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Selbstanlaufender Einphasen- Wechselstrom - Synchronmotor.
Für selbstanlaufende Einphasen-Wechselstrom-Synchronmotore sind bereits zahlreiche Vor- schläge bekannt geworden mit dem Ergebnis, dass diejenigen, welche wirklich an-und synchronlaufende
Motore zeitigten, nur für die Zwecke des Antriebes von Uhren bzw. Tarifapparaten verwendbar waren, während sie für grössere Leistungen, wie z. B. sie bei Sprechapparaten od. dgl. erforderlich sind, selbst bei Ausführung des Motors im vergrösserten Massstabe nicht brauchbar waren. Die eine Gruppe dieser
Vorschläge betraf meist schnell laufende Motore, bei denen Läufer und Ständer gleiche Polzahl auf- wiesen und der Läufer die der Polzahl des Ständers entsprechende Geschwindigkeit besass. Die andere
Gruppe dieser Vorschläge richtet sich auf langsam laufende Motore, bei denen die Anzahl der Pol- zähne des Läufers ein Vielfaches der Ständerpolzahl betrug.
Die so vorgeschlagenen Motore weisen gleichzeitig Vor-und Nachteile auf. Die ersteren haben den Nachteil, dass das Kupfer der Käfigwicklung während des synchronen Laufes den grössten Teil seiner Wirkung einbüsst, da in der Wicklung nur noch so viel Strom induziert wird, wie sich das Magnetfeld im Läuferzahn während des Laufes von einem Pol zum andern in seiner Stärke verändert, wodurch nur ein Bruchteil der Leistungsmöglichkeit erzielt wird. Infolgedessen weist das Anlaufmoment kurz vor dem Erreichen des Synchronismus eine sehr schwache Stelle auf, so dass der Motor, sobald er belastet anlaufen soll, über diese Stelle nicht hinwegkommen und seine synchrone Drehzahl nicht erreichen kann.
Der Vorteil dieser ersteren Motore besteht jedoch darin, dass sie im synchronen Lauf einen sehr guten Wirkungsgrad haben, der dadurch erzeugt wird, dass das Eisen im Läufer nicht dauernd ummagnetisiert wird und daher dieser sich lediglich in Wärme umsetzende Energieverlust gespart wird. Diese Motore laufen nur noch als Reaktionsmotore, wie die Synchronmotor mit kupferlosem Läufer nach dem Prinzip des phonischen Rades, die bekanntlich einen sehr guten Wirkungsgrad aufweisen.
Bei der zweiten Gruppe der vorgeschlagenen Motore, den Langsamläufern, bei denen die Läuferpolzahl ein Vielfaches der Ständerpolzahl beträgt, tritt die oben erwähnte, kurz vor dem Synchronismus auftretende schwache Stelle im Anlaufdrehmoment nicht so stark in Erscheinung, dagegen ist der Wirkungsgrad wesentlich niedriger als bei der ersten Gruppe, was darauf beruht, dass der Ständerpol, der einen gewissen Teil des Läuferumfanges umschliessen muss, eine grössere Anzahl von Läuferpolen abdeckt und, da der Läufer während eines Wechsels sich nur um eine Läuferpolteilung fortbewegen kann, dass der Läuferpol samt seinen Nachbarn während der Bewegung innerhalb des durch den Ständerpol bedeckten Winkels bei jedem Wechsel ummagnetisiert wird, wodurch in der Käfigwicklung nutzlose, in Wärme sich umsetzende Energie verbraucht wird,
da der induzierte Läuferpol bei seiner Weiterbewegung innerhalb eines Wechsels nicht die richtige Gegenpolarität vorfindet, sondern sich während mehrerer Wechsel immer noch unter dem gleichen Pol bewegt. Dieses ungünstige magnetische Verhalten des Motors bedingt einen so schlechten Wirkungsgrad, dass Motore für grössere Leistungen nach diesem Prinzip praktisch überhaupt nicht gebaut werden können. Der grosse Unterschied zwischen der asynchronen und synchronen Drehzahl eines beispielsweise zweipoligen Läufers wird dabei auch keineswegs nutzbringend für das Drehmoment innerhalb des synchronen Laufes verwendet, vielmehr erhält der Motor infolge des oben erwähnten ungünstigen magnetischen Verhaltens einen derartig grossen Schlupf, dass die wirkliche asynchrone Drehzahl von selbst nur ganz wenig über der synchronen Drehzahl liegt.
