<Desc/Clms Page number 1>
Asynchron-Käfigläufermotor mit Schlupfverlustregelung
Drehzahlverstellbare elektrische Antriebe lassen sich im allgemeinen nur mit elektrischen Maschinen verwirklichen, die entweder mit Kommutator bzw. Schleifringen behaftet sind, oder durch schleifkontaktlose Maschinen, die von einem Ventilumrichter mit veränderlicher Frequenz und Spannung gespeist werden. Zur ersten Gattung gehören Gleichstrommaschinen, Drehstromkommutatormaschinen, Scherbius-Regelsätze aber auch asynchrone Schleifringläufermotoren, deren Drehzahl durch die Einschaltung von Schlupfwiderständen verändert wird u. dgl.
Zur zweiten Gattung gehören umrichtergespeiste Synchron-oder Asynchronmotoren, wobei die erstgenannten gelegentlich als kommutatorlose Gleichstrommaschinen bezeichnet werden.
Die empfindlichsten und teilweise verschleissbehafteten Elemente der genannten Antriebe sind Kommutator, Schleifringe, Ventile. Die kurzzeitige überlastbarkeit dieser Elemente ist weit geringer als etwa die kurzzeitige überlastbarkeit von Wicklungen. Es hat daher von Anfang an der Wunsch bestanden, schleifkontakt- und venti1lose Antriebe zu entwickeln, die betriebssicher und anspruchsloser in der Wartung sein würden als die bekannten Antriebe. Die Bemühungen, einen verlustlos drehzahlverstellbaren Antrieb dieser Art zu finden, scheiterten jedoch an der offenbar grundsätzlichen Unmöglichkeit.
Weitere Versuche, Antriebe mit den oben angeführten Eigenschaften zu entwickeln, beschränkten sich in er Folge darauf, die Anlaufeigenschaften des Drehstrom-Asynchronmotors mit Käfigläufer so zu verbessern, dass man in den meisten Fällen auf den schleifkontaktbehafteten, mit Anlasswiderstand versehenen Schleifringläufer verzichten konnte.
Bekannte Lösungen in dieser Richtung sind Motoren mit Stromverdrängungsläufer und Mehrfachkäfigläufer, ferner Doppelständermotoren mit den verschiedensten Ausführungsformen, z. B. nach Boucherot, Bradley, Bruncken (vgl. Bödefeld-Sequenz : Elektrische Maschinen [1962], S. 245/246, 248 bis 253, ferner die Schweizer Patentschriften Nr. 15240 und Nr. 249489).
Ein verbindendes Merkmal aller vorgenannten Doppelständermotoren ist ein gemeinsamer Käfig mit durchgehenden Stäben, die an den beiden äusseren Enden durch Kurzschlussringe miteinander verbunden sind ; bei einigen Ausführungen (Boucherot) kommen zusätzlich noch Widerstandsverbindungen in der Mitte hinzu.
Gegenstand der Erfindung ist ein besonderer Asynchronmotor, dessen Schlupf stufenlos ohne Schleifkontakte verändert werden kann. Die Schlupfleistung wird dabei in der Käfigwicklung in Wärme umgesetzt. Ein solcher Antrieb wird vorteilhaft dort eingesetzt werden, wo eine Drehzahländerung relativ selten erfolgen muss, während der Antrieb in der übrigen Betriebszeit mit konstanter, höchster Drehzahl läuft. Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind ferner Antriebe mit quadratischem Gegenmoment.
EMI1.1
lediglich an den beiden äusseren Enden mit Kurzschlussringen versehene Käfigwicklung, deren auf den Ständer reduzierter Widerstand mindestens doppelt so hoch ist wie jener der Ständerwicklung selbst.
Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Antrieb besteht aus einem gemeinsamen Käfigläufer-3--, der in einem festen Drehstromständer--l--und einem verdrehbaren Drehstromständer-2-eingebaut ist (Fig. 1).
<Desc/Clms Page number 2>
Beide Ständerwicklungen --5 und 6-haben einen normalen Aufbau und sind für die volle Netzspannung bemessen, an die sie parallel angeschlossen sind. Die Querschnitte der Ständer-und Käfigleiter sind jedoch so gewählt, dass auf den Stator z. B. nur 1/4, auf den Rotor jedoch 3/4 der gesamten Kupferverluste entfallen. Im allgemeinen ist dieses Verhältnis etwa 1 : 1.
