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Asynchronmotor mit elektrisch gut leitenden, im Streufeld der Sekundärströme liegenden Metallschichten.
Man pflegt asynchrone Induktionsmotoren mit einem möglichst geringen Sekundärwiderstanb zu bauen, da durch dessen Grösse sowohl die Energieverluste im Läufer wie auch die Schlüpfung des Motors mit zunehmender Belastung bedingt sind, die man beide möglichst gering zu erhalten strebt.
Derartige Motoren verlieren jedoch bekanntlich ihr Drehmoment, sowie die Schlüpfung über ein gewisses Mass steigt. Insbesondere besitzen sie nur ein sehr geringes Anfahrmoment im Stillstande und ein noch geringeres Bremsmoment beim Umsteuern und Lauf gegen das Drehfeld.
Um den Motoren auch bei erheblichen Abweichungen der Drehzahl vom Synchronismus ein starkes Drehmoment zu verschaffen, muss man bekanntlich soviel Widerstand in den Sekundärkreis einschalten, dass der Überschuss der dem Motor zugeführten Energie über die mechanisch von der Welle abgeführte Energie, d. i. die sogenannte Schlupfenergie-in ihm vernichtet wird. Man bewirkt dies im allgemeinen dadurch, dass man entsprechend dem Schaltschema der Fig. 1 den Läuferstromkreis 2 über Schleifringe auf Anfahr-oder Steuerwiderstände r schliesst, die man entsprechend der gewünschten Drehzahl, bei der das maximale Drehmoment auftreten soll, regulieren kann.
Soll der Motor beispielsweise vom Stillstand bis auf volle Geschwindigkeit beschleunigt werden, so muss man diesen Widerstand von einem gewissen Werte aus, bei dem er die gesamte sonst im Motor umgesetzte Energie vernichtet, allmählich bis auf Null herabregulieren.
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schematischen Darstellung in Fig. 2 den Sekundärkreis 2 des Asynchronmotors auf einen Tertiärkreis 3 induzieren lässt, in den der Steuerwiderstand r eingeschaltet ist. Da im Stillstand des Motors im Sekundärkreis die volle Netzfrequenz herrscht, so wirkt der Widerstand r fast ebenso, als ob er in den Sekundärkreis durch Leitung und nicht durch Induktion eingeschaltet wäre. Man kann ihn also mit Leichtigkeit so dimensionieren, dass er das volle Anfahrmoment erzeugt.
Nahe am Synchronismus, also bei vollem Lauf des Motors, ist jedoch die Frequenz der Sekundärströme im Kreise 2 so gering, dass die elektrische Kupplung mit dem Tertiärkreise fast vollkommen verschwindet. Die transformatorische Wirkung des Tertiärkreises 3 ist besonders deshalb ausserordentlich gering, weil sein Ohmscher Widerstand im Verhältnis zu den bei der kleinen Schlupffrequenz geringen induktiven Widerständen sehr erheblich ist. Der Motor arbeitet daher in der Nähe des Synchronismus nur mit einem wirksamen Rotorwiderstand, der fast gleich dem Leitungswiderstand des Sekundärkreises selbst ist.
Mit dieser transformatorischen Kupplung der Regulierwiderstände des Asynchronmotors mit den Rotorkreisen kann man also ohne Regelung von aussen erreichen, dass sich der wirksame Widerstand im Sekundärkreis des Motors von dem hohen Werte beim Anfahren bis auf den Betrag des inneren Widerstandes beim Synchronismus vollkommen selbsttätig verringert. Diese Anordnung zeigt jedoch einen sehr schwerwiegenden Nachteil, der sie in dieser Form nur in seltenen Fällen brauchbar erscheinen lässt.
Durch die Einschaltung eines Transformators, besonders mit Eisenschluss, zwischen die Sekundärwicklungen des Motors und den Tertiärwiderstand wird nämlich die Reaktanz des Sekundärkreises ausserordentlich stark erhöht. Solange eine erhebliche Sekundärfrequenz vorhanden ist und daher der sekundäre
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und tertiäre Kreis ziemlich fest gekoppelt sind, ist diese Erhöhung allerdings nicht sehr fühlbar, so dass der Motor wohl mit dem starken Momente anläuft.
Gerade in der Nähe des Synchronismus jedoch, wo die Sekundärfrequenz sehr gering ist, wirkt der Tertiärkreis fast gar nicht mehr auf den Sekundärkreis zurück, so dass da1 vom Sekundärkreis erzeugte Feld im Transformator t sich voll ausbilden kann und dadurch die Induktanz gewaltig erhöht und die scheinbare Streuung des ganzen Asynchronmotors sehr stark vergrössert. Da nun bekanntlich das maximale Drehmoment von Asynchronmotoren bei grosser Streuung des Motors nur sehr gering ist, so erkennt man, dass ein Motor in der Schaltung der Fig. 2 zwar sehr gut anläuft, dass er jedoch in seinem eigentlichen Arbeitsbereich nur noch geringe Durchzugkraft entwickeln kann.