Es sind auch Synchronmotor vorgeschlagen worden, die mit einem sechspoligen Ständer und sechspoligem Läufer an-und synchron liefen, jedoch die Eigenschaft besassen, dass sie bei völligem Leerlauf über die synchrone Drehzahl hinausliefen, so dass sie durch mechanische Bremsen an diesem
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übersynehronen Lauf gehindert werden mussten und daher auch nicht als wirkliche Synchronmotore angesehen werden können.
Das günstigste Verhältnis für einen Synchronmotor würde sich dann ergeben, wenn der Motor beim Anlaufen die Eigenschaften eines normalen Asynchronmotors hätte und der Läufer in seiner
Betriebsdrehzahl etwas langsamer als das asynchrone Drehfeld laufen würde ; ein z. B. vierpoliger
Motor würde bei etwa 1400 Umdrehungen an seiner günstigsten Stelle liegen. Dieses Verhältnis ist praktisch nicht erreichbar, weil die erforderliche Polteilung nicht durchführbar ist ; es muss daher versueht werden, bei den durch die Polteilung bedingten synchronen Drehzahlen einen Motor elektrisch so auszurüsten, dass dieses Verhältnis eintritt, dass also ein Motor mit sechs Polen und 1000 Umdrehungen bei 50 Perioden eine asynchrone Drehzahl aufweist, die etwa bei 1100 Umdrehungen liegt.
Dann wird der Wirkungsgrad das gleiche Verhältnis ergeben, wie bei einem reinen asynchronen Motor mit sechs
Polen, der während der Arbeitsleistung mit 900 Umdrehungen läuft. Diese Aufgabe wird durch die
Erfindung annähernd gelöst und der neue Synchronmotor ist in seinem Wirkungsgrad entgegen dem bis jetzt Erzielbaren nicht etwa weit schlechter, sondern erheblich besser als ein Asynchronmotor von gleicher Grösse und Drehzahl.
Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass bei einem Motor mit einer einem sechspolig ausgeführten Motor entsprechenden synchronen Drehzahl ein Ständer vorgesehen ist, dessen vier gleich starke ausgesprochen Pole in Haupt-und Hilfspole unterteilt und die Hauptpole in ungleichen
Winkelabständen von 600 und 1200 mit wechselnder Polarität angeordnet sind und zwei Drehfelder verschiedener Geschwindigkeit erzeugen, welche auf einen mit sechs Polvorsprüngen und einer Käfig- wicklung versehenen Läufer derart einwirken, dass aus den zwei verschiedenen Drehfeldern sich eine dritte, etwas über der dem kleineren Winkelabstand und der Läuferteilung entsprechenden synchronen
Drehzahl liegende asynchrone Drehzahl ergibt.
Der Gegenstand der Erfindung und seine weitere Ausbildung werden nachfolgend an Hand der
Zeichnungen näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt schematisch den Motor gemäss der Erfindung in einer beispielsweisen Ausführungsform in Seitenansicht mit teilweisem Schnitt ; die Fig. 2 zeigt eine beispiels- weise Ausführungsform des Läufers mit seiner Käfigwicklung ; die Fig. 3 zeigt einen Teil des Kraftlinienflusses zwischen Ständer und Läufer.
Der Ständer des Motors ist aus zwei gleichen, U-förmig gestalteten Doppelpolstücken 1 zusammen- gefügt, von denen jedes mit einer Erregerwicklung 2 versehen ist und für sich allein bereits einen wirk- samen Ständer darstellt, die aber durch ihre Zusammenfügung eine neue Wirkungsweise ergeben.
