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Einphasenwechselstrom-Motor, insbesondere für Betriebsströme höherer Frequenz
Die Erfindung bezieht sich auf einen Einphasenwechselstrom-Motor, insbesondere für Betriebsströme höherer Frequenz mit wenigstens zwei Wechselfeldpolen und einem Läufer, in dessen Leiterkreisen, die
Gleichrichterventile enthalten, die von dem Wechselfeld induzierten Ströme pulsierend fliessen.
Die bekannten Elektromotoren lassen sich grob in zwei Gruppen, u. zw. in Drehfeldmaschinen und Kommutatormaschinen einteilen. Drehfeldmaschinen arbeiten ohne Stromwendung und können bei einem Verzicht auf Schleifringe ohne jeglichen galvanischen Kontakt mit dem Läufer betrieben werden. Vertreter derartiger Maschinen sind der Induktionsmotor mit Kurzschlussläufer und der Synchron-Motor mit permanent-magnetischem Läufer. Diese Motoren zeichnen sich durch ihre Kontaktfreiheit und Robustheit aus, sie haben jedoch ein schlechtes Anlaufverhalten und sind nur mangelhaft in ihrer Drehzahl regelbar. Ihre Drehzahl hängt in erster Linie von der Frequenz des Betriebsstromes ab.
Kommutatormaschinen liefern ein hohes Drehmoment beim Anlauf, sind gut drehzahlregelbar und können ausserdem einphasig betrieben werden. Die Kommutierung bereitet bei diesen Maschinen, insbesondere wenn es sich um Maschinen grosser Leistung mit Wechselstromspeisung handelt, grosse Schwierigkeiten und bringt Nachteile mit sich, zu denen die Kommutatorkurzschlussverluste, das Bürstenfeuer und der damit verbundene Verschleiss, die Verschmutzung der Polwendestege und die Beschränkung auf niedrige Betriebsspannungen zählen.
Es besteht das Bestreben, einen Motor zu schaffen, der sowohl die Vorteile der Drehfeldmaschinen als auch die der Kommutatormaschinen aufweist.
Es ist bekannt, bei einem Maschinenverstärker in die Läuferwicklung eines fremd angetriebenen Generators Gleichrichterventile einzuschalten.
Die von einem Ständer-Drehfeld im Läufer induzierten Ströme werden auf diese Weise gleichgerichtet und wirken auf den Ständer zurück, wobei sie wieder ein Drehfeld erzeugen, das schliesslich gleichgerichtet zum Speisen eines Verbrauchers dient. Als Antriebsmotor ist eine solche Anordnung nicht verwendbar.
Weiterhin ist eine Unipolar-Maschine bekannt, bei der der aus einer Läuferschleife abgeführte Strom mittels eines Gleichrichters gleichgerichtet wird. Die beschriebene Anordnung führt aber nicht zu einem funktionsfähigen Motor.
Schliesslich ist noch eine Anlaufregelung für Synchronmaschinen bekannt. Bei dieser Regelung wird die Läuferwicklung, solange der Motor anläuft und den Synchronismus noch nicht erreicht hat, kurzgeschlossen (asynchroner Anlauf) und danach durch Gleichrichterventile gespeist (synchroner Lauf). Eine Drehzahlregelung ist mit der bekannten Konstruktion aber nicht möglich.
Die angestrebte, vorteilhafte Kombination ist bei einem Einphasenwechselstrommotor, insbesondere für Betriebsströme höherer Frequenz mit wenigstens zwei Wechselfeldpolen und einem Läufer, in dessen Leiterkreisen, die Gleichrichterventile enthalten, die von einem Wechselfeld induzierten Ströme pulsie-
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sinn zu drehen. Sobald der Leiter 3 sich dann in der Pollücke befindet und noch nicht vor den S-Pol gelangt ist, vor dem er einer rückdrehenden Kraft ausgesetzt ist, wird der Läuferstrom abgeschaltet. Wegen der in ihm gespeicherten kinetischen Energie dreht sich der Läufer dann ohne antreibendes Moment weiter bis der Leiter 3 auch die zweite Pollücke hinter dem S-Pol wieder durchquert hat.
In diesem Augenblick wird der Strom wieder eingeschaltet ; damit erhält die Leiterschleife ein beschleunigendes
Moment in der ursprünglichen Richtung. Dieses Ein- und Ausschalten kann beispielsweise durch Schleifringe erfolgen, die nur längs des halben Umfanges leitend sind.
Von diesem Prinzip der intermittierenden Speisung wird bei dem Motor nach der Erfindung ausgegangen, wobei allerdings auch auf Schleifringe verzichtet wird. Der Verzicht auf Schleifrinde macht es erforderlich, von der galvanischen Läuferspeisung zur induktiven Läuferspeisung überzugehen. Im Ständer sind zu diesem Zweck ausser dem N- und dem S-Pol noch Wechselfeldpole Wl, W2 diametral einander gegenüber angeordnet, zwischen denen ein magnetisches Wechselfeld wirksam ist. Dieses Wechselfeld induziert in der zunächst als kurzgeschlossen angenommenen Leiterschleife 1 eine Wechselspannung.