Dieser Nachteil soll nun der Erfindung gemäss beseitigt werden, indem zur induktiven Kopplung des sekundären und tertiären Stromkreises kein äusserer eisengeschlossener Transformator benutzt werden soll, sondern indem im Streufeld der Sekundärströme gut leitende, von den Rotorleitern und ihren Stirnverbindungen elektrisch unabhängige Metallschichten angeordnet werden, in denen die Schlupfenergie mittels der in ihnen vom sekundären Streufeld induzierten Tertiärströme vernichtet wird. Die Metallschichten bilden also die Leiter für die Tertiärströme.
Derartige Metallschichten im Streufeld der Stirnverbindungen von Ankern elektrischer Maschinen sind an sich bekannt.
Bei den bekannten Anordnungen dienen die Metallschichten dazu, die Induktanz oder den induk- liven Widerstand der Ankerwindungen zu vermindern. Die in den Metallschichten entstehenden Tertiärströme wirken nämlich auf die Ankerwindungen zurück und verkleinern dadurch deren Induktivität.
Man spricht hier von einer scheinbaren Induktivität, deren Grösse sich nach der dafür von Maxwell angegebenen Formel im vorliegenden Fall wie folgt berechnen lässt :
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Hierin bedeutet l2 den Selbstinduktionskoeffizienten der Ankerwicklung, l3 den des Tertiärkreises, 1'3 dessen Ohmschen Widerstand, m den Koeffizienten der gegenseitigen Induktion und s die Schlüpfung.
Die Induktanz selbst wird durch Multiplikation von L2 mit der Winkelgeschwindigkeit ru erhalten.
Eine Verringerung der Induktanz kommt jedoch für die Aufgabe der vorliegenden Erfindung nicht in Frage. Die Metallschichten im Streufeld müssen nach anderer Richtung hin bemessen werden, nämlich so, dass in ihnen eine möglichst grosse Schlupfenergie erzeugt wird. Dass eine Bemessung der Metallschichten im sekundären Streufeld verschieden ausfallen wird, je nach dem einen oder andern Zweck, den man mit diesen Metallschichten verfolgt, geht aus den Kurven der Fig. 3 hervor. Dort ist in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit bzw. vom Leitwert der Metallschichten im sekundären Streufeld einmal die Induktanz aufgetragen, anderseits die in den Metallschichten vernichtet Schlupfenergie.
Während die Induktanz von einem Höchstwert, den sie beim Leitwert Null hat, allmählich mit zunehmenden Leitwert abnimmt, nimmt die Schlupfenergie von dem Werte Null, den sie beim Leitwert Null hat, zunächst zu, bis sie einen Maximalwert erreicht und nimmt dann mit zunehmenden Leitwert wieder ab. Wird man also Metallschichten zur Verminderung der Induktanz anordnen, so benutzt man einen Leitwert, der am rechten Ende der in Fig. 3 gezeichneten Kurve liegt, während man gemäss vorliegender Erfindung zur wirksamen Aufnahme der Schlupfenergie den Leitwert für die Metallschichten benutzt, der praktisch dem Maximum der Schlupfenergie entspricht.
In den Fig. 4 und 7 sind einige Ausführungsbeispiele zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens beschrieben. Fig. 4 zeigt den Längsschnitt durch einen Asynchronmotor, dessen Läufer 2 eine normale Phasenwicklung besitzt, die als Zweischichten-Mantelwicklung dargestellt ist. Die gestrichelten Linien stellen die Kraftlinien des Streufeldes der Rotorstirnverbindungen dar. In dieses Streufeld innerhalb und ausserhalb des Stirnverbindermantels sind bereits zueinander und zur Rotorachse konzentrische Metallring 3 eingelagert, die grosse Ausdehnung quer zur Richtung der Streukraftlinien besitzen.
Das Streufeld induziert in deren Mantelflächen daher starke Tertiärströme, die man durch passende Bemessung der Breitenausdehnung und der Stärke der Metallschicht, sowie der spezifischen Leitfähigkeit des Materials auf ein Mass bringen kann, das die günstigste Wirkung zur Unterdrückung der Schlupfenergie ergibt. Um die Tertiärstromkreise mit den Sekundärkreisen möglichst gut induktiv zu koppeln,
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Energieverluste zu bewirken, lässt man die Tertiärströme als Wirbelströme in breiten Metallteilen verlaufen. Diese Metallteile können mit an sich notwendigen Konstruktionsteilen vereinigt werden. So kann man
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man den äusseren Metallring als Kappe oder Bandage gegen das Abschleudern der Rotorwicklung durch die Wirkung der Zentrifugalkräfte mitbenutzen kann.
