Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Induktionsmotor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein derartiger Motor mit einem ßermanentmagnetisch erregten Rotor ist ^" bereits vorgeschlagen worden (Feinwerktechnik und Meßtechnik 87 (1979), S. 163 ff). Zur Erzeugung eines Anlaufdrehmomentes zwischen Rotor und Stator ist der Luftspalt über dem Umfang des Rotors mit unterschiedlicher Breite ausgebildet, so daß sich eine definierte Ruhelage des permanentmagnetisch erregten Rotors ergibt, welche verschieden ist von der Magneti¬ sierungsrichtung des Stators. Beim Anlegen des Stator¬ feldes wird auf den Rotor eine Kraft in U fangsrichtung ausgeübt, wodurch dieser, gegebenenfalls nach einer oder mehreren Drehschwingungen, in Synchronismus zum Statorfeld kommt und mit diesem synchron rotiert. Der Anlauf des Motors ist jedoch nur dann möglich, wenn am Rotor sehr geringe Kräfte angreifen, weil anderen¬ falls das Anlaufmoment nicht ausreicht, um den Rotor auf die notwendige Winkelgeschwindigkeit zu beschleunigen, damit er in Synchronismus zum Statorfeld gelangen kann.

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Durch die kleinen Anlaufmomente derartiger Motoren ist ihre Einsatzmöglichkeit begrenzt.

Aus der DE-PS 1 199 390 ist ein Einphaseninduktionsmotor bekannt, dessen Rotor auf einer Antriebswelle um einen bestimmten Winkel frei drehbar ist, bevor er in kraft¬ schlüssige Verbindung mit der Antriebswelle gerät. Hierbei ist der Rotor zunächst axial gegen den Stator verschoben und wird durch Magnetkräfte gleichzeitig in axialer Richtung und in Umfangsrichtung beschleunigt, bevor er nach Überwindung einer axialen Federkraft in eine kraft¬ schlüssige Verbindung mit der Antriebswelle gelangt. Wegen der nur teilweisen Überdeckung von Rotor und Stator und wegen des Bremsmomentes durch die Antriebswelle sind auch die Anzugskräfte derartiger Motorb-auarten begrenzt.

Weiterhin sind ^' beispielsweise für Pumpenantriebe Spalt- ^' polmotoren verwendbar. Auch diese besitzen jedoch trotz relativ großer Bauformen nur kleine Anzugsmomente und ihr Wirkungsgrad ist verhältnismäßig schlecht.

Induktionsmotoren nach der Gattung des Hauptanspruches besitzen keine definierte Drehrichtung, wenn nicht zu¬ sätzliche Maßnahmen zur Festlegung der Drehrichtung getroffen werden. Eine mechanische Anordnung zur Fest¬ legung einer definierten Drehrichtung des Motors ist beispielsweise aus der GB-PS 1 13 782 bekannt. Andere Gestaltungsmδglichkeiten zur Erzielung einer definierten Drehrichtung des Motors bestehen beispielsweise im Ein¬ bau von Freilaufvorrichtungen mit Kugel- oder Rollen- Klemmkörpern in entsprechenden Ausnehmungen eines Frei¬ laufkörpers , wodurch nur eine Drehrichtung des Motors auf eine Antriebswelle übertragen wird. Solche Anordnun¬ gen sind beispielsweise bekannt von elektrischen An¬ lassern für Kraftfahrzeuge.

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Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Induktionsmotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß bei kleiner, einfacher und preiswerter Bauweise ein hohes Anlaufmoment erreicht wird, so daß das hohe Betriebs¬ moment des Motors durch zu geringe Anzugsmomen e aus dem Stillstand heraus nicht geschmälert wird. Durch die erfin¬ dungsgemäße Bauweise erreicht man einen gleich örmigen, asynchronen Hochlauf des Motors, welcher bei sehr ein¬ fachem Aufbau kurzschlußfest ist, keine mechanischen Geräusche verursacht - etwa durch zeitlich verzögert wirkende mechanische Kupplungen - und wegen einer Mindest- . zahl von Verschleißteilen eine hohe Lebensdauer aufweist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Motors möglich. Besonders vorteilhaft ist die Gestaltung des Rotόraußenteils als elektrisch leitfähiger Hohlzylinder , welcher vorzugsweise aus Kupfer besteht, weil dieser besonders einfach her¬ stellbar ist und eine sehr hohe Leitf higkeit besitzt.

