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Dokumentenidentifikation DE102005038377A1 15.02.2007
Titel Synchronmotor
Anmelder ROTEK KG, 27580 Bremerhaven, DE
Erfinder Treusch, Klaus, 27607 Langen, DE
Vertreter Eisenführ, Speiser & Partner, 28195 Bremen
DE-Anmeldedatum 13.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005038377
Offenlegungstag 15.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.2007
IPC-Hauptklasse H02K 21/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02K 1/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Stator für einen Synchronmotor sowie Synchronmotor, bei dem mindestens ein im Wesentlichen wicklungsfreies Polpaar vorgesehen ist. Ein solcher verbesserter Motor ist beispielsweise als einphasiger, sechspoliger Motor herstellbar, bei dem zwei Pole mittels einer Hauptphase und zwei weitere Pole mittels einer Hilfsphase erregt werden und ein drittes Polpaar nur das Magnetfeld aufweist, das sich aus den übrigen Magnetfeldern des Motors ergibt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Stator für einen Synchronmotor sowie einen Synchronmotor mit einem Stator und einem Rotor.

Synchronmotoren sind allgemein bekannt. Sie weisen im Allgemeinen einen Stator und einen darin drehbar gelagerten Rotor auf, wobei auch sogenannte Außenpolmaschinen bekannt sind, bei denen Stator und Rotor vertauscht sind. Bei einem Synchronmotor weist der Rotor ein konstantes Magnetfeld auf, das über einen Gleichstrom, der über Schleifringe zugeführt wird, oder über Konstantmagnete gebildet wird. Der Stator erzeugt ein umlaufendes Drehfeld, mit dem der Rotor synchron läuft. Das Drehfeld kann über Drehstromwicklungen, die auf einem das Magnetfeld leitenden Blechpaket ausgebildet sind, erzeugt werden. Insbesondere bei Synchronmotoren kleinerer Leistung und Bauart werden auch einphasige Synchronmotoren verwendet, bei denen das umlaufende Feld über eine Hauptphase und eine Hilfsphase gebildet wird. Die Hilfsphase wird dabei beispielsweise mittels eines Kondensators gegenüber der Hauptphase phasenverschoben, um dadurch das umlaufende Feld bilden zu können.

Beispielsweise weist ein allgemein bekannter, einphasiger Synchronmotor einen Rotor mit vier Polen auf, die durch Konstantmagnete gebildet werden. Der Stator weist acht Pole auf, von denen vier Pole durch eine Hauptphase und vier weitere Pole, die sich mit den Polen der Hauptphase abwechseln, durch eine Hilfsphase erregt werden. Solche Synchronmotoren weisen im Stillstand gute Selbsthalteeigenschaften auf und sind auch ähnlich eines Schrittmotors einsetzbar. Im Zusammenhang mit den guten Selbsthalteeigenschaften können jedoch auch Nachteile durch eine verminderte Laufruhe auftreten.

Es ist wünschenswert, eine Leistungserhöhung bei gleichen Randbedienungen, insbesondere bei gleicher Baugröße und gleicher Isolierstoffklasse, zu erreichen. Eine Erhöhung der Leistung ist zwar grundsätzlich durch beispielsweise Erhöhung der Polpaarzahl des Stators möglich, jedoch ist hierfür zur Unterbringung der nötigen Wicklung die Baugröße nicht beibehaltbar. Darüber hinaus bedingen Erhöhungen der Polpaarzahl regelmäßig eine Erhöhung der Produktionskosten. Dahingegen ist gerade bei kleineren Synchronmotoren, die als einphasige Synchronmotoren ausgebildet sind, eine kostengünstige Herstellung von entscheidender Bedeutung.

Bekannte Veränderungen sind somit zur Erzielung einer Leistungserhöhung bei gleichen Randbedingungen wenig aussichtsreich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen verbesserten Synchronmotor zu schaffen, der möglichst eine Leistungserhöhung gegenüber ansonsten gleichwertigen bekannten einphasigen Synchronmotoren erreicht und/oder möglichst eine gute Laufruhe hat.

Erfindungsgemäß wird hierfür vorgeschlagen, dass der Stator mindestens ein im Wesentlichen wicklungsfreies Polpaar aufweist. Somit wird ein umlaufendes Feld durch zumindest ein übriges Polpaar erreicht. Ein wicklungsfreies Polpaar kann beispielsweise als Zahnpaar eines Blechpaketes ausgebildet sein, das somit trotz fehlender eigener direkter Erregung andere Teile der Magnetfelder des Motors führt. Solche Magnetfelder können sowohl durch erregte Statorpole als auch durch Rotorpole hervorgerufen sein. Somit kann auch ein solches wicklungsfreies Polpaar das Verhalten des Motors beeinflussen.