Eine andere Ausführungsform, die eine noch bessere induktive Kopplung der Tertiär-und Sekundärkreise zeigt, ist in Fig. 5 dargestellt. Die wirbelstromführende Metallfläche. 3 ist hiebei zwischen den beiden Schichten der Rotorwicklung 2 angeordnet, so dass sie notwendig von sämtlichen Stirnstreukraftlinien der Sekundärwicklung durchsetzt werden muss, während sich bei Fig. 4 immerhin einige dieser
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Kraftlinien im Raume zwischen den beiden Tertiärkreisen schliessen können. Selbstverständlich kann man je nach Bedarf die Anordnungen von Fig. 4 und 5 gemeinsam verwenden, man kann auch infällen, wo nur geringe tertiäre Metallmassen erforderlich sind, den inneren oder äusseren Ring 3 der Fig. 4 für sich verwenden.
Da die Wirbelströme in den tertiären Metallringen 3 sich dem Verlauf der Ströme in den Stirnverbindungen des Sekundärkreises anzuschmiegen suchen, so kann es zweckmässig sein, die Leitfähigkeit der MetaIIschichten an der dem Eisen anliegenden Seite zu verstärken, so wie es durch die Wulste in Fig. 4 angedeutet ist, damit die Wirbelströme einen bequemen Schlussweg finden.
Man sieht aus diesem Beispiel, dass es zur zweckmässigen Anordnung eines Tertiärkreises von richtigem Widerstande gar nicht nötig ist, die Läuferströme nach aussen zu führen, dass man daher derartige Motoren ohne Schleifringe ausführen kann, was eine weitere grosse Vereinfachung in konstruktiver und wirtschaftlicher Hinsicht sowie eine wesentliche Erhöhung der Betriebssicherheit darstellt. Man kann nun noch einen Schritt weitergehen und sogar den gewickelten Phasenanker, der in Fig. 4 und 5 vorausgesetzt ist, fallen lassen und den konstruktiv und wirtschaftlich einfachsten und betriebssichersten Käfiganker für die vorliegende Erfindung verwenden.
Da das Stirnstreufeld eines solchen Ankers bekanntlich nur sehr gering ist, so ist es hier zweckmässig, das Nutenstreufeld zur Wirkung auf den Tertiärkreis zu
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Metallplatten 3 in das Streufeld einer Nut, deren Kraftlinien wieder gestrichelt dargestellt sind. Da das Nutenstreufeld sich zum grossen Teil durch das Zahneisen des Läufers schliesst, und nur den relativ geringen Luftweg in der Nutenbreite zu überwinden hat, so ist die induktive Kopplung zwischen Sekundär-und Tertiärkreisen auch hier sehr vollkommen, so dass man durch passende Bemessung der die Tertiärströme führenden Metallschichten sehr gute Wirkungen erhalten kann.
Auch in Fig. 6 ist gezeigt, dass man durch wulstartige einseitige Verdickungen oder Flansche der die Tertiärstromkreise bildenden Metallschichten dafür sorgen kann, dass sich die Wirbelströme in verstärktem Masse ausbilden können.
Damit das durch die Sekundärströme erzeugte Nutenstreufeld nicht durch Stromverdrängung in den Sekundärleitern selbst geschwächt wird, verwendet man zweckmässig keine massiven, sondern die bekannten verseilten Leiter zum Aufbau des Ankers. In Fig. 7 ist eine besonders brauchbare Konstruktion hiefür dargestellt. Die Teilleiter des Seiles, das den sekundären Nutenstab bildet, sind hier um den Tertiärleiter als Seele gesponnen, wodurch eine ganz vorzügliche magnetische Kopplung von Sekundärleiter 2 und Tertiärleiter 3 erzielt wird.
Ausser der Stirn-und Nutenstreuung kann man auch alle andern auftretenden Sekundärstreufelder zur Erzeugung von Tertiärströmen heranziehen, beispielsweise die doppelt verketteten Streufelder.
Man kann auch selbstverständlich einige oder alle diese Streufelder in Kombination verwenden.
Neben der günstigen Wirkung, dass die Ströme im Tertiärleiter die Schlupfenergie vernichten, kommt auch noch der Vorteil hinzu, wie ihn die bekannten Metallschichten im Stirnstreufeld aufweisen, dass das Streufeld bei erheblichen Schlüpfungen des Motors merklich geschwächt wird, so dass hiedurch das Maximaldrehmoment gerade in den Drehzahlbereichen, in denen man steuern will, weiter vergrössert wird. Bei den Anordnungen nach Fig. 4,5 und 8 wird das Rotorstirnstreufeld wesentlich verkleinert,
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praktisch überhaupt kaum noch die Erscheinung einer in Betracht kommenden Rotorstreuung.
