A PROCESS FOR DIMENSIONING A DRIVE INCLUDING A SELF-STARTING SINGLE-PHASE SYNCHRONOUS MOTOR

Abstract: 1. A method of dimensioning a drive including a self-starting single-phase synchronous motor without auxiliary coil, which motor comprises a diametrically magnetized permanent-magnetic rotor and a stator provided with exciter coils and having a copper volume which is maximal for this motor and is dictated by its dimensions, which motor has a corresponding theoretical inherent maximum power (Pab, n ) in the case of viscous load, which power is attainable if the motor is not overheated, observing thermal regulations, when the winding area is utilized completely and the winding data are varied, the dynamic maximum power or stalling power in the case of a non-viscous or partly viscous load being lower than the inherent maximum power of the motor, characterized in that in order to increase the dynamic maximum output power in the case of a non-viscous or partly viscous load the available copper volume is occupied only partly by turns of copper wire and the exciter coil is so designed that the power dissipation in the exciter coil just assumes the permissible value at which the permissible coil temperature is not exceeded (Fig. 1, point 3), the increased maximum power being smaller than the inherent maximum power but being selected so as to be adequate for the specified driving requirements.

Description: Selbstanlaufender Einphasensynchronmotorll Die Erfindung bezieht sich auf einen seibstanlaufenden Einphasensynchronmotor ohne llilfswicklung mit einem dauermagnetischen, diametral magnetisierten Läufer und mit einem Ständer, der mit Erregerwicklungen versehen ist und einen maximalen Kupferwickeiraum aufweist, mit einer zugehörigen therotischen, natürlichen Grenzleistung. Unter thermisch zulässiger Belastung ist diejenige maximale Motorbelastung zu verstehen, die den geltenden Temperaturvorschriften entspricht. Diese Temperaturvorschriften werden von den vom Staat beauftragten Uber- wachungsstellen für jedes Gerät vorgegeben, entsprechend seiner Betriebsweise. Der Motor des bestimmten Gerätetyps darf sich entsprechend dieser Temperaturvorschrift im Dauer-, Intervall-, Kurzzeit- u.a. Betrieb nicht über einen bestimmten Wert hinaus erwärmen. Derartige seibstanlaufende Synchronmotoren sind beispielsweise aus der DE-AS 25 24 519 bekannt. In diese Motoren, die im allgemeinen selbstkühlend ohne Zuhilfenahme eines Lüfters durch Luftbewegung und Strahlung gekühlt werden, darf bei einer bestimmten Stator Rotor-Spulengeometrie nur eine bestimmte Verlustleistung gesteckt werden, um eine vorgegebene Temperaturerhöhung nicht zu überschreiten. Durch die maximal zulässige Verlustleistung wird auch die abgebbare Leistung begrenzt. Die Temperaturprüfvorschriften beziehen sich im allgemeinen auf einen bestimmten Belastungsfall, bei vielen Anwendungen auf den Leerlaufbetrieb bei Uberspan nung. Bei der Auslegung eines Motors auf eine bestimmte erforderliche Eippleistung ist die Kenntnis und Berücksichtigung der jeweils geltenden Vorschriften über die Erwärmungsverhältnisse eine entscheidende Voraus- setzung für die Bestimmung der maximal zulässigen Verlustleistung und die Optimierung des Motors. Geht man von einer vorgegebenen Stator-Rotor-Konfiguration und einer bestimmten Spulenanordnung aus, die angebbar ist durch einen bestimmten magnetischen Rotorfluss pro Windung # (1)magn, einen bestimmten magnetischen Leitwert der SpulenAund eine maximale Spulenwickelfläche Fcu,max# so wird die theoretisch dem Motor bei einer bestimmten vorgegebenen Verlustleistung entnehmbar abgegebene Leistung Pk umso grösser, Je mehr die zur Verfügung stehende Wickelfläche ausgenutzt