In dieser Form ist die Anordnung aber als Motor noch unbrauchbar, da der Strom in der Leiterschleife seine Richtung periodisch ändert und damit auch die mit 7 angedeutete Drehkraft ständig ihre Richtung ändert. Die Schleife wird mithin vibrieren.
Durch das Einfügen eines Gleichrichterventils 7 in die kurzgeschlossene Leiterschleife (Fig. 2) ist die Stromrichtung festgelegt. Aus dem die Leiterschleife 1 durchfliessenden Wechselstrom wird auf diese Weise nämlich ein pulsierender Gleichstrom : entsprechend treten pulsierende Kräfte 7 auf, die bei der zuvor beschriebenen Polung der Ströme mittels des Gleichrichters dem Läufer ein einheitliches Drehmoment entgegen dem Uhrzeigersinn verleihen. Dieser Anordnung nach Fig. 2, die abgesehen von den pulsierenden Strömen, Kräften und Drehmomenten nach dem gleichen Prinzip arbeitet, wie die Anordnung nach Fig. l, fehlt jedoch eine geeignete Ein-und Ausschaltung des Lauferstromes, je nachdem, ob die Läuferleiter sich gerade vor den Polen befinden, in denen sie stromlos oder stromdurchflossen sein sollen.
Dieses Ein- und Ausschalten wird bei der Motorausbildung nach Fig. 3 durch eine variable, von der jeweiligen Lage einer Schleife zu den Wechselfeldpolen abhängenden Kupplung zwischen der Schleife l und dem Wechselfeld erreicht.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Motor nach der Erfindung ist der Läuferumfang in acht gleiche Teillängen zu 1r/4 aufgeteilt. Jeder dieser Teillängen ist ein Pol zugeordnet. Zu diesen Polen zählen die
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deren Wirkungsweise später noch erläutert wird. Auf dem Läufer sind mindestens acht gesehnte Wicklungen angebracht, die über je ein Gleichrichterventil, vorzugsweise eine Diode, geschlossen sind. Die Wicklungsbreite der einzelnen Wicklungen ist dabei gleich zwei äusseren Polbreiten.
Wenn der obere Wechselfeldpol WI ein N-Pol und der untere Wechselfeldpol W2 ein S-Pol ist, dann ergibt sich die aus Fig. 4 ersichtliche Feldverteilung zwischen dem Ständer und dem Läufer. Für die
Zeit, für die zwischen den Wechselfeldpolen Wl, W2 kein Wechselfeld liegt, ergibt sich eine Feldverteilung nach Fig. 5. Ist der Wechselfeldpol Wl schliesslich ein S-Pol und der Wechselfeldpol W2 ein N-Pol, dann entspricht die Feldverteilung der Darstellung nach Fig. 6.
Wird angenommen, dass sich im Läufer zunächst nur eine Leiterschleife 1 befindet, dann ergeben sich bei der weiteren Annahme, dass der Läufer sich nur sehr langsam dreht, die in den Fig. 7 - 11 angegebenen motorischen Effekte. In Fig. 7 ist die Leiterschleife 1 voll mit dem magnetischen Wechselfluss durch die Pole Wl, W2 verkettet. Es fliesst deshalb in der Diodendurchlassrichtung der maximale Kurzschlussstrom. Da sich nach Fig. 7 der Läuferleiter 3 vor dem Pol N1 und der Läuferleiter 5 vor dem Pol S2 befinden, wirken auf die Leiterschleife die mit den Pfeilen 7 angegebenen Kräfte, die den Läufer in Bewegung setzen.
Nach einer aus Fig. 8 zu erkennenden Drehung der Leiterschleife um 450 haben sich die Läuferleiter 3 und 5 aus den Gleichfeldpolbereichen herausgedreht ; auf die Läuferleiter wirken deshalb keine antreibenden Kräfte mehr. Der Läufer dreht sich jedoch weiter, da inzwischen andere, der Einfachheit halber in den Fig. 7-11 nicht dargestellte, weitere Läuferleiter anderer Leiterschleifen in die für sie wirksamen Polbereiche hineingedreht worden sind und nunmehr ein antreibendes Moment erfahren.
Die Verkettung der Leiterschleife 1 mit dem Wechselfeld nimmt mit weiterer Drehung de4 Läufers um 450 allmählich bis auf Null ab (Fig. 9), so dass beim Einlaufen der Leiter 3 und 5 in die für sie verbotene Zone, in der sie ein entgegengesetztes Moment erfahren würden, in den Leitern kein Strom fliesst und auf die Leiter mithin auch keine zurücktreibende Kraft einwirken kann. Nach dem Durchlaufen der verbotenen Zone (Fig. 10) nimmt die Verkettung der Leiterschleife 1 mit dem Wechselfeld wieder zu,
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so dass bei dem Eintritt in die zweite Arbeitsphase, wobei der Leiter 3 vor dem Pol N2 und der Leiter 5 vor dem Pol SI liegt, die Leiterschleife wieder das volle Drehmoment erfährt (Fig. 11).