Die Stärke der Wirkung der Tertiärströme auf das Steuerdrehmoment des Motors ist naturgemäss von den Abmessungen der Tertiärleiter sehr stark abhängig. Wählt man sie sehr dünn oder aus Material von schlechter Leitfähigkeit, so entwickeln sich keine starken Tertiärströme und es kann daher auch keine erhebliche Schlupfenergie durch sie vernichtet werden. Wählt man die Bahnen für die Tertiärströme anderseits sehr stark und das Material von ausserordentlich guter Leitfähigkeit, so kann es leicht passieren, dass auch dann die beabsichtigte Wirkung ausbleibt. Es bilden sich dann recht starke Tertiärströme aus, sie blasen jedoch das sekundäre Streufeld bereits fort, bevor sie in ihrem gutleitenden Material erhebliche Energieverluste erzeugen können.
In Fig. 9 sind abhängig von der Schlüpfung s des Asynchronmotors die zusätzlichen Verluste r
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im Vergleich zu den Eigenverlusten der Sekundärwicklung. Man sieht, dass die Verluste bei guter Leitfähigkeit (grossem Leitwert) der gesamten Tertiärstrombahnen zwar mit zunehmender Schlüpfung anfangs schnell wachsen, dass sie sich aber sehr bald einem ziemlich geringen Grenzwert nähern, der auch bei grossen Schlüpfungen nicht überschritten wird.
Bei schlechter Leitfähigkeit (geringem Leitwert) der Tertiärstrombahnen könnte anderseits bei grosser Schlupfung ein sehr erheblicher Energieverlust hervorgerufen werden, derselbe wächst aber bei geringen Schlüpfungen nur so langsam an, dass der Motor auch bei erheblichen Abweichungen der Drehzahlen vom Synchronismus noch seine ursprünglichen Eigenschaften der Labilität des Drehmomentes beibehält. Günstige Wirkungen, die eine wenigstens angenäherte proportionale Vermehrung der Verluste mit der Schlüpfung in einem grösseren Bereich ergeben, erhält man nur bei einer ganz bestimmten Gesamtleitfähigkeit (Leitwert) der Tertiärstrombahnen, wie die mittlere Kurve der Fig. 9 es beispielsweise zeigt. Dort ist zum Vergleich gestrichelt eine Gerade ein-
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wäre.
Diese günstigsten Verhältnisse für jeden Motor zu erzielen, gelingt nur durch sehr sorgfältige Vorausberechnung der tertiären Ströme hinsichtlich ihres Energieverlustes und ihrer Rückwirkung auf die sekundären Streufelder. Man muss dazu den Ohmschen Widerstand der Tertiärstrombahnen etwa ebenso gross wählen, wie ihren induktiven Widerstand bei der zum Steuern gewünschten Selüpfung.
Zur Erzielung günstiger Verhältnisse kann es zweckmässig sein, die sekundären Streufelder stellenweise durch Einlagern von Eisenschichten zu verstärken, da man hiedurch leichter in der Lage ist, einen bestimmten Verlauf und eine bestimmte Stärke der Tertiärströme vorzuschreiben.
Diese Eisenschichten können zwischen den Teilleitern in der Nut angeordnet werden, so dass das sekundäre Nutenfeld durch sie fliesst, sie können auch als Einlagen in die die Tertiärleiter bildenden Metall-
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streulinien gezeigt. Eisenringe e sind an bestimmten radial übereinanderliegenden Stellen unter in und über der Zweischichtenwicklung konzentrisch zueinander und zur Rotorachse angeordnet. Die Streulinien in der Luft zwischen diesen Ringen können sich in den eisernen Aussen-und Innenringen c zu den benachbarten Polen herüber schliessen und umschlingen auf diese Weise die eingelagerten Tertiärleiterschichten r sehr vollständig.
Es ist nicht schwer, eine derartige Anordnung so zu dimensionieren, dass sich unter der Wirkung der Sekundärströme in den Stäben ein Streufeld von gewollter Stärke ausbildet, das in transformatoriseher Wirkung und Rückwirkung bei allen vorkommenden Schlüpfungen ohne Regelung von aussen tertiäre Energieverluste von ebenfalls gewollter Stärke hervorruft.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Asynchronmotor mit elektrisch gut leitenden, im Streufeld der Sekundärströme liegenden MetaHschichten, die elektrisch unabhängig von den Sekundärleitern sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitwert dieser Metallschichten (3), d. h. der reziproke Wert ihres Widerstandes, so gewählt ist, dass er für die (mit zunehmendem Leitwert von einem Maximalwert abnehmende) Induktanz der Anker-
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ansteigende und dann wieder abnehmende) von den Metallschichten vernichtetete Schlupfenergie praktisch den Höchstwert ergibt (Fig. 3).