Unter im Wesentlichen „wicklungsfrei" ist zu verstehen, dass keine Erregerwicklung vorgesehen ist. Kleinere Wicklungen, die insbesondere nicht zum Erzeugen einer Erregung vorgesehen sind, sondern vielmehr eventuelle Randeffekte beeinflussen, stellen somit keine als wesentlich anzusehende Wicklung dar. Ebenfalls sind auch die Wicklungen benachbarter Polpaare, die somit unmittelbar neben einem im Wesentlichen wicklungsfreien Pol zu liegen kommen, diesen jedoch nicht umrunden, nicht als Wicklung dieses wicklungsfreien Polpaares zu verstehen. Dies gilt auch dann, wenn die Wicklung eines benachbarten Poles in den Raum des wicklungsfreien Poles ausgedehnt werden kann, indem bei herkömmlichen Statoren eine Wicklung für diesen wicklungsfreien Pol vorgesehen wäre.

Bevorzugt wird ein einphasiger Stator verwendet. Insbesondere bei einphasigen Statoren und somit einphasigen Synchronmotoren ist im Gegensatz zu Drehstrom-Synchronmotoren die Verbesserung eines Stators von Bedeutung, da bei Drehstrom-Synchronmotoren leichter ein symmetrisches Drehfeld erzeugt werden kann und darüber hinaus Anwendungen für Drehstrom-Synchronmotoren in der Regel in Bezug auf das Motorvolumen geringere Anforderungen stellen.

Günstig ist es, wenn ein Stator mindestens eine Hauptphase und mindestens eine Hilfsphase aufweist. Somit ist zumindest ein Polpaar mit einer Hauptphase und mindestens ein weiteres Polpaar mit einer Hilfsphase erregbar. Es kann somit ein Drehfeld erzeugt werden, in das sich das mindestens eine im Wesentlichen wicklungsfreie Polpaar einfügt.

In vorteilhafter Weise wird eine kapazitive Hilfsphase, eine induktive Hilfsphase oder eine elektronische Kommutierung verwendet. Hierdurch kann eine Phasenverschiebung zwischen der Haupt- und der Hilfsphase auf einfache Weise erreicht werden. Die Ausgestaltung als kapazitive Hilfsphase oder induktive Hilfsphase, bei der eine Phasenverschiebung im Wesentlichen mittels einer Kapazität bzw. Induktivität vorgenommen wird, ist auf einfache, kostengünstige und insbesondere wartungsarme Weise umsetzbar. Mitunter kann eine Beeinflussung des cosϕ beeinflusst werden. Bei der elektronischen Kommutierung ist es zudem möglich, eine Phasenverschiebung zwischen der Haupt- und der Hilfsphase im Betrieb zu verändern.