Statt aus einem gut leitfähigen Hohlzylinders kann der Rotor jedoch auch aus einem unterbrochenen Eisenzylinder herge¬ stellt werden, wobei in die Zwischenräume Kupferstäbe eingelegt werden. Hierbei bilden die Eisenteile Flußleit¬ stücke zwischen Rotor und Stator, welche den magnetischen Widerstand verringern. Eine weitere Möglichkeit zur Ge¬ staltung des Rotors ist die Verwendung eines Kurzschlu߬ käfigs, welcher eine sehr geringe Masse und somit ein geringers Trägheitsmoment besitzt.

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Eine besonders vorteilhafte Bauweise ergibt sich, wenn das Rotoraußenteil becherförmig ausgebildet wird und im Bereich des Becherbodens, vorzugsweise mittels Flansch und Splint, mechanisch mit der Antriebswelle verbunden ist. Die An¬ triebswelle wird zweckmäßigerweise mit abgesetzten Durch¬ messern derart ausgebildet, daß das Rotorinnenteil frei drehbar auf einem dünneren Wellenabschnitt innerhalb des Rotoraußenteils gelagert ist, welches einseitig an den dickeren Wellenabschnitt angrenzt. Hierdurch ergibt sich bei geringem fertigungstechnischem Mehraufwand gegenüber einer durchgehend gleichstarken Welle ein größerer Frei¬ raum innerhalb des Rotoraußenteils, so daß darin mehr Permanentmagnetmasse untergebracht und ferner eine gerin¬ gere Reibung erzielt werden kann. Außerdem bildet der Wellenabsatz einen Anschlag zur definierten Halterung des Rotorinnenteils, so daß die Lagerung desselben ver¬ einfacht ^" wird.

Am Rotorinnenteil ist bei einer bevorzugten Bauform ein 'Lüfterrad angeordnet, welches unabhängig von der ange¬ schlossenen Last mit dem Rotorinnenteil rotiert und das Rotoraußenteil kühlt, auch bei Stillstand und niedrigen Drehzahlen des letzteren.

Eine besonders einfache und preiswerte Bauweise des Motorsergibt sich bei zweipoliger Gestaltung des Rotors und des Stators. Bei dieser Bauform können einfache Blechschnitte verwendet werden im Stator und die Magneti¬ sierung des Rotors ist leichter als bei höherer Polpaar¬ zahl desselben. Das Rotorinnenteil ist dabei zweckmäßiger¬ weise diametral magnetisier , weil diese Art der Magneti¬ sierung einfacher aufzubringen ist als beispielsweise

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eine radiale Magnetisierung. Das Rotorinnenteil kann dabei mit Vorteil sowohl aus Permanentmagnet-Teilschalen wie auch massiv ausgebildet werden.

Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Motors für einen Pumpenantrieb, beispielsweise für die Laugenpumpe einer Waschmaschine, spielt die Drehrichtung des Motors grund¬ sätzlich keine Rolle, weil die Pumpe so gestaltet werden kann, daß sie bei beiden Drehrichtungen in gleicher Weise arbeitet. Wenn nur eine Drehrichtung des erfindungsgemäßen Motors zulässig ist, wird gemäß den entsprechenden Weiter¬ bildungen der Erfindung ein Freilauf vorgesehen, welcher als Drehrichtungs-Sperrvorrichtung in bekannter Weise auf¬ gebaut sein kann. Diese wird zwischen Rotorinnenteil und Rotoraußen eil angeordnet oder zwischen einem feststehenden Motorteil wie Lagerschild oder dgl. und dem Rotoraußenteil oder dem Rotorinnenteil. Durch Verwendung einer Drehrich¬ tungs-Sperrvorrichtung kann eine angeschlossene Pumpe oder dgl. für eine definierte Drehrichtung ausgelegt werden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Anordnung mit geringem Mehraufwand gesteigert wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nach olgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Induktionsmotor, Figur 2 einen Längs¬ schnitt durch dessen Rotor und Figuren 3 bis 5 drei ver¬ schiedene Gestaltungsmöglichkeiten von Drehrichtungs- Sperrvorrichtu gen.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In Figur 1 ist mit 10 der Stator eines Induktionsmotors bezeichnet, welcher als Einphasen-Induktionsmotor ausge¬ bildet ist, wie er beispielsweise für die Laugenpü pe einer Waschmaschine verwendbar ist. Der Stator 10 besitzt zwei ausgeprägte Pole 11 und 12, welche mit einer Ein-

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phasen-Wechselstromwicklung 13 bewickelt sind. Die Wick¬ lung kann jedoch auch auf einem Schenkel des Stators oder auf gegenüberliegenden Schenkeln des Stators ange¬ ordnet sein.