wird. In Fig. 1 ist die Abhängigkeit der Kippleistung Pk des Motors bei gegebenem Leitwert und festgehaltener Verlustleistung Pv von der ausgenutzten Wickelfläche Fcu an einem Beispiel dargestellt. Die ausgenutzte Wickelfläche FCU hängt wie folgt von der Windungszahl der Spule w, dem Drahtdurchmesser d und dem Kupferfüllfaktor fou ab: EMI2.1 Sie kann höchstens die maximal zur Verfügung stehende Wickelfläche Fcu,max bei vollgewickelten Spulen erreichen. Fcu < Fcu,max Aus der Fig. 1 entnimmt der liotorbauer die Anweisung, dafür Sorge zu tragen, dass die Wickelfläche voll ausgenutzt wird und die Spulen daher voll aufzuwickeln. Die in diesem Feld erreichbare Kippleistung wird im folgenden als natürliche Grenzleistung p des Motors bezeichnet. Es ist die maximale Leistung, die bei Variation der Spulenwicklung unter Beachtung der thermischen Vorschriften theoretisch aus dem Motor herauszuholen ist, ohne dass dieser zu heiss würde. Eine weitere Schlussfolgerung aus Fig. 1 besteht darin, eine grosse Leistung dadurch zu erzielen, dass man die Wickelfläche möglichst gross macht. Treibt ein derartig konzipierter Motor z. B. eine Flüs sigkeitspumpe in einem viskosen Medium an, dann ist die für die vorliegende Verlustleistung geltende natürliche Grenzleistung (Punkt 1, Fig. 1) auch in der Praxis erreichbar. Arbeitet der Motor aber auf kein viskoses Medium oder nur mit einem geringen Lastanteil auf ein viskoses Medium, so fällt der Motor schon bei einem viel kleineren Lastmoment als dem der natürlichen Grenzleistung entsprechenden theoretischen Grenzmoment ausser Tritt und kippt ab. Die hier noch erreichbare Grenzleistung wird im folgenden als "dynamische Grenzlei stung bezeichnet Pab dynPab,dyn (Punkt 2, Fig. 1). Dies ist für den Fachmann; sehr enttäuschend, weil er erkennen muss, dass der Motor viel weniger Leistung abgibt als er nach der Berechnung erwartet hätte. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Einphasensynchron motor der eingangs erwähnten Art so zu dimensionieren und zu betreiben, dass er auch bei nicht oder nur teilweise viskoser Belastung möglichst nahe an die natür liche Grenzleistung, die grösser ist als die dynamische Grenzleistung, herankommt, und derart stabilisiert ist, dass er nicht ausser Tritt fällt oder abkippt, wobei der Motor zwar thermisch voll ausgelastet, thermisch aber# nicht überlastet sein darf. Die gestellte Aufgabe ist je nach den übrigen Randbedingungen auf verschiedene Weise lösbar. Eine der Lösungsmöglichkeiten ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrösserung der abgebbaren Leistung bei nicht oder nur teilweise viskoser Last der zur Verfügung stehende Kupferwickelraum durch Bewickeln mit Kupferdraht nur teilweise ausgenutzt ist und die Erregerwicklungen so ausgelegt sind, dass die Verlustleistung in der Spule gerade den zulässigen Wert annimmt, bei dem die zulässige Wicklungstemperatur nicht überschritten wird. Das nur teilweise Vollwickeln des zur Verfügung stehenden Wickelraumes kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Drahtdurchmesser verringert wird. Dabei ist aber darauf zu achten, dass die Verlustleistung nicht zu gross wird. Trotz verkleinerter Wickelfläche wird die abgebbare Leistung des Motors überraschender- weise aber grösser und liegt dann in Fig. 1 höher als die dynamische Grenzleistung (Punkt 3). Voraussetzung für diese Lösung ist, dass die verbleibende Kippleistung für eine vorliegende Antriebsaufgabe ausreicht und sich der Konstrukteur mit der Leistungsabsenkung zufrieden gibt. Der frei werdende Wickelraum kann bei einer Neukonstruktion evtl. eingespart werden. Es gibt jedoch Anwendungsfälle, beispielsweise bei kleinen Haushaltsgeräten, bei denen eine