Günstigerweise erfolgt eine Phasenverschiebung zwischen der Hilfs- und Hauptphase um etwa 120°. Diese kann durch einen Phasenschieberkondensator und zusätzlich die Verwendung eines gegenläufigen Wicklungssinns der betreffenden Wicklungen erreicht werden. Eine solche Verschiebung um 120° im Betrieb des Synchronmotors ist grundsätzlich erstrebenswert, jedoch vom Betriebszustand des Synchronmotors abhängig und somit um einige Grad, mitunter um über 10°, veränderlich. Somit wird bei der Parametrierung der Beschaltung etwa so vorgegangen, dass im angestrebten Arbeitspunkt eine Verschiebung zwischen Hilfs- und Hauptphase um etwa 120° erfolgt. Insoweit liegt eine Verschiebung um 120° zwischen je einem Pol der Haupt- und Hilfsphase vor, so dass für einen weiteren Pol, insbesondere einen wicklungsfreien Pol eine weitere Verschiebung um 120°, also 240° gegenüber dem Pol der Hauptphase freigehalten ist. Mangels detaillierter Messungen und/oder Simulationen kann zur Zeit nur vermutet werden, dass sich eine Überlagerung der vorhandenen Magnetfelder in dem wicklungsfreien Pol zu beispielsweise 240° einstellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Polpaarzahl des Stators ein ganzzahliges Vielfaches von „3". Dabei ist es günstig, wenn jeder dritte Pol wicklungsfrei ist. Hierdurch ist eine Anordnung möglich, bei der beispielsweise in einer umlaufenden Richtung des Stators ein Pol über eine Hauptphase erregt wird, der nächste Pol über eine Hilfsphase und dann der dritte Pol wicklungsfrei ist. Hierdurch ergeben sich im Grunde drei Polarten bzw. Polpaararten, die in ihrer Funktionsweise und Beschaltung – soweit vorhanden – aufeinander abgestimmt sein sollten. In einem Fall wäre also die Polpaarzahl genau „3", so dass ein Polpaar mit Hauptphase, ein Polpaar mit Hilfsphase und ein Polpaar ohne Wicklung resultiert. Ebenfalls können sechs, neun oder noch mehr Polpaare vorgesehen sein, wobei sich bei höherer Polpaarzahl auch der Fertigungsaufwand erhöht.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stator ein Blechpaket mit einem Zahn pro Pol oder einer Gruppe von Zähnen pro Pol auf. Die Statorzähne können grundsätzlich eine beliebige Form aufweisen und sind insbesondere nicht auf eine rechteckige Form beschränkt. Durch das Blechpaket wird ein Führen des Magnetfeldes erreicht, wobei das Blechpaket mit seinen Zähnen möglichst nah an den Rotor heranragt, um den Luftspalt möglichst klein zu halten. Der Zahn bzw. die Gruppe von Zähnen führt dabei das Magnetfeld des jeweiligen Pols. Hierzu ist zum Erzeugen des Magnetfeldes auf einem Zahn bzw. einer Zahngruppe eine Erregerwicklung, insbesondere eine Haupt- oder Hilfsphase, vorgesehen. Dabei bleibt zumindest ein Zahn bzw. eine Zahngruppe wicklungsfrei, wobei bevorzugt immer einer von drei benachbarten Zähnen bzw. Zahngruppen im Wesentlichen wicklungsfrei ist. Hierdurch kann in einem Pol ein Magnetfeld erregt werden, das sich durch das Blechpaket zum anderen Pol des Polpaares erstreckt. Auf gleiche Weise wird in einem durch eine Hilfsphase erregten Pol das Magnetfeld durch das Blechpaket zum anderen Pol des Polpaares geleitet. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass sich beide Magnetfelder auch zumindest zum Teil über das zumindest eine wicklungsfreie Polpaar erstreckt. Somit wird auch in den wicklungsfreien Polen von einem Magnetfeld ausgegangen, das zumindest teilweise aus einer Überlagerung der anderen durch Haupt- und Hilfsphasen erregten Felder erzeugt wird. Hierdurch könnte sich möglicherweise ein Beitrag der wicklungsfreien Pole begründen lassen.

Die Verwendung einer Gruppe von Zähnen pro Pol anstelle eines einzelnen Zahns pro Pol kann vorteilhaft sein, um das magnetische Feld zielgerichteter Leiten zu können und/oder einen günstigen Übergang der Rotorpole beim Rotieren von einem Statorpol zum nächsten zu gewährleisten.

In einer besonderen Ausgestaltung sind die Statorzähne bzw. Zahngruppen asymmetrisch zueinander angeordnet. Dies ist besonders dafür von Vorteil, die Wicklungen möglichst optimal in dem Stator anzuordnen. Bei herkömmlichen Statoren ist in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Zähnen unterschiedlicher Pole etwa gleichviel Wicklungsvolumen untergebracht. Da erfindungsgemäß jedoch einige Pole keine Wicklungen aufweisen, ergibt sich eine ungleichmäßige Wicklungsverteilung im Stator, auf die der Stator angepasst werden kann, indem die Statorzähne bzw. Zahngruppen asymmetrisch zueinander angeordnet sind. Hierbei ist insbesondere eine Asymmetrie in Bezug auf die Rotorachse vorgesehen. Beispielsweise ist zwischen zwei Statorzähnen, die beide Wicklungen tragen, mehr Platz vorzusehen, als zwischen zwei Statorzähnen, von denen einer keine Wicklung trägt.

