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Wechselstrom-Induktionsmotor.
Bei Wechselstrom-Induktionsmotoren tritt in der Regel ausser dem im Sinne der Motordrehung umlaufenden Arbeitsdrehfeld noch ein störendes gegenläufiges (inverses) Drehfeld auf, das insbesondere bei Einphasen-Induktionsmotoren von grossem Nachteil ist. weil es hier von der gleichen Grössenordnung wie das Arbeitsdrehfeld ist und die Ursache für den schwerwiegenden Mangel bildet, dass die Motoren nicht von selbst unter Last anlaufen können und nur in geringem Masse überlastungsfähig sind. Man hat bereits versucht, das gegenläufige Drehfeld durch Anordnung eines mit einer Kurzsehlusswieklung versehenen Hilfsrotors zu unterdrücken, ohne dass es bisher gelungen ist, auf diese Weise einen betriebsfähigen Motor zu schaffen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass dieser Misserfolg einerseits auf die grosse, durch die Anordnung des Hilfsrotors verursachte magnetische Streuung und anderseits auf die grosse Phasenverschiebung des zugeführten Wechselstromes zurückzuführen ist, die dadurch entsteht, dass infolge der Anordnung des Hilfsrotors der Kraftlinienweg einen doppelten Luftspalt enthält und daher ein entsprechend hoher Magnetisierungsstrom erforderlich ist.
Der Erfindung gemäss ist daher zwecks Kompensation der Streuung und Phasenverschiebung in den magnetischen Kreis des Motors mittels einer auf dem Hilfsrotor angeordneten Gleichstromerregerwieklung ein zusätzliches, synchron mit der Frequenz des zugeführten Wechselstromes umlaufendes Magnetfeld eingefügt und ausserdem der Kraftlinienfluss so geregelt, dass er sich durch den Stator, Hilfsrotor und Rotor hindurchschliesst. Auf diese Weise ist es gelungen, einen Motor zu schaffen, der sich z.
B. auch zum Antrieb elektrischer Lokomotiven eignet, die aus einem Einphasennetz beliebiger Frequenz mit Strom versorgt werden.
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Induktionsmotoren veranschaulicht, u. zw. zeigt : Fig. 1 einen aufrechten Längsschnitt durch das erste Ausführungsbeispiel, Fig. 2 eine Einzelheit der Fig. 1 in grösserem Massstabe, Fig. 3 einen Schnitt nach 3-3 der Fig. 2, von rechts gesehen. Fig. 4 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispieles und Fig. 5 einen Teil der Fig. 4, in vereinfachter Weise als Abwicklung dargestellt.
A ist der Stator (Fig. 1), B der Rotor eines Einphasen-Induktionsmotors, bei dem der Zwischenraum zwischen Stator und Rotor erweitert und in diesem erweiterten Zwischenraum der Mantelteil eines um die Rotorachse drehbaren trommelförmigen Körpers angeordnet ist. Dieser Körper, der im nachstehenden als Hilfsrotor bezeichnet werden soll, besteht aus parallel zur Rotorachse verlaufenden, durch Zwischenräume in Richtung des Trommelumfanges voneinander getrennten Eisenstäben C, deien Enden beiderseits durch je einen Messing- oder Stahlbronzrring Cl zusammengphalten und leitend miteinander verbunden sind.
Der nach Art eines Käfigankers gebaute Hilfsrotor Cet bildet demnach eine mehrphasige Kurzschlussankerwicklung. Zugleich stellen die Eisenstäbe C für die in radialer Richtung verlaufenden Kraftlinien einen sehr geringen, die Zwischenräume dagegen für die tangential verlaufenden Streulinien einen sehr hohen magnetischen Widerstand dar. Jeder der beiden Ringe cl ist mit der benach-
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zweier Kugellager c3 auf der Rotorwelle bl drehbar gelagert. Durch die Anordnung der Kugellager ist die bei der Verwendung eines zwischen Stator und Rotor umlaufenden Hilfsrotors besonders wichtige Unver- änderlichkeit der radialen Luftzwischenräume gewährleistet.
