment der angetriebenen Vorrichtung sicher und in der gewünschten Drehrichtung startet. Die federnde Kupplung zwischen dem Rotor und der Motorwelle gestattet dem Rotor unabhängig von der Last anzulaufenden und sehr rasch auf praktisch synchrone Drehzahl beschleunigt zu werden. Das Kupplungselement wird dabei gespannt und beginnt die Last zu beschleunigen. Wird das Kippmoment des Rotors erreicht, bevor die Last ganz beschleunigt ist, bleibt der Rotor kurz stehen oder läuft in der Gegenrichtung an, was jedoch durch die Sperrmittel unverzüglich verhindert wird. Der Rotor erhält dann wieder den vollen Antriebsimpuls in der gewünschten Laufrichtung. In dieser Weise kann der Rotor dank seiner elastischen Ankoppelung an die Motorwelle bzw. die Last unter Umständen hin- und herpendeln, wobei sich durch seine elastische Reflexion durch die Klinke oder Klinken seine Bewegungsenergie aufschaukeln kann, bis er im gewünschten Drehsinn weiterläuft In dieser Weise ist es möglich, jede Last schliesslich in der gewünschten Drehrichtung zu beschleunigen, solange nur das Drehmoment der Last geringer ist als das Laufdrehmoment des Rotors. Selbst im Falle von im Stillstand auf den Motor wirkenden Stellmomenten im gewünschten oder unerwünschten Drehsinn läuft der Motor zuverlässig an.

Dazu ist allerdings wesentlich dafür zu sorgen, dass der Motor immer in Raststellungen stehen bleibt, in welchen er beim Anschalten an das Netz ein Anlaufdrehmoment erfährt, das grösser als das Reibmoment zwischen Rotor und Welle ist Es hat sich gezeigt, dass diese Bedingungen erfüllt werden können, wenn die Statorpole eine Breite von 100 bis 180 elektrischen Graden aufweisen.

Zur Erzielung stabiler Verhältnisse ist es weiter vorteilhaft, die Resonanzfrequenz des aus dem Rotor und dem federnden

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Kupplungselement bestehenden Systems und auch die Resonanzfrequenz des freien Systems, bestehend aus der Welle, dem Rotor und dem federnden Kupplungselement geringer zu halten als die Netzfrequenz bzw. die Betriebsfrequenz. Hierzu kann es erforderlich sein, auf der Welle eine besondere Trägheitsmasse, z. B. eine Schwungscheibe, anzuordnen.

Das Anbringen der Sperrmittel, z. B. von Sperrklinken, am Rotor bringt den besonderen Vorteil, der selbständige Bedeutung hat, dass die Sperrmittel bei laufendem Motor unter der Wirkung der Zentrifugalkraft ausgerückt bleiben, also weder Reibung noch Geräusche verursachen können und bei starker Beschleunigung, d. h. beim Anlauf, durch Beschleunigungskräfte eingerückt werden können.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Motors zeigt.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht des Motors.

Fig. 2 zeigt einen Axialschnitt durch den Motor und

Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt in grösserem Massstab.

Der dargestellte Motor weist Statorteile 1 und 2 aus Weicheisenblech auf, welche mit entgegengesetzten Enden eines Statorkerns 3 aus Weicheisen durch Presssitz oder Vernietung verbunden sind. Auf dem Kern 3 sitzt die Spule 4, deren Körper einen gezahnten Flansch 5 aufweist. Die Zähne dieses Flansches greifen in die Lücken zwischen Statorpolen 6 des Statorteils 1 und sichern die Spule gegen Verdrehung. Es wäre auch möglich, die Zähne des Flansches 5 in Lücken zwischen Polen beider Statorteile 1 und 2 ragen zu lassen und damit die gegenseitige Lage dieser Pole beim Zusammenbau zu bestimmen. Je zwei Pole der beiden Statorteile decken sich, d. h. sie nehmen am Umfang des Motors die gleiche Winkellage ein. Die Statorteile sind je öpolig, und die Pole weisen eine Breite von 100 bis 180 elektrischen Graden auf.

Zwischen die beiden Statorteile greift der permanentmagnetische, ringförmige Teil 7 des Rotors, der mit sechs axialen Bohrungen versehen ist, in welche je ein Haltestift 8 eingreift. Die Haltestifte 8 sind an eimem Teller 9 befestigt, der drehbar auf der Motorwelle 10 gelagert ist. Der Rotor ist damit drehbar auf der Welle angeordnet. Die Stifte 8 sitzen in einem Flansch 11 des Tellers 9 derart, dass zwischen diesem Flansch 11 und dem magnetisierten Ring 7 des Rotors eine Lücke verbleibt, in welcher Sperrklinken 12 aufgesetzt sind. Üblicherweise werden 3 Sperrklinken angebracht, um einerseits eine ausgewuchtete Konstruktion, anderseits erhöhte Sicherheit, dass jedenfalls eine der Klinken jeweils eingreift, zu erreichen. Zwischen den eigentlichen Befestigungsstiften 8, auf welchen auch die Klinken 12 sitzen (Fig. 3) sind am Flansch 11 auch Anschlagnocken 13 für die Klinken angeordnet.

