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Eurzschlussanker für Drehfeld-Asynchronmotoren.
Asynchrone Induktionsmotoren, deren Schaltung für Drehstrombetrieb z. B. in Fig. 1 dargestellt ist, zeigen bekanntlich eine