Zwischen den Eisenstäben C ist noch eine
Erregerwicklung e4 untergebracht, die über Schleifringe C5, die an den Stirnwänden C2 angeordnet sind, mit einer Gleiehstromquelle von regelbarer Spannung verbunden werden kann. Die Erregerwicklung C4 ist so angeordnet, dass beim Anschluss an eine Gleichstromquelle sich im Hilfsrotor C cl Magnetpole aus- bilden, deren Zahl mit der Zahl der Stat rpole übereinstimmt und bei denen der Richtungssinn des Kraft- schlusses von Pol zu Pol wechselt.
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Der Stator A ist in an sich bekannter Weise mit Nuten versehen, in denen eine einphasige Hauptwicklung al und eine (auf der Zeichnung nicht sichtbare) nur beim Anlauf wirksame und daher durch besondere (nicht dargestellte) Hilfsmittel in bekannter Weise abschaltbare Hilfswicklung (Hilfsphase) angeordnet ist. Der Rotor B trägt eine dreiphasige Wicklung b2, deren Enden einerseits miteinander in Sternschaltung verbunden und anderseits an drei auf der Rotorwelle bl sitzende Schleifringe b3 (Fig. 1) angeschlossen sind, so dass sie mit einem Anlasswiderstand in Verbindung gebracht werden können.
Will man den beschriebenen Motor-einerlei ob leer oder unter Last-anlaufen lassen, so schaltet man zunächst bei offener Rotorwicklung b2 und unerregter Hilfsrotorwieldung c4 die Statorwicklung al nebst der erwähnten Hilfsphase ein. Unter der Wirkung des vom Stator mittels der Hilfsphase erzeugten
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in einem bestimmten Drehsinne, nämlich im Sinne der Umlaufsrichtung des durch die Hilfsphase erzeugten Drehfeldes, an, und gelangt schnell auf eine vom Synchronismus wenig verschiedene Drehzahl.
Wird nun die Hilfsphase abgeschaltet, so wirkt der umlaufende Hilfsrotor C el, der natürlich anstatt mit Hilfs-
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gegeneinander rotierenden Drehfelder, in die man sich nach einer allgemein verbreiteten Anschauung das einphasige Statorwechselfeld zerlegt denken kann, in der Weise ein, dass das im Drehsinne des Hilfsrotors C c1 umlaufende Drehfeld erheblich verstärkt, das entgegengesetzt umlaufende Drehfeld dagegen praktisch zum Verschwinden gebracht wird. Durch das Zusammenwirken des gleichsinnig mit dem Hilfsrotor umlaufenden Drehfeldes mit den im Hilfsrotor induzierten Kurzschlussströmen entsteht ein Drehmoment, durch welches die Drehbewegung des Hilfsrotors und damit auch das gleichsinnig umlaufende Drehfeld selbst aufrechterhalten wird.
Wird nun die auf dem Hilfsrotor C c1 angeordnete Erregerwicklung c4 an die bereits erwähnte Gleichstromquelle angeschlossen, so wird der Hilfsrotor C cl gewissermassen zum Rotor eines Synchronmotors, indem er synchron mit dem wirksamen Statordrehfelde umläuft, wobei er in diesem Drehfelde eine solche Stellung einnimmt, dass auf dem magnetischen Pfade der Kraftlinien ungleichnamige Pole aufeinanderfolgen, also z. B. einem Statornordpol ein HilfsrotorSüdpol und dem diesem zugeordneten Hilfsrotornordpol ein Rotorsüdpol gegenübersteht. Damit ist die Aufrechterhaltung des gleichsinnig mit dem Hilfsrotor umlaufenden Drehfeldes selbst bei starker Überlastung des Motors vollständig gesichert.
Dieser Umstand ermöglicht es, den Rotor B unter Benutzung von Anlasswiderständen genau so wie den Rotor eines Mehrphasenmotors anlaufen zu lassen. Denn da das im Stator umlaufende Drehfeld wegen des in radialer Richtung niedrigen und in Richtung des Umfanges hohen magnetischen Widerstandes gezwungen ist, sich durch den Rotor B hindurch zu schliessen. der magnetische Kraftfluss also im Hilfsrotor in Richtung des Umfanges unterdrückt ist : ist die Rotor-
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kein nennenswerter Streufluss.