Jeder Schenkel des Doppelpolstückes 1 ist in Hauptpole 3 und Hilfspole 4 mit Kurzschlusswicklung 5 aufgeteilt, wobei die Hauptpole jeder Ständerhälfte einen Winkel von 1200 einschliessen, innerhalb dessen die Erregerwicklung 2 auf den Jochen der Doppelpolstücke angeordnet ist.
Die Hauptpole sowie die Hilfspole besitzen annähernd die gleiche Breite einer sechspoligen Läuferteilung, sind also in einem geometrischen Winkel von etwa 300 angeordnet. Würde man eine dieser Ständerhälften mit einem glatten, mit einer Käfigwicklung versehenen Läufer zusammenfügen und durch die Erregerwicklung einen 50periodigen Wechselstrom leiten, dann würde der Läufer je nach seinem Kupferwiderstand eine Geschwindigkeit annehmen, die dem Hauptpolwinkel von 1200 entspricht. Das wirkliche Drehfeld in ! 1ieem Polabschnitt würde selbstverständlich eine Geschwindigkeit von 2000 Umdrehungen besitzen, infolge der einseitigen Beeinflussung würde jedoch der Läufer einen erheblichen
Schlupf aufweisen.
Setzt man nun die beiden Ständerhälften wie dargestellt zusammen, so ergibt sich zunächst ein vierpoliger Ständer, der in der Stellung seiner Hauptpole zueinander verschiedene Winkel aufweist, nämlich zwei von 1200 und zwei von 60 . An den Stellen, an welchen sich die beiden Doppelpolstücke 1 mit ungleichnamiger Polarität berühren, befinden sich zwischen den in einem Winkel von 600 liegenden Hauptpolen 3 die gleich breiten Hilfspole 4. Durch diese zueinander verschiedene Winkelstellung von 600 und 1200 der vier gleich starken Hauptpole ergibt sich folgende vorteilhafte Wirkung : Der.
Winkelabstand von 60'wirkt bestimmend auf die synchrone Geschwindigkeit und erzeugt ein starkes asynchrones Anlaufmoment, weil der Winkelabstand von 60 ja kleiner ist, als der von 900 eines symmetrisch angeordneten vierpoligen asynchronen Ständers. Bei Erreichung der synchronen Geschwindigkeit wird allerdings das Kupfer der Käfigwicklung 6 im Läufer 7 innerhalb des Winkels von 600 fast wirkungslos, trotzdem wird die schwache Stelle kurz vor dem Synchronismus überbrückt, u. zw. durch das zweite Drehfeld, welches durch die Winkelabstände von 1200 der Haupt- pole in beiden Doppelpolstücken 1. entsteht.
Hiedurch ist also der Nachteil der vorher erwähnten bekannten Motore beseitigt, dabei ist aber die wertvollste Ursache eines guten Wirkungsgrades, nämlich die Wirkungsweise eines Reaktionsmotors erhalten geblieben, da hinsichtlich des Winkels von 60 sowohl die Läufer als auch die Ständerteilung übereinstimmen und für diesen Teil mit dem gleichen Drehfeld umlaufen. Für diesen Teil des Motors stimmt auch der Wechsel der Polarität im Ständer und Läufer während des Laufes gesetzmässig überein, so dass das Läufereisen hier nicht zwecklos ummagnetisiert wird.
Ausser den vier gleich starken Hauptpolen und den vier Hilfspolen besitzt der beschriebene Ständer noch zwei schwächere Hauptpole, ohne Hilfspole, welche durch die zwischen den Polschenkeln
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Eisenschlussbleche nehmen den äusseren Streufluss der Erregerspule 2 mit auf und sind so gestaltet, dass sie in ihrer einen, an den Hilfspol anschliessenden Hälfte dem Kreisbogen der Ständerbohrung folgen, während ihre andere Hälfte tangential dazu nach dem Hauptpol hin verläuft. Diese magnetischen Sehlussstüeke liefern also den fünften und sechsten Pol, so dass der Ständer wenigstens teilweise die Wirkung eines sechspoligen Ständers besitzt. Der Teilbogen der Eisenschlussbleche 8 wirkt besonders vorteilhaft für das Abfangen des Läufers in der synchronen Drehzahl.