Bevorzugt wird ein erfindungsgemäßer Stator für einen Synchronmotor mit einem Rotor verwendet. Der Rotor und der Stator werden dabei aufeinander angepasst, wobei es günstig ist, wenn die Polpaarzahl des Stators und die des Rotors unterschiedlich sind. Eine solche Ausgestaltung kann sich günstig auf die Laufruhe des Motors auswirken. Hierbei kann als vorteilhafte Ausführungsform angesehen werden, dass die Polpaarzahl des Stators „3" und die des Rotors „2" ist. Für diesen Fall ergibt sich eine besonders einfache Ausgestaltung, die auch fertigungstechnisch nur geringen Aufwand erfordert, da nur an dem Stator zwei Hilfs- und zwei Hauptphasenwicklungen vorgesehen werden müssen. Dennoch sind weitere Kombinationen der Polpaarzahlen verwendbar, wie beispielsweise bei drei Polpaaren des Stators, vier Polpaare des Rotors vorzusehen sind.

Der Rotor kann mit oder ohne Eisenkern ausgeführt sein.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Synchronmotor dadurch gekennzeichnet, dass ein permanent erregter Rotor vorgesehen ist, wobei die Rotorpole im Wesentlichen aus Hartferrit, seltenen Erden, kunststoffgebundenen seltenen Erden oder einem sonstigen permanentmagnetischen Material bestehen. Gerade im Bereich von kleineren Synchronmotoren, die als einphasige Synchronmotoren ausgestaltet sind, ist eine Erregung des Rotors über einen Gleichstrom zu aufwändig, so dass ein permanenterregter Rotor verwendet wird. Darüber hinaus ist gerade bei kleineren Motoren, jedoch nicht nur hier, die Verwendung eines permanenterregten Rotors ausreichend. Die permanente Erregung kann durch Hartferrit oder auch seltenen Erden Magneten erfolgen. Gerade die Verwendung von seltenen Erden kann zum Erreichen eines Rotorpols mit hoher magnetischer Feldstärke angezeigt sein. Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität ist mitunter die Verwendung kunststoffgebundener seltenen Erden vorteilhaft. Eine Beschränkung auf die genannten Materialien besteht jedoch nicht, vielmehr sind grundsätzlich jegliche permanentmagnetische Materialen allein oder in Ergänzung für die Konstruktion des Rotors einsetzbar.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand einer Figur beschrieben. Die

1 zeigt ein Prinzipbild zur Spulenanordnung eines erfindungsgemäßen Synchronmotors, der hierfür in einem Schnitt quer zur Rotorachse schematisch dargestellt ist.

Der Synchronmotor 2 der 1 weist einen Stator 4 und einen Rotor 6 auf. Der Stator 4 umfasst ein Blechpaket 8 mit sechs Statorzähnen 21-26. Die Polpaarzahl des Stators beträgt somit „3". Der Stator ist einphasig ausgebildet, wobei eine Hauptphase 12 und eine Hilfsphase 14 vorgesehen sind. Die Leitungsführung für die Haupt- und Hilfsphase 12, 14, insbesondere die Wicklungen selbst, sind in der Figur nur schematisch dargestellt. Auch bei einem erfindungsgemäßen Stator werden regelmäßig eine Vielzahl von Windungen pro Pol verwendet.

Die Hauptphase 12 ist zwischen der Phase P und dem Nullleiter N angeschlossen und erregt über die Wicklungen 31 und 34 auf den Statorzähnen 21 bzw. 24 ein Magnetfeld im Wesentlichen in diesen Statorzähnen wodurch sich die Pole ausbilden. Dabei bildet sich ein magnetisches Feld von dem Statorzahn 21 aus über den Rotor 6 zum Statorzahn 24, das sich über den Körper des Blechpaketes 8 schließt.

Die Hilfsphase 14 wird über Verschaltung mittels eines Kondensators 16 zur Hauptphase 12 gebildet. Über die Dimensionierung des Kondensators 16 lässt sich die Phasenverschiebung gegenüber der Hauptphase beeinflussen. Der Erregerstrom der Hilfsphase 14 erregt über die Wicklungen 32 und 35 auf den Statorzähnen 22 und 25 ein Magnetfeld in diesen Polen. Die Wicklung 32 der Hilfsphase weist gegenüber der Wicklung 31 der Hauptphase einen gegenläufigen Wicklungssinn auf. Hierdurch ergibt sich grundsätzlich eine Phasenverschiebung der beiden in den Statorzähnen 21 und 22 erregten Magnetfelder um 180°. Durch eine Phasenverschiebung des Stromes der Hilfsphase 14 gegenüber der Hauptphase 12 um 60°, was durch den Kondensator 16 erreicht werden kann, ist eine Verschiebung der genannten Magnetfelder um 120° gegeneinander erreichbar. Es ist zu beachten, dass die Verschiebung auch durch den Betrieb des Motors beeinflusst wird. Ebenfalls ergibt sich entsprechend eine Phasenverschiebung der erregten Magnetfelder zwischen den Polen der Statorzähne 25 und 24 durch die Wicklungen 35 und 34.