Der Ring des Rotors ist radial magnetisiert, derart, dass an seinem Umfang zwölf Radialmagnete entstehen, die abwechslungsweise entgegengesetzte Polarität aufweisen.

Die Welle 10 ist in einer Bohrung des Kern 3 mittels Lagern 14 gelagert. Sie trägt eine als Trägheitsmasse wirkende Schwungscheibe 15, deren Nabe eine Schulter 16 bildet. Zwischen dieser Schulter 16 und einer Innenschulter 17 des Tellers 9 ist eine Spiralfeder 18 angeordnet, die mit ihrer eigenen Federkraft gegen diese Schultern anliegt und durch Reibung mit der Schwungscheibe 15 und dem Rotorteller 9 gekuppelt ist. Die Feder bildet somit ein federndes Element, das den Rotor 7,9 mit der Welle 10 kuppelt und zugleich eine Reibungskupplung, die bei der Überschreitung eines gewissen zwischen Welle und Rotor wirkenden Drehmomentes rutscht.

Auf den Statorteil 1 ist ein tiefgezogenes Gehäuse 19 aufgesetzt, das mit Lücken zur Aufnahme der Zähne des Flansches 5 versehen ist. Die Anschlussleiter 20 sind im Flansch 5 eingebettet durch eine dieser Lücken des Gehäuses durchgeführt. Wie insbesondere Fig. 3 zeigt, ist am Gehäuse 19 eine mit den Sperr619329

klinken 12 zusammenwirkende Sperrverzahnung geprägt. Die Vertiefungen 21 dieser Verzahnung weisen beidseitig Anschlagflanken 22 auf, die zum Zusammenwirken mit einer Sperrnase 23 einer Sperrklinke 12 bestimmt sind. Fig. 3 zeigt die Lage der Sperrklinke 12 für eine stabile Raststellung des Rotors, welche durch den Radius 24 gekennzeichnet ist. Die Vertiefungen 21 liegen symmetrisch zu Radien 25, die um je 30° bzw. n. 30° gegenüber dem Radius 24 versetzt sind. Das äusser-ste Ende der Sperrnase 23 der Klinke 12 ist dabei in Umfangs-richtung etwas gegenüber der ihr benachbarten Anschlagflanke 22 versetzt, derart, dass die Klinke sofort in Eingriff mit dieser Anschlagschulter gelangt, wenn der Rotor in der nicht erwünschten Drehrichtung, nämlich im Gegenuhrzeigersinne anlaufen will. Da die Sperrverzahnung am Statorgehäuse symmetrisch bezüglich der Stifte 8 bei den jeweiligen stabilen Ruhelagern des Rotors liegt, können die Klinken 12 nach Belieben in der einen oder anderen Lage aufgesetzt werden, um damit die erwünschte Drehrichtung zu bestimmen.

Wie erwähnt, sind die stabilen Ruhestellungen des Rotors durch die Wahl der Polbreite zwischen 100 und 180 elektrischen Graden und die radiale Magnetisierung des Rotorringes 7 sehr eindeutig bestimmt, und zwar so, dass sich die permanentmagnetischen Pole des Rotors symmetrisch zwischen den Statorpolen befinden. Es ist praktisch völlig ausgeschlossen, dass der Rotor in einer unstabilen Lage stehen bleibt, für welche sich die Rotorpole unter den Statorpolen befinden. Der Rotor bleibt somit stets in einer Lage stehen, in welcher auf den Rotor beim Einschalten der Statorpule ein genügendes Anlaufdrehmoment wirkt. Dieses Moment wirkt jedoch in beliebiger, nicht voraus bestimmbarer Richtung. Läuft der Rotor in der nicht gewünschten Drehrichtung an, so greift mindestens eine der Klinken 12 sogleich in die Sperrverzahnung ein. Der Schwerpunkt 26 der Klinken 12 liegt, wie Fig. 3 zeigt, ausserhalb des Lagerstiftes 8 und gegenüber der Sperrnase 23. Wenn nun der Motor schlagartig aus der Ruhelage im Gegenuhrzeigersinn in Fig. 3 beschleunigt wird, wirkt auf die Klinke 12 infolge der Lage ihres Schwerpunktes ein Drehmoment im Uhrzeigersinn und rückt die Sperrnase in die ihr gegenüberliegende Lücke 21 der Sperrverzahnung ein, so dass beim Anschlag der Sperrnase 23 gegen die Anschlagflanke 22 der Rotor in die gewünschte Drehrichtung umgesteuert wird und in derselben anläuft. Wie oben bereits beschrieben, erlaubt die Feder 18 zwischen Rotor und Welle ein sofortiges Anlaufen des Rotors mit synchroner Drehzahl. Auch wenn die Welle und die damit verbundene Last nicht sofort mitbeschleunigt werden können, kann der Motor synchron anlaufen. Wenn dann allerdings die durch den Reibungswiderstand und das Trägheitsmoment der Last gegebene Belastung das Kippmoment des Rotors übersteigt, bleibt derselbe stehen und läuft bei der nächsten Halbwelle des Wechselstromes in der unerwünschten Richtung an, wird aber durch die Klinken 12 sogleich gesperrt und umgesteuert. Ist das Lastmoment immer noch zu gross, kann der Rotor in dieser Weise mehrmals hin- und herkippen, wobei sich infolge der elastischen Reflexion des Rotors beim Eingreifen der Sperrklinken Energie aufbaut, bis der Rotor wieder synchron weiterzulaufen vermag. Diese Vorgänge können sich wiederholen, bis die Last auf die synchrone Drehzahl beschleunigt ist. Es ist daher möglich, Lasten mit erheblichem Trägheitsmoment zu beschleunigen, wenn nur der Motor in der Lage ist, das Reibungsmoment zu überwinden.