Der oben beschriebene Ständer hat für den asynchronen Teil mit Wirkung auf einen normalen glatten Läufer (ohne Polflächen) mit Käfigwicklung ein Drehfeld von 60 , welches bei 50 Perioden praktisch eine Geschwindigkeit von weniger als 1000 Umdrehungen bedingt, und ein zweites Drehfeld von 120 , dessen Geschwindigkeit praktisch unter 2000 Umdrehungen liegt. Diese beiden Drehfelder zusammen ergeben eine resultierende asynchrone Drehzahl, die etwa einem Winkel entspricht, welcher zwischen 68 und 72 liegt, je nach dem Widerstand in der Käfigwicklung und je nach dem magnetischen
Schluss an der Berührungsstelle der beiden Ständerhälften. Diese resultierende Drehzahl liegt im Mittel bei 1150 Umdrehungen.
Der gleiche Ständer bedingt aber gleichzeitig ein synchrones Dreh- moment, welches aus der Reaktionswirkung der gleichen Polteilung von Ständer und Läufer entsteht und bei 1000 Umdrehungen liegt. Die resultierende Drehzahl würde von sich aus zwar höher liegen, es wird jedoch während des Laufes der induzierte Läuferabschnitt bei seinem Austreten aus dem 60 -Winkel von den Polschenkeln abgefangen, da die magnetische Wirkung in diesem Läuferabschnitt noch nicht erloschen ist. Die gleiche Wirkung würde bei einem glatten Läufer ohne Polflächen ebenfalls auftreten. Hieraus ergibt sich ein gewisses negatives Moment, welches den Läufer hindert, seinen noch induzierten Pol aus dem Feld der 60 -Teilung weiter hinauszudrehen.
Ist es nun aus irgendwelchen Gründen des Verwendungszweckes wünschenswert, die resultierende asynchrone Drehzahl zu vergrössern oder zu verkleinern, so lässt sich dieses in sehr einfacher Weise mittels der Stifte 9 erzielen, die nach der Vereinigung der beiden Ständerhälften mittels der unmagnetischen Klammern 10 in die so entstehenden durchgehenden Aussparungen zwecks an sich bekannter Fixierung dieser Hälften eingeführt werden. Je nachdem, ob diese Stifte aus magnetischem oder aus nicht magnetischem Stoff bzw. ob sie nur auf einem Teil ihrer Länge aus magnetischem Stoff bestehen oder nur einen Teil der Ständerbreite ausfüllen, wird der magnetische Schluss zwischen den beiden Ständerhälften und damit das Magnetfeld der Hilfspole beeinflusst, so dass bei seiner Verstärkung das Anlaufsmoment steigt und die resultierende Drehzahl sinkt.
Der Motor ist im letzteren Falle im Anlauf stärker, im Synchronen Drehgebiet dagegen etwas schwächer geworden. Man kann zwar auch durch Veränderung des Kupferwiderstandes im Läufer eine ähnliche Wirkung erzielen, jedoch nicht im gleichen Masse und auf gleich einfache und bequeme Art.
Der oben beschriebene Ständer lässt sich sowohl für einen Asynchronmotor als auch für einen selbstanlaufenden Synchronmotor gleich vorteilhaft verwenden. Der zu letzterem gehörige Läufer ist in der Fig. 2 in einer beispielsweisen Ausführungsform dargestellt und in an sich bekannter Weise mit sechs Abflachungen versehen, so dass sechs ausgesprochen Polvorsprünge entstehen. Während man bisher die Polvorsprünge und Lücken bei synchronen Läufern stets annähernd gleich breit zu machen pflegte, haben Versuche erwiesen, dass diese Gleichheit bei kleinen Selbstanläufern mit Käfigwicklung nicht vorteilhaft ist und es wesentlich günstiger ist, wenn die Abflachungen bzw. Lücken am Läufer erheblich breiter als die Polvorsprünge gestaltet werden.