Die Statorzähne 23 und 26 weisen keine Wicklung auf. Das Magnetfeld, das sich in diesen Statorzähnen 23 und 26 ausbildet, hängt somit nur von den Magnetfeldern ab, die durch die Haupt- und Hilfsphase erregt werden sowie durch Einflüsse, die durch den Rotor bedingt sind. Obwohl bisher keine konkreten Magnetfeldmessungen der wicklungsfreien Pole, die vorliegend durch die Statorzähne 23 und 26 gebildet werden, durchgeführt wurden, so ist doch davon auszugehen, dass sich auch in diesen wicklungsfreien Polen ein Magnetfeld ausbildet. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass beispielsweise aus einer Überlagerung zweier um 120° zueinander verschobener sinusförmiger Verläufe gleicher Amplitude etwa ein um weitere 120° verschobener Verlauf resultiert. Insoweit ist auch für die wicklungsfreien Pole in den Statorzähnen 23 und 26 mit einem für das Betreiben des Synchronmotors 2 günstigen Magnetfeld oder zumindest einer günstigen Beeinflussung des Magnetfeldes zu rechnen.

Der Rotor 6 des Synchronmotors 2 weist zwei Nordpole N und zwei Südpole S auf, so dass die Polpaarzahl des Rotors „2" beträgt. Durch die unterschiedliche Polpaarzahl zwischen Stator und Rotor ergibt sich der Effekt, dass jeweils ein Nordpol N benachbart zu einem Statorzahn 21; 24 liegt, während jeweils ein Südpol S zwischen zwei Statorzähnen 22, 23; 25, 26 zuliegen kommen. Beim Weiterdrehen des Rotors 8 bewegen sich die Südpole S jeweils auf einen Statorzahn zu, während sich die Nordpole N in eine Position jeweils zwischen zwei Statorzähnen bewegen. Hierdurch kann eine Begünstigung der Laufruhe resultieren.

Die vorliegende Erfindung schafft somit einen Stator für einen Synchronmotor, bei dem mindestens ein Polpaar wicklungsfrei ist. Hierdurch kann auch ein einphasiger Motor unter Verwendung einer Haupt- und einer Hilfsphase einen sechspoligen Stator aufweisen.


Anspruch[de]
Stator (4) für einen Synchronmotor (2) mit einer Mehrzahl von Polpaaren, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Polpaar im Wesentlichen wicklungsfrei ausgebildet ist. Stator (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einphasig ausgebildet ist. Stator (4) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens eine Hauptphase (12) und mindestens eine Hilfsphase (14). Stator (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine kapazitive Hilfsphase (14), eine induktive Hilfsphase oder eine elektronische Kommutierung vorgesehen ist. Stator (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hilfsphase (14) gegenüber einer Hauptphase (12) um etwa 120° verschoben ist. Stator (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polpaarzahl ein ganzzahliges Vielfaches von 3 ist. Stator (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder dritte Pol wicklungsfrei ist. Stator (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch ein Blechpaket (8) mit einem Zahn (21-26) pro Pol oder einer Gruppe von Zähnen pro Pol. Stator (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass immer einer von drei benachbarten Zähnen (21-26) bzw. Zahngruppen im Wesentlichen wicklungsfrei ist. Stator (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorzähne (21-26) bzw. Zahngruppen asymmetrisch zu einander angeordnet sind. Synchronmotor (2) mit:

– einem Stator (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche und

– mit einem Rotor (6).
Synchronmotor (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Polpaarzahl des Stators (4) und des Rotors (6) unterschiedlich sind. Synchronmotor (2) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Polpaarzahl des Stators (4) „3" und die des Rotors (6) „2" ist. Synchronmotor (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein permanenterregter Rotor (6) vorgesehen ist, wobei die Rotorpole (N, S) im Wesentlichen aus Hartferrit, seltenen Erden, kunststoffgebundenen seltenen Erden oder einem sonstigen permanentmagnetischen Material bestehen.






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