Ist der Rotor auf synchrone Drehzahl beschleunigt und läuft nur noch mit der geringen Welligkeit, die durch das pulsierende, auf den Rotor wirkende Antriebsdrehmoment bedingt ist, wirkt auf die Klinken 12 praktisch nur noch die Fliehkraft, d. h. auf die Klinken wirkt infolge der Lage ihres Schwerpunktes ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn, womit die Klin- * ken in der ausgerückten Lage gemäss Fig. 3 gehalten werden. Die Sperrvorrichtung erzeugt also während des normalen Lau3

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fes keinerlei Reibung und Geräusch.

Um in allen Fällen stabile Verhältnisse zu erzielen, sind gewisse Bedingungen zu erfüllen, auf die ebenfalls bereits hingewiesen worden ist. Es kann erforderlich sein, auf der Welle eine Schwungmasse anzubringen, wobei die Massen und die Federkonstante der Feder 18 so zu wählen sind, dass der Rotor mit der Feder bei blockierter Welle und auch das freie, aus

Rotor, Feder und Welle bestehende System eine Eigenfrequenz unterhalb der Netzfrequenz bzw. Betriebsfrequenz des Motors aufweist Zur Erzielung stabiler Verhältnisse ist auch die dämpfend wirkende Reibung zwischen Rotor und Welle wesentlich.

5 Das Reibmoment zwischen Rotor und Welle soll aber natürlich geringer sein als das maximale vom Stator auf den Rotor wirkende Drehmoment, da sonst die Feder 18 sinnlos wird.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

619329 PATENTANSPRÜCHE

1. Selbstanlaufender Einphasen-Synchronmotor mit einer im Innern eines glockenförmigen, permanent-magnetisierten Rotors liegenden Spule, deren Kern beidseitig mit Statorteilen verbunden ist, von welchen der eine zwischen Spule und Rotor, der andere ausserhalb des Rotors liegt, dadurch gekennzeichnet, dass beide Statorteile ausgeprägte Pole besitzen, der Rotor mit definierter Reibung drehbar auf der Welle gelagert ist, zwischen Rotor und Welle ein federndes Kupplungselement angeordnet ist und dass Sperrmittel zur Bestimmung des Anlaufdrehsinns auf dem Kraftübertragungsweg vor dem federnden Kupplungselement auf den Rotor wirken.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der ausgeprägten Statorpole 100 bis 180 elektrische Grade beträgt.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des aus dem Rotor und dem federnden Kupplungselement bestehenden Systems bei blockierter Welle geringer ist als die Netzfrequenz.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des freien Systems, bestehend aus der Welle, dem Rotor und dem federnden Kupplungselement, auch geringer ist als die Netzfrequenz.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrmittel zur Bestimmung des Anlaufdrehsinns am Rotor frei schwenkbar angebrachte Sperrklinken sind, deren Schwerpunkt ausserhalb und bezüglich des nicht erwünschten Anlaufdrehsinns hinter der Schwenkachse liegt, derart, dass die Klinken bei schlagartiger Beschleunigung im nicht erwünschten Drehsinn eingerückt und bei kontinuierlicher Drehung ausgerückt werden.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klinken zur Wahl des Anlaufdrehsinns in zwei entgegengesetzten Lagen einsetzbar sind.

7. Motor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagstellungen der Klinken in der Nähe von Stellungen des Rotors liegen, bei welchen auf denselben ein maximales Anlaufdrehmoment wirkt.

8. Motor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Klinkenanschläge am Motorgehäuse durch spanlose Verformung gebildet sind.

9. Motor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass so viele Sperrstellungen wie stabile Raststellungen des Rotors bzw. wie Stellungen mit maximalem Anlaufdrehmoment vorgesehen sind.

10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Motorwelle eine Trägheitsmasse, z. B. eine Schwungscheibe, sitzt.