Es hat sich erwiesen, dass der Motor bei einem Verhältnis der Polbreiten am Läufer zu den Lückenbreiten von 2 : 3 die günstigsten Leistungsverhältnisse sowie einen absolut sicheren synchronen Lauf aufweist, obwohl ein relativ grosses asynchrones Drehmoment vorhanden ist, dessen Drehzahl über der synchronen Drehzahl liegt.
Ein mit diesem Teilungsverhältnis versehener Läufer kann aber niemals von selbst anlaufen, wenn die Zahl der Kupferstäbe der Käfigwicklung gemäss den bisherigen Vorschlägen etwa der Zahl der Polvorsprünge des Läufers entspricht ; der Läufer muss vielmehr am zweckmässigsten mit einer ungeraden Zahl von Kupferstäben in der Käfigwicklung versehen werden, wobei diese Zahl so zu wählen ist, dass eine gleichmässige Gewichtsverteilung im Läufer erzielt und dessen sonst unvermeidliches starkes Vibrieren vermieden wird. Bei kleineren Motoren mit der erfindungsgemässen Ständerform haben
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Bei z.
B. 15 Stäben der Käfigwicklung hat der Motor im synchronen Lauf bereits gute Eigenschaften, jedoch ist das Anlaufmoment beim stillstehenden Motor je nach der jeweiligen Winkelstellung des Läuferpolvorsprunges zum Ständerpol entweder sehr gross oder sehr klein. Dieses verschieden grosse Anlaufmoment entsteht dadurch, dass das eintretende Magnetfeld bei der geringen Anzahl von Kupferstäben wenig induktiven Widerstand findet und so der Läuferpol zwar stark angezogen aber wiederum auch beim Austreten aus dem Magnetfeld des Ständerpols stark behindert wird.
Um nun dem Motor ein einigermassen gleichmässiges Anlaufmoment zu erteilen, ist es vorteilhaft, die Anzahl der Kupferstäbe in der Käfigwicklung gegenüber der Anzahl der Polvorsprünge des Läufers möglichst gross zu machen, so dass innerhalb eines Polvorsprunges sich mehrere Kupferstäbe befinden.
Dieses ist bei kleineren Läuferdurchmessern jedoch naturgemäss nur dann möglich, wenn die Käfigwicklung in an sich bekannter Weise aus Flachstäben gebildet wird, da ja bei Rundstäben in grösserer
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Zahl der Eisenquerschnitt zwischen ihnen zu sehr geschwächt würde, anderseits die von der Käfigwicklung umschlossene Eisenmenge für die Wirkung bekanntlich von grosser Bedeutung ist. Bei Verwendung von Flachstäben für die Kupferwicklung, wie dies in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, lässt sich der grösstmögliche Eisenquerschnitt zur Wirkung bringen.
Aus der oben erwähnten Teilung von 15, 21, 27,33 usw. ergibt sich zwangläufig, dass bei einem sechspoligen Läufer die Kupferstäbe der benachbarten Pole stets um eine halbe Teilung verlagert sind, dagegen in jedem übernächsten Pol wiederum gleiche Eisen-und Kupferverhältnisse vorhanden sind, die auch eine gleiche Gewichtsverteilung im Läufer bedingen. So zeigt der sechspolige Läufer gemäss der Fig. 2 bei einer Breite der Polvorsprünge von 24 und einer Breite der Läuferabflachungen bzw. Pollücken von 36 , also bei einem Verhältnis dieser Breiten von 2 : 3, eine Teilung von 360/27 für die Käfigwicklung, so dass die Zahl der Kupferstäbe innerhalb der benachbarten Pole stets um eine halbe Teilung verlagert ist.