Den Stator 10 trennt ein Luftspalt i h von einem Rotor 15, welcher aus einem Rotorinnenteil 16 und einem Rotoraußen¬ teil 17 zusammengesetzt ist. Das Rotorinnenteil 16 trägt in der Mitte eine Habe 18 aus Kunststoff, insbesondere aus Polytetrafluoräthylen, -als Lager für den Rotor.

Der Luftspalt 1 des erfindungsgemäße ^' Induktionsmotors teilt sich auf in einen inneren Luftspalt 19 zwischen dem Rotorinnenteil 16 und dem Rotoraußenteil 17 sowie einen äußeren Luftspalt 20 zwischen dem Rotoraußenteil 17 und dem Stator 10. Aufgrund dieser beiden Luftspalte und ge¬ trennter Lagerungen sind das Rotorinnenteil 16 und das Rotoraußenteil 17 unabhängig voneinander verdrehbar. Das Rotorinnenteil lβ besteht im gezeichneten Ausführungs¬ beispiel aus einem massiven Permannentmagnetteil, welches zweipolig diametral magnetisiert ist. Anstelle einer massiven Bauform des Rotorinnenteils 16 kann dieses auch aus zwei Permanentmagnet-Halbschalen zusammengesetzt werden, welche radial oder diametral magnetisiert sind, wie es in Figur 1 gestrichelt angedeutet ist.

Der äußere Luftspalt 20 besitzt eine über dem Rotorumfang veränderliche Luftspaltbreite, symmetrisch zur Längsachse des Motors. So ergibt sich jeweils an radial gegenüber¬ liegenden Punkten der Polschuhe ein gleicher, jeweils schmälerer oder breiterer Luftspalt, so daß der Perma¬ nentmagnetrotor eine definierte Ruhelage einnimmt. Der

Bereich großer Luftspaltbreite ist mit 21 , der Bereich kleiner Lu spaltbreite mit 22 bezeichnet. Die Magneti¬ sierungsrichtung des in Figur 1 in Ruhelage gezeigten Rotors weicht von der Feldrichtung des Stators ab, so daß sich bei Stromfluß in der Statorwicklung 13 ein Dreh¬ moment zwischen Rotor und Stator ergibt.

Aus Figur 2 ist der zweiteilige Aufbau des Rotors deutlich erkennbar, wobei das Rotorinnenteil 16 außerhalb des Rotor¬ außenteils ^' 17 vor dem Zusammen ügen der Teile gezeichnet ist. Eine Antriebswelle 27, ^' welche mit abgesetzten Durch¬ messern ausgebildet ist, durchdringt beide Rotorteile. Auf ihrem dünneren Abschnitt 28 ist das Rotorinnenteil 16 mit der Nabe 18 frei drehbar gelagert, während auf ihrem dickeren Abschnitt 29 das becherförmig ausgebil¬ dete Rotoraußenteil 17 im Bereich des Becherbodens mechanisch befestigt ist. Das Rotoraußenteil 17 besteht dabei vorzugsweise aus einem Hohlzylinder 30 aμs Kupfer-, welcher sich im Bereich des Becherbodens in einem Flansch 31 fortsetzt, der mittels eines Splintes 32 auf dem dickeren Abschnitt 29 der Antriebswelle 27 verdreh¬ sicher gehalten is.t.

Auf der dem offenen Ende des Hohlzylinders 30 zugeordneten Stirnfläche des Rotorinnerteils 16 ist ein Lüfter 33 be¬ festigt, welcher mit dem frei drehbaren Rotorinnenteil 16 umläuft und somit stets für eine ausreichende Kühlung des Rotoraußenteils 17 sorgt.

Am Boden des Rotoraußenteils und an der. zugeordneten Stirn¬ fläche des Rotorinnenteils ist strichpunktiert weiterhin noch ein als Drehrichturigs-Sperrvorrichtung wirkender Freilauf angedeutet mit schematisch gezeichneten Sperr¬ klinken 36 und 37, welche nur eine Verdrehung des Rotor-

innenteils zum Rotoraußenteil in einer Drehrichtung erlauben. Hierdurch kann der Motor nur in einer Drehrichtung anlaufen, so daß er mit dieser Zusatzmaßnahme auch für Anwendungen geeigent ist, bei denen nur eine Drehrichtung zulässig ist. Die Drehrichtungs-Sperrvorrichtung ist später anhand der Figuren 3 bis 5 noch näher erläutert.