derart unvollständige Ausnutzung des Wickelraumes eine zu geringe Nutzleistung nach sich zieht. Der Konstrukteur wird dann erkennen, dass mit den bekannten Lösungsschemen der gewünschte Motor und auch das gewünschte Gerät nicht realisierbar ist. Bei der Konstruktion miniaturisierter Geräte und Motoren ist besonderer Wert darauf gelegt, dass die an der Motorwelle abnehmbare Leistung so gross wie möglich ist, weil der zur Verfügung stehende Raum aufgrund der Miniaturisierung der zur Verfügung stellbaren Leistung ohnehin Grenzen setzt. Unter diesen Bedingungen lässt sich die Aufgabenstellung der Erfindung derart konkretisieren, dass der Einphasensynchronmotor der eingangs erwähnten Art so zu dimensionieren ist, dass unter Berücksichtigung der notwendigen Betriebsstabilisierung bei einer bestimmten Verlustleistung, die sich in einer Wärmeentwicklung äussert, die abgegebene Leistung in der gestellten Antriebsaufgabe bei stabilen Betriebsbedingungen maximal wird. Diese konkretisierte Aufgabenstellung lässt sich erfindungsgemäss dadurch lösen, dass zur Vergrösserung der abgebbaren Leistung über den nach der ersten Lösung erreichbaren Wert hinaus bei nicht oder nur teilweise viskoser Last der zur Verfügung stehende Wickelraum durch Bewickeln mit Kupferdraht voll ausgenutzt ist und zur den Wickelraum füllenden Erregerwicklung ausserhalb des Motors ein ständig eingeschaltet bleibender ohmscher Widerstand in Reihe geschaltet ist. Ein derart optimierter Einphasensynchronmotor hat eine deutlich erhöhte dynamische Grenzleistung, die in Fig. 1 und 2 durch den Punkt 4 wiedergegeben ist. Fig. 2 zeigt ein Diagramm, bei dem die abgegebene Leistung 9 über dem Vorwiderstand N aufgetragen ist. Dieses Diagramm erfüllt immer die Bedingung FCU Fcu,max nach Fig. 1. Die Grösse von N wird zweckmässigerweise in Abhängigkeit von der viskosen Belastung und der Verlustleistung entsprechend dem in Fig. 2 gegebenen Zusammenhang optimiert (Kurve a). Der ohmsche Widerstand hat den weiteren Vorteil, dass er Verlustleistung aufnimmt und sich erwärmt. Die im Motor anfallende Verlustleistung wird dadurch verkleinert, und der Motor selbst wird weniger heiss. Nach einer weiteren Ausgestaltung der zweiten angegebenen Lösung der Erfindung ist vorgesehen, dass die durch volles Bewickeln des Wickelraumes gebildeten Erregerwicklungen so ausgelegt sind, dass die Verlustleistung in den Wicklungen so ausgelegt ist, dass die Verlustleistung in den Wicklungen gerade den zulässigen Wert erreicht, bei dem die zulässige Wicklungstemperatur nicht überschritten wird. Bei einer derartigen weiteren Ausgestaltung der Erfin- dung kann die abgebbare Leistung weiter erhöht werden auf einen aus Fig. 1 und 2-ersichtlichen Punkt 5. Der Leistungsgewinn ist damit beträchtlich (Fig. 2, Kurve b). Es ergibt sich mithin die überraschende Tatsache, dass durch das Vorschalten eines ständig eingeschaltet bleibenden ohmschen Widerstandes die im Einsatzfall praktisch an der Welle abgegebene Nutzleistung des Motors beim Einsatz des ohmschen Widerstandes nicht, wie erwartet, kleiner, sondern im Gegenteil grösser wird. Die an der Welle abgebbare Nutzleistung nähert sich dabei trotz eines Betriebes mit nicht oder nicht voll viskoser Belastung dem Betriebsverhalten eines Motors an, der auf eine viskose Belastung arbeitet. In Fig. 3 ist eine schematische Betriebsschaltung für den Einphasensynchronmotor mit Vorwiderstand dargestellt. In Reihe mit dem Einphasensynchronmotor M ist ein Vorwiderstand Rv geschaltet. Der Vorwiderstand N hat einen Festwert und ist ständig eingeschaltet. Da der Vorwiderstand Rv Verlustleistung aufnimmt, erwärmt er sich auch. Deshalb ist es von Vorteil, wenn dieser Vorwiderstand räumlich getrennt