Die Käfigwicklung selbst besteht aus nur 21 Stäben, da es sich herausgestellt hat, dass die voll in die Abflachungen fallenden, gestrichelt angedeuteten Kupferstäbe das Anlaufverhältnis nur ungünstig beeinflussen und infolgedessen zweckmässig fortgelassen werden können.
Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Läufer ist klar erkennbar, dass bei der Teilung von 360/27 je drei im Winkel von 1200 angeordnete Pole genau gleiche Eisen-und Kupfermengen und demzufolge auch die gleichen Gewichtsverhältnisse aufweisen, die von den symmetrisch dazwischen liegenden Polen gleich verschieden sind. So findet man in den einen um 1200 gegeneinander versetzten Polen je drei, in den dazwischen liegenden je vier Kupferstäbe. Hieraus ist ersichtlich, dass der Läufer sowohl eine für die Erzielung eines möglichst gleichmässigen Anlaufmomentes erforderliche unsymmetrische Verteilung der Kupferstäbe und Eisenquerschnitte zwischen benachbarten Polen aufweist, trotzdem aber auch in seiner Gewichtsverteilung vollständig symmetrisch ist, so dass Vibrationen des Läufers vermieden sind.
Die durch die hohe Zahl der Kupferstäbe im Läufer auftretende Verschmälerung der Eisenpole innerhalb zweier benachbarter Kupferstäbe bedingt den wesentlichen Vorteil, dass an den Berührung-
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an der breitesten Stelle weiter ist, als die Eisenbreite innerhalb zweier Kupferstäbe im Läufer, wodurch das Magnetfeld bei seinem Fluss durch den Läufer zwangsweise durch die Käfigwicklung hindurchgeführt wird und somit Arbeit leisten muss.
Die Vorzüge des Motors gemäss der Erfindung sind jedoch nicht nur durch die wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades begründet, sondern auch durch seine überaus einfache und billige Aufbauweise. Bei dem Stanzen der Ständerbleche ergibt sich ein kaum nennenswerter Eisenverlust. Die Bearbeitung der einzelnen Ständerteile und ihre Fertigung ist sehr bequem, was besonders für das Wickeln und Isolieren der Spulen zutrifft. Der flache Aufbau des Motors, dessen Höhe nur etwas grösser als sein Läuferdurchmesser ist, macht den Motor als Sprechmaschinenmotor sowie auch für andere Einbauzwecke infolge seiner kleinen gedrungenen Form besonders vorteilhaft.
Der Motor eignet sich auch vorzüglich für den Antriebs von Zeitschaltwerken, wofür der Läufer gemäss der Fig. 3 bis an die Grenzen der Festigkeit mit Speichen bildenden Aussparungen 11 versehen werden kann, um so durch möglichste Gewichtsverminderung das Anlaufen sowie das Einlaufen in die synchrone Geschwindigkeit zu beschleunigen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Selbstanlaufender Einphasen-Wechselstrom-Synchronmotor, dessen synchrone Betriebsdrehzahl unter der asynchronen Leerlaufdrehzahl liegt, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Motor mit einer einem sechspolig ausgeführten Motor entsprechenden synchronen Drehzahl ein Ständer vorgesehen ist, dessen vier gleich starke ausgesprochen Pole in Haupt-und Hilfspole unterteilt und die Hauptpole in ungleichen Winkelabständen von 600 und 1200 mit wechselnder Polarität angeordnet sind und zwei Drehfelder verschiedener Geschwindigkeit erzeugen, welche auf einen mit sechs Polvorsprüngen und einer Käfigwicklung versehenen Läufer derart einwirken, dass aus den zwei ver- schiedenen Drehfeldern sich eine dritte,
etwas über der dem kleineren Winkelabstand und der Läufer- teilung entsprechenden synchronen Drehzahl liegende asynchrone Drehzahl ergibt.