Man braucht daher lediglich die Rotorwieklung b2 unter Einschaltung von Anlasswiderständen zu schliessen, um das zum Anlauf des Motors erforderliche Drehmoment zu erzielen. wobei eine verhältnismässig hohe mechanische Belastung des Motors zugelassen werden kann, da ein An- laufdrebmoment vom mehrfachen Betrage des normalen Drehmomentes sich leicht erreichen lässt. Je nach der Wahl der Stärke des Erregerstromes in der Wicklung c lässt sich genau wie bei einem gewöhn- lichen synchronen Motor die Phasenverschiebung zwischen Stromstärke und Spannung des der Statorwicklung a1 zugeführten Einphasenstromes nach Wunsch beeinflussen. Man kann daher z.
B. diese Phasenverschiebung vermindern oder auch ganz aufheben, d. h. dem Motor einen Leistungsfaktor cos m = l erteilen oder man kann die Nacheilung des Stromes gegenüber der Spannung in Voreilung verwandeln.
Es ist natürlich ohne weiteres möglich, die vorstehend erläuterte Käfigwicklung des Hilfsrotors durch eine anders geartete Kurzschlu#ankerwicklung zu ersetzen. Diese muss jedoch, wenn auf die Mög- lichkeit des Anlassens des Hilfsrotors mittels Hilfsphase Wert gelegt wird, mindestens zweiphasig ausgebildet sein.
Ohne an der Erfindung etwas zu ändern, könnte man auch, anstatt die Erregerwicklung in den Zwischenräumen des gleichmässig verteilten Feldeisens unterzubringen, den Hilfsrotor als Polrad mit ausgeprägten bewickelten Polen ausführen. In der Wirkungsweise würde sich ein derart abgeänderter Hilfsrotor von dem beschriebenen grundsätzlich nicht unterscheiden.
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phasige Kurzschlusswicklung wirkt, könnte sich bei Anordnung einer symmetrisch aufgebauten Kurz- sehlussankerwicklung ein nicht konstantes Drehfeld ergeben. Dem lässt sich entweder durch eine die Kurzschlussströme in der Erregerwicklung unterdrückende, ihr vorgeschaltete Drosselspule oder durch eine künstliche Unsymmetrie in der Kurzschlussankerwicklung des Hilfsrotors begegnen.
Bei dem durch Fig. 4 und 5 veranschaulichten zweiten Ausführungsbeispiel ist der Stator D, eben-
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wirksamen Hilfswicklung (Hilfsphase) versehen, die in den in Fig. 4 mit d2 bezeichneten Statornuten angeordnet ist. Zwischen dem Stator und dem Rotor E, der ebenso wie beim ersten Ausführungsbeispiel mit einer Dreiphasenwicklung e1 (Fig. 4), versehen ist, ist der Hilfsrotor angeordnet, der aus einer Trommel besteht, in deren eisernen Mantelteil F von aussen und von innen einander paarweise gegenüberliegende, zur Aufnahme der Erregerwicklung bestimmte Nuten 11 eingefräst sind. Die Erregerwicklung ist dabei
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weisen.
Dies ist besonders aus Fig. a zu ersehen. die in schematischer Darstellung einen Teil des in eine
Ebene abgewickelt gedachten Hilfsrotors F nebst den benachbarten Rändern des Stators D und des
Rotors E zeigt. Il bezeichnet den Luftspalt zwischen den Zähnen des Stators D und des Hilfsrotors F,
Z2 denjenigen zwischen den Zähnen des Hilfsrotors F und des Rotors E./ und/ bezeichnen die beiden
Hälften der zweiteilig ausgeführten Erregerwicklung des Hilfsrotors F, u. zw. bezieht sich 12 auf die dem Stator D und/'* auf die dem Rotor E zunächstliegenden Spulen dieser Wicklung.