Decken sich die Wicklungsachsen beider Statoren, arbeitet der Motor wie ein gewöhnlicher Asynchron-Doppelmotor. Stehen die Wicklungsachsen durch Verdrehung eines Stators in Opposition, ist die Summe der in den Käfigstäben induzierten Spannung null ; der Motor verhält sich wie ein Asynchronmotor mit offenen Schleifringen.
In den Zwischenstellungen nimmt der Motor bei Belastung einen Strom mit mehr oder weniger hohem Blindanteil auf. Mit zunehmender Abweichung von der Deckungsstellung der Wicklungsachsen wird bei gleichbleibendem Gegenmoment der Läuferstrom grösser, damit auch die Kupferverluste in der Käfigwicklung mit ihrem relativ hohen Widerstand und damit auch der Schlupf. Um die Käfigwärme abzuführen, muss daher eine besondere, verstärkte Belüftung und Ausbildung von Kern und Wicklung vorgesehen werden, wie es etwa in Fig. l angedeutet ist.
Durch die gering gehaltenen Statorverluste kann die Statorwicklungstemperatur trotz Aufheizung vom Rotor her in zulässigen Grenzen gehalten werden.
Ein wesentlicher Vorteil der vorstehend beschriebenen Erfindung ist es, dass keine getrennt aufgestellten Schlupfwiderstände benötigt werden, sondern die Verlustwärme durch einen künstlich erhöhten (Blind-)-Strom in der besonders bemessenen Käfigwicklung selbst erzeugt und durch die Maschinenlüftung abgeführt wird.
Vorteilhaft gegenüber getrennt aufgestellten Schlupfwiderständen ist ferner die stufenlose Einstellbarkeit der Drehzahl. Darüber hinaus vermeidet die erfindungsgemässe Anordnung sowohl die Widerstandsverbindungen in der Mitte als auch den zusätzlichen Käfig gemäss Schweizer Patentschrift Nr. 249489. Im Gegensatz zur Ausführung von Boucherot entsteht die Schlupfwärme bei der Erfindung in der ganzen Käfigwicklung, die daher niemals so hohe Temperaturen annehmen wird wie die vorerwähnten, konzentrierten Widerstandselemente, in denen der Grossteil der Schlupfwärme beim Boucherotmotor entsteht.
Mit der Verdrehung des Stators geht naturgemäss auch das Anlauf-und Kippmoment zurück, so dass sich für verschiedene Einstellungen eine Schar von Drehzahlmomentenkennlinien gemäss Fig. 2 ergibt, ähnlich wie bei Änderung der Speisespannung. Aus dieser Kennlinienschar erkennt man, dass eine Drehzahlregelung bei konstantem Gegenmoment nur in beschränktem Umfang möglich ist. Anders ist es bei quadratischem Gegenmoment etwa eines Zentrifugallüfters. Beim Zusammenwirken mit einem solchen Ventilator stellen sich stabile Drehzahlen auch im sogenannten instabilen Bereich des Motors ein ; Drehzahlverstellung wird also in weitem Bereich möglich.
Die Drehzahlkonstanthaltung bei dem vorstehend beschriebenen Motor erfordert wegen der schleifenden Schnittpunkte unter Umständen eine Regelung, deren Stellglied die Verdreheinrichtung - 7 und 8-des einen Ständers ist. Es ist auch ein Betrieb mit konstantem Gegenmoment möglich, wenn der Motor durch eine schnelle Regelung künstlich stabilisiert wird. Zu diesem Zweck ist das schon erwähnte Stellglied durch ein massenträgheitsloses Feinstellglied-9-zu ergänzen. Ein solches kann z. B. eine gleichstromvormagnetisierte Drossel in einem der beiden Ständerkreise sein.
Die Verdrehung des einen Ständers wird nach Fig. l durch einen bzw. zwei Zahnkränze --7 und 8--, zwei bzw. vier Schnecken und zwei bzw. vier Stellmotoren--10 und 11-vorgenommen. Da der Ständer in der Ruhelage ohne Spiel festsitzen muss (Vermeidung von Geräusch), ist beim Abschalten der Stellmotoren die Abschaltung eines Motors früher einzuleiten als jene des andern. Auf diese Weise zieht der später auslaufende Motor den Ständer automatisch in seiner Zentrierung durch einseitiges Anpressen fest. Denselben Effekt erzielt man erfindungsgemäss auch dann, wenn eine der beiden Schnecken von einem Stopmotor angetrieben wird.