Die erfindungsgemäße Anordnung wirkt folgendermaßen:

-lach dem Anlegen einer Wechselspannung an die Wicklung 13 entsteht ein in Figur 1 vertikales magnetisches Wechsel¬ feld, welches gegenüber dem permanentmagnetischem Feld des Rotorinnenteils 16 um einen vorgegebenen Winkel in der Ruhelage verdreht ist. Der Permanentmagnet-Rotor richtet sich nämlich in der Ruhelage so aus, daß der Fluß den Weg des geringsten magnetischen Widerstandes findet, • d.h., in der in Figur 1 gezeichneten IT-S-Stellung. H-ach dem Einschalten des Statorfeldes kann das Rotorinnenteil 16 ungehindert auf dem Abschnitt 28 der Antriebswelle 27 Drehschwingungen ^* ausführen, solange bis die Beschleuni¬ gung, ausreicht, daß es netzsynchron umläuft. Bei einer zweipoligen Bauweise von Stator und Rotor und einer _Ietz- freq_uenz von 50 Hz des Stromes in der Statorwicklung 13 sind dies 3000 U/min. Das Rotorinnenteil 16 ist nicht durch die angeschlossene Last beaufschlagt, so daß dem Anlauf des Motor insofern nichts entgegensteht. Beim Drehen des Permanentmagnet-Rotorinnenteils 16 wird nun ein Drehfeld erzeugt, welches in dem Rotoraußenteil 17 Ströme induziert und dieses in Drehung versetzt. Das Rotoraußenteil 1 läuft dann asynchron mit einem von der außen angeschlossenen Last ahhängigen Schlupf in dem vom Rotorinnenteil 16 erzeugten Drehfeld um. Die Drehzahl des Rotorinnenteils 16, beim Ausführungsbeispiels des Hohl- zylinders 30 mit der Welle 27, liegt daher stets unter der synchronen Drehzahl des Rotorinnenteils.

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Durch die erfindungsgemäße Bauart erhält man einen kleinen, leichten und preiswerten Motor mit hohem Anzugsmoment, wel¬ cher bekannte Motoren mit wesentlich größerem Bauvolumen, insbesondere Spaltpolmotoren, ersetzen kann. Das beschrie¬ bene Ausführungsbeispiel stellt nur eine mögliche Bauform des erfindungsgemäßen Motors dar, es können selbstverständ¬ lich statt der zweipoligen Bauweise auch mehrpolige Anord¬ nungen jeweils von Rotor und Stator verwendet werden. Weiterhin muß der Hohlzylinder 30 nicht einseitig offen sein, sondern kann auch beidseitig geschlossen oder beid- seitig offen, bzw. durch ein elektrisch nicht leitfähiges Teil abgeschlossen sein. Das Lüfterrad 33 kann bei geringer Belastung des Motors entfallen.

Gegenüber bekannten Asynchronmotoren wird bei der erfin¬ dungsgemäßen Motorbauart ein Großteil des Magnetisierungs¬ bedarfes nicht von der Wicklung 13, bzw. von deren Wechsel¬ spannungsversorgung gelie ert , sondern vom synchronrotie¬ renden Permanentmagnet-Rotorinnenteil 16 gedeckt. Dieses erzeugt ein umlaufendes Drehfeld ohne Zuhilfenahme von Zusatzwicklungen, ohne die beispielsweise ein Spaltpol¬ motor nicht anläuft. Der er indungsgemäße Motor hat trotz Vergrößerung des Luftspaltes 1 ^ durch das Rotor¬ außenteil 17 einen hohen Wirkungsgrad und ein geringes Leistungseinsatzgewicht, sowie ein geringes Volumen. Aufbau und Fertigung des Motors sind einfach, so daß er sich mit geringem verfahrenstechnischem Aufwand herstellen läßt. Die Zahl der Verschleißteile ist auf ein Minimum reduziert.

Die Figuren 3 bis 5 zeigen weitere konstruktive Abwand¬ lungen eines Motors mit Drehrichtungssperre, wie sie anhand von Figur 2 im Prinzip bereits erläutert worden ist. In den Figuren 3 bis 5 sind gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile wie in den Figuren 1 und 2 verwendet ,

auch wenn in konstruktiver Hinsicht unterschiedliche Ge¬ staltungen vorliegen.

Figur 3 zeigt einen Induktionsmotor, bei dem zwischen Rotor¬ innenteil 16 und Rotoraußenteil 17 eine Drehrichtungs- Sperrvorrichtung angeordnet ist. Entsprechend den in Figur 2 schematisch gezeichneten Teilen 3 ^β und 37 sind bei der An¬ ordnung gemäß Figur 3 eine Sperrklinke k l und eine Verzahnung k2 vorgesehen. Die Sperrklinke k ist schwenkbar am Rotor¬ außenteil gehalten und blockiert durch ihren Eingriff in die Verzahnung ^2 eine Drehrichtung des Rotorinnenteils 16. Die Sperrklinke kl ist am Boden des becherförmigen Rotor¬ außenteils 17, 30 schwenkbar befestigt, die Verzahnung k2 ist in einen axialen Vorsprung der Kunststoff-ΪTabe 18 eingearbeitet .