Die einzelnen Windungen sind in den Nuten 11 des zum Aufbau des Hilfsrotors F benutzten Eisenkörpers angeordnet und in solcher Weise an eine Gleichstromquelle angeschlossen, dass sich der durch Punkte (. ) und Kreuze (x) ange- deutete Stromverlauf ergibt. Des Stator D und der Rotor E. die in Wirklichkeit auch mit Nuten und
Wicklungen versehen sind (Fig. 4), sind der einfacheren Darstellung wegen in Fig. 5 mit glatten Rändern gezeichnet. Infolge des angegebenen Stromverlaufs bilden sich am Hilfsrotor F die eingezeichneten Pole N
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ungleichnamige Stator-und Rotorpole gegenüberstehen.
Nimmt man nun zunächst an, dass nur die Spulen 12 Strom führen, so verläuft das-bei synchronem Verlauf und Phasenverschiebung Null mit dem Statorfelde räumlich zusammenfallende-magnetische Kraftfeld des Hilfsrotors F entsprechend der punktierte Linie G in Fig. Ï ; werden nur die Spulen 14 erregt, so verläuft der Kraftfluss nach der gestrichelten Linie H. In beiden Fällen wirkt der Eisenkörper des Hilfsrotors F wie ein magnetischer Kurzschluss.
Werden dagegen, den wirklichen Verhältnissen entsprechend, die Spulen 12 und 14 gleichzeitig durch Ströme von solcher Stärke erregt, dass die die Luftspalte Z und Z durchsetzenden Kraftflüsse gleich stark sind, so heben sieh die innerhalb des Hilfsrotoreisens in der Umfangsrichtung verlaufenden Kraftlinienströme auf und es ergibt sich ein Kraftlinienverlauf gemäss der strichpunktierten Linie. T. In Richtung des Hilfsrotorumfanges ist hiebei also jeder Kraftfluss unterdrückt, obwohl der magnetische Widerstand in dieser Richtung verschwindend klein ist.
Die Ausführungsform nach Fig. 4 und Ï weist also hinsichtlich des Kraftlinienverlaufes des Erregerfeldes im allgemeinen dieselbe Wirkung auf wie die früher beschriebene ; insbesondere ist infolge des fehlenden Potentialunterschiedes zwischen den oben bezeichneten Punkten des Eisenkörpers des Hilfsrotors jeder magnetische Kraftfluss in Richtung des Umfanges des Hilfsrotors F unterdrückt. Eine Änderung der primären Phasenverschiebung durch Regelung der Stärke des die Erregung des Hilfsrotors F bewirkenden Gleichstromes ist genau so wie bei der zuerst beschriebenen Einrichtung möglich.
Ein wesentlicher Vorteil der beiden beschriebenen Einphaseninduktionsmotoren liegt in der Möglichkeit. mit einfachen Mitteln die Phasenverschiebung zwischen Primärstrom und Spannung vollständig aufzuheben oder in Voreilung zu verwandeln. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Motor unter Last, ja sogar mit erheblicher Überlastung anzulaufen vermag und sich im Laufe genau wie der wegen seiner Betriebssicherheit besonders geschätzte Mehrphaseninduktionsmotor verhält.
Mit demselben Erfolg wie bei einphasigen Wechselstrominduktionsmotoren kann die Erfindung natürlich auch bei mehrphasigen Motoren Anwendung finden, bei denen ein inverses Restdrehfeld auftritt. Man erhält dann, indem man die einphasige Statorwicklung al oder d1 durch eine mehrphasige, z. B. eine Drehstromwicklung, ersetzt, einen Mehrphasenmotor, bei dem nicht nur das inverse Restfeld unterdrückt ist, sondern der auch auf bequeme Weise kompensierbar ist und sich vor bekannten Mehrphasenmotoren mit Einrichtung zur Kompensierung der Phasenverschiebung dadurch auszeichnet, dass er weder eines Kommutators noch eines Hintermotors od. dgl. bedarf und dass die Kompensation im ganzen Bereich vom Stillstand bis zur grössten Umlaufszahl wirksam ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Wechselstrom-Induktionsmotor mit einem zwischen Stator und Rotor angeordneten, eine Kurz- schlusswicklung tragenden Hilfsrotor, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Hilfsrotor (C oder F) eine
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