Bei der schnellen Drehung des Läufers treten zu den geschilderten motorischen Effekten noch die generatorischen Effekte. Von den Gleichfeldpolen Nl und S2 wird in den Läuferleitem 3 und 5 näm-
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aus in derLeiterschleife induzierteWechselspannung grösser als die Schnittspannung bleibt. Auf diese Wei- se wird sich, ähnlich wie bei einem Gleichstromnebenschlussmotor, eine Leerlaufdrehzahl einstellen, bei der die Schnittspannung (Gegenspannung) nahezu gleich der Wechselspannung ist und bei der nur ein geringer Wechselspannungsüberschuss vorhanden ist, der die Verluste im unbelasteten Motor deckt. Hat sich die Leiterschleife aus der in Fig. 8 dargestellten Lage herausgedreht, dann kann in den Leitern 3 und 5 keis Gegenspannungmehr induziert werden.
Die Verkettung mit den Wechselfeldpolen Wl, W2 nimmt zwar ebenfalls ab ; sie ist aber noch vorhanden und führt zu einem Ansteigen der Streuinduktivität der Leiterschleife 1. Der bis zu der Leiterstellung nach Fig. 9 noch durch die Leiterschleife fliessende pulsierende Gleichstrom baut damit ein magnetisches Feld auf und vermeidet das Entstehen von Wärmeverlusten.
Gelangen die Läuferleiter in die aus Fig. 9 zu erkennende für sie verbotene Zone, dann wird in ihnen von den Gleichfeldpolen N1 und SI erneut eine Schnittspannung induziert, die diesmal jedoch in Diodendurchlassrichtung gepolt ist. Der hiebei entstehende ohmsche Strom würde warmeverluste verur- sachen, wenn nicht dafür gesorgt wäre, dass die Wicklung weiterhin induktiv bleibt und ein eigenes Magnetfeld aufbauen kann. Dieser Magnetfeldaufbau wird ermöglicht durch die Anbringung der Leerpole
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eisen 12 bis in die unmittelbare Nähe des Läufereisens geführt ist.
Alle Wicklungen, die zur gleichen Zeit ausserhalb ihrer Arbeitsphasen sind, erzeugen Flüsse 11, die in das Läuferinnere gerichtet sind. Diese Flüsse würden sich gegenseitig aufheben, wenn sie nicht einzeln über die am Läufereisen liegenden Schenkel 13 der Leerpole Ll, L2 mit dem Läufercisen
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Der sich aus der Schutzmassnahme gegenüber den Wärmeverlusten ergebende Motoraufbau hat den zusätzlichen Vorteil, dass die ausserhalb der Arbeitsphasen in den Leiterschleifen erzeugte Energieals magnetische Energie gespeichert und beim Wiedereintritt in die Arbeitsphasen zum Antrieb zur Verfügung steht.
Die Fig. 14 und 15 zeigen weitere Leiterstellungen bei fortdauernder Läuferdrehung, aus denen deut-' lich zu erkennen ist, wie der Aufbau des Streuflusses 11 über den Leerpol Ll ansteigt, seinen Höhepunkt durchläuft und allmählich wieder abfällt.
Die Fig. 16 und 17 zeigen schliesslich eine konstruktive Ausführungsform des Motors nach der Erfindung. Der Ständer 15 des Motors. ist dabei mit sechs Polen, u. zw. zwei Wechselpolen Wl, W2 und vierGleichfeldpolen N1, Sl und N2, S2 versehen. Während auf die Wechselfeldpole W1, W2 Wech- selstrom-Wicklungen 17 aufgebracht sind, sind die Gleichfeldpole mit Gleichstromwicklungen 19 versehen. Diese Wicklungen 19 können jedoch auch durch Permanentmagnete ersetzt werden, die in die Pole eingebaut sind. Ausserdem enthält der Ständer 15 noch die Leerpole LI und L2, die über die Schenkel 13 an der Unterseite des Motors an die Läuferachse herangeführt sind. In die Nuten 21 des Läufers sind die gesehnten Läuferwicklungen 1 eingelegt.
Während durch Ausnehmungen in dem vorzugsweise aus Ferrit bestehenden Läufer 23 auf der Unterseite des Läufers der Wickelkopf 25 in den Läufer 21 hinein verlegt ist, so dass die Schenkel 13 möglichst nahe an die untere Läuferstirnfläche herankommen, befindet sich der obere Wickelkopf 27 ausserhalb des Läufers 23. An diesem Wickelkopf 27 sind auch die Dioden 9 angeordnet, die in die einzelnen Wicklungen eingeschaltet sind. Der Motor nach den Fig. 16 und 17 ist mit acht Dioden und mithin auch mit acht in sich geschlossenen Wicklungen versehen.
Das Prinzip des Motors ist vereinfacht in einem elektromechanischen Wandler zu sehen, dem elektrische Energie auf der Eingangsseite zugeführt wird und der auf der Ausgangsseite mechanische Energie abgibt. Die von der elektrischen Energie in Umlauf gesetzte Welle des Motors wirkt dabei auf die Eingangseite zurück und steuert den Motor wie bei einer Kommutatormaschine, ohne dass der Motor tatsächlich einen mechanischen Kommutator aufweist.