Wie aus Figur 3a ersichtlich, ist das Rotoraußenteil 17 mit der Antriebswelle 27 in zwei Kugellagern k3 in je einem Lagerschild kk drehbar gelagert.

Figur 3b zeigt einen Schnitt nach der Linie B-B in Figur 3a, wobei die Drehrichtungs-Sperrvorrichtung mit der Sperr¬ klinke k und der Verzahnung k2 noch deutlicher erkenn¬ bar sind. Mit der gezeigten Anordnung ist eine Drehung des Rotorinnenteils im Uhrzeigersinn blockiert, während bei einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn die Sperr¬ klinke 1 angehoben wird und das Rotorinnenteil 16 sich unter der Sperrklinke k l durchzudrehen vermag. Das per¬ manentmagnetische Rotorinnenteil 16 kann hierbei das relativ große Massenträghei smoment des Rotoraußenteils 17 nicht überwinden und dieses nicht beschleunigen, wes¬ halb die Drehrichtungs-Sperrvorrichtung in Form der mecha¬ nischen Sperrglieder unmittelbar zwischen Rotorinnenteil 16 und Rotoraußenteil 17 angeordnet sein kann.

Figur k zeigt eine Anordnung, bei der die Drehrichtungs- Sperrvorrichtung zwischen dem Rotoraußenteil 17 und einer ortsfesten Halterung des Motors angeordnet ist. Als orts¬ feste Halterung dient der linke von zwei_ Lagerschilden k$ , an dem eine Sperrklinke k β schwenkbar gehalten ist. Die Sperrklinke kβ wirkt zusammen mit einer Verzahnung k am Boden k8 des Rotoraußenteils 17- Dieses besitzt an seinem Boden einen Flansch 31 , an dem die Verzahnung ^ radial nach außen vorspringt (Figur ka. ) .

Figur b zeigt einen Schnitt nach der Linie B-B in Figur a, welcher direkt durch die Sperrklinke kβ und die Verzahnung kf hindurchgelegt ist. Die Drehrichtungs-Sperrvorrichtung blockiert in diesem Fall eine Drehung des Rotoraußenteils im Uhrzeigersinn, wobei das Rotorinnenteil 16 derart dimen¬ sioniert sein muß, daß es bei einem bestimmten Lastmoment außer Tritt fällt, so daß es bei festgebremstem Rotoraußen¬ teil 17 nicht anlaufen kann. Wird also die eine Drehrich¬ tung, des Rotoraußenteils 17 gesperrt, so kann das Permanent¬ magnet-Rotorinnenteil i β nur in die gewünschte andere Drehrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn anlaufen, womit nun auch die Drehrichtung des Rotoraußenteils 17 und mit, diesem die Drehrichtung der Antriebswelle 27 im gleichen Sinne festgelegt sind.

Die Figuren a und 5b zeigen eine weitere Variante der Drehrichtungs-Sperrvorrichtung, welche hier zwischen dem Rotorinnenteil 16 und einer ortsfesten Halterung in Form des rechten Lagerschildes 52 des Motors angeordnet ist. Als Sperrglied dient wiederum eine Sperrklinke 53, welche am Lagerschild 52 schwenkbar gehalten ist und mit einer Verzahnung ^ am Rotorinnenteil iβ zusammenwirkt.

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Die Verzahnung 5^ ist in eine radiale Verlängerung der Nabe 18 des Rotorinnenteils 16 eingearbeitet (Figur 5a).

Figur 5b zeigt einen Schnitt nach der Linie B-B in Figur 5a, aus dem die Gestaltung der Drehrichtungs-Sperrvorrich ^¬ tung deutlich erkennbar ist. Die Sperrklinke 53 greift derart in die Verzahnung 5^ ein, daß eine Drehung des Rotorinnenteils im Uhrzeigersinn gesperrt wird,- während die Drehrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn durch Heben der Sperrklinke 53 frei ist. Solange aber das Rotor¬ innenteil gesperrt bleibt, werden im Rotoraußenteil 17 keine Spannungen induziert, d.h., daß das Rotoraußen¬ teil 17 und die Antriebswelle 27 sich wiederum nur in der vorgegebenen Drehrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn drehen können.

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