von dem Motor angeordnet ist und vorzugsweise bewusst belüftet ist. Eine entsprechend der engeren Aufgabe der Erfindung angestrebte Optimierung der i4otorauslegung lässt sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfindungsgemäss auch dadurch erreichen, dass zur Vergrösserung der abgebbaren Leistung über den in der ersten Lösungsmöglichkeit erreichbaren Wert hinaus bei nicht oder nur teilweise viskoser Last der zur Verfügung stehende Wickelraum durch Bewickeln mit Kupferdraht voll ausgenutzt ist, dass zur den Wickelraum füllenden Erregerwicklung ausserhalb des Motors ein ständig eingeschaltet bleibender Kondensator Cv in Reihe geschaltet ist und dass die Wicklungen im Wickelraum so ausgelegt sind, dass die Verlustleistung in den Wicklungen gerade den zulässigen Wert erreicht, bei dem die zulässige lick- lungstemperatur nicht überschritten wird. Die Vorschaltung eines Kondensators zur Erhöhung der dynamischen Grenzleistung bei nicht oder nur teilweise viskoser Last hat den Vorteil, dass an dem Kondensator im Idealfall keine Verlustleistung anfällt und der Ge samtwirkungsgrad damit grösser ist als beim Einsetzen eines ohmschen Vorwiderstandes. Durch das Einsetzen eines dauernd vorgeschalteten Kondensators lässt sich in Fig. 1 und 2 auch etwa der Punkt 5 erreichen. In Fig. 4 ist ein Prinzipschaltbild der Kondensatorvorschaltung dargestellt. In Reihe mit dem Einphasensynchronmotor N liegt dabei der Kondensator 6,, Es ist auch möglich, zur Erhöhung der dynamischen Grenzleistung eine Kombination aus ohmschem Widerstand Rv und Kondensator Cv einsetzen. Fig. 5 zeigt, wie in Reihe mit dem Motor 14 ein ohmscher Vorwiderstand 4 und ein Kondensator Cv in Reihe geschaltet sind. Es ist an sich bekannt, einem Einphasensynchronmotor einen ohmschen Vorwiderstand oder einen Kondensator vorzuschalten. Diese vorgeschalteten Bauelemente haben aber bei den bekannten Motoren bzw. Motorschaltungen die Aufgabe, die Anlaufeigenschaften des Motors zu verbessern und den Leerlaufbetrieb zu stabilisieren. Es handelt sich um reine Anlaufimpedanzen, die nach Erreichen der synchronen Drehzahl wieder überbrückt, d. h. ausgeschaltet werden, da sie im Betriebszustand die Kippleistung herabsetzen. Nur wenn die Leistungsverminderung nicht kritisch und bedeutungslos ist, kann auch auf die Uberbrtickung verzichtet werden, wobei aber bewusst auch ein Leistungsverlust von der definierten natürlichen Grenzleistung in Kauf genommen wird. Bei einer weiteren Ausführung (DE-AS 14 38 569) ist zwar ein Betriebskondensator C vorgesehen, der dauernd eingeschaltet bleibt. Dieser Betriebskondensator dient jedoch zur Optimierung der natürlichen Grenzleistung Pa uns so dass die induzierte Spannung E und die ange- legte Spannung U sowie die Spulengüte XJL/R optimal aneinander angepasst sind. Aus der DE-AS ist aber nicht bekannt, dass die natürliche Grenzleistung bei nicht oder nur teilweise viskoser Belastung nicht erreicht werden kann. Hierzu ist ein weiterer Kondensator erforderlich, der in den Fig. 4 und 5 mit Cv bezeichnet ist. Im Gegensatz dazu wird bei dem Einphasensynchronmotor nach der Erfindung durch das Dauervorschalten von Bauelementen eine Leistungserhöhung erzielt. Das Vorschalten eines Vorwiderstandes oder eines Kondensators nach der Erfindung bezieht sich auf Motoren und Anwendungen, bei denen die dynamische Grenzleistung kleiner ist als die natürliche Grenzleistung. Hierdurch lässt sich bei diesen Motor-Lastkombinationen erreichen, dass der Motor bei voll gewickelten Erregerwicklungen und maximal zulässiger Piotortemperatur die grösstmögliche Leistung abgibt, die grösser ist als die dynamische Grenzleistlang und fast an die natürliche Grenzleistung heranreicht.

Claims: Patentanspriiche: 1. Selbstanlaufender Einphasensynchronmotor ohne Hilfswicklung mit einem dauermagnetischen, diametral magnetisierten Läufer und mit einem Ständer, der mit Er regerficklungen versehen ist und einen maximalen Kupf er- wickelraum aufweist, mit einer zugehörigen theoretischen, natürlichen Grenzleistung (Pa#(Pab,n), dadurch gekennzeich- net, dass zur Vergrösserung der abgebbaren dynamischen Grenzleistung bei nicht oder nur teilweise viskoser Last der zur Verfügung stehende Kupferwickeiraum durch Bewickeln mit Kupferdraht nur teilweise ausgenutzt ist und die Erregerwicklungen so ausgelegt sind, dass die Verlustleistung in der Spule gerade den zulässigen Wert annimmt, bei dem die zulässige Wicklungstemperatur nicht überschritten wird (Fig. 1, Punkt 3). 2. Selbstanlaufender Einphasensynchronmotor ohne Hilf s- wicklung mit einem dauermagnetischen, diametral magnetisierten Läufer und mit einem Ständer, der mit Erregerwicklungen versehen ist und einen maximalen Kupf er- wickelraum aufweist, mit einer zugehörigen natürlichen Grenzleistung(Pab,n), dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrösserung der abgebbaren dynamischen Grenzleistung über den nach Anspruch 1 erreichbaren Wert hinaus bei nicht oder nur teilweise viskoser Last der zur Verfügung stehende Wickelraum durch Bewickeln mit Kupferdraht voll ausgenutzt ist und zur den Wickelraum füllenden Erregerwicklung ausserhalb des Motors ein ständig eingeschaltet bleibender ohmscher Widerstand (R#) in Reihe geschaltet ist (Fig. 1 und 2; Punkt 4). 3. Selbstanlaufender Einphasensynchronmotor nach den Ansprüchen 1 und/oder 2 ohne Hilfswicklung mit einem dauermagnetischen, diametral magnetisierten Läufer und mit einem Ständer, der mit Erregerwicklungen versehen ist und einen maximalen Kupferwickeiraum aufweist, mit einer zugehörigen theoretischen, natürlichen Grenzleistung (Pab,n), dadurch gekennzeichnet, dass die durch volles Bewickeln des Wickelraumes geuiideten Erreger- wicklungen so ausgelegt sind, dass die Verlustleistung in den Wicklungen so ausgelegt ist, dass die Verlustleistung in den Wicklungen gerade den zulässigen Wert erreicht, bei dem die zulässige Wicklungstemperatur nicht überschritten wird (Fig. 1 und 2; Punkt 5). 4. Selbstanlaufender Einphasensynchronmotor nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand ( ) thermisch vom Motor getrennt angeordnet ist. 5. Selbstanlaufender Einphasensynchronmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand (#) belüftet ist. 6. Selbstanlaufender Einphasensynchronmotor ohne Hilfs- wicklung mit einem dauermagnetischen, diametral magnetisierten Läufer und mit einem Ständer, der mit Erregerwicklungen versehen ist und einen Kupferwickelraum aufweist, mit einer zugehörigen theoretischen, natürlichen Grenzleistung (Pab,n), dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrösserung der abgebbaren dynamischen Grenzleistung über den in Anspruch 1, 2 oder 3 erreichbaren Wert hinaus bei nicht oder nur teilweise viskoser Last zur den Wickelraum füllenden Erregerwicklung ausserhalb des Motors ein ständig eingeschaltet bleibender Kondensator (Cv) in Reihe geschaltet ist. 7. Selbstanlaufender Einphasensynchronmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Verfügung stehende Wickelraum durch Bewickeln mit Kupferdraht voll ausgenutzt ist und dass die Wicklungen im Wickel- raum so ausgelegt sind, dass die Verlustleistung in den Wicklungen gerade den zulässigen Wert erreicht, bei dem die zulässige Wicklungstemperatur nicht überschritten wird (Fig. 1 und 2; Punkt 5). 8. Seib stanlaufender Einphasensynchronmotor nach den Ansprüchen 2, 3, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihenschaltung aus ohmschem Widerstand und Kon- densator in Reihe mit den Erregeraricklungen geschaltet ist

Inventors: BERTRAM, LEO, DIEFENBACH, GERHARD, SCHEMMANN, HUGO, DR.
Applicants: N.V. PHILIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN, PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH
Application year: 1982
Main classification: H02K21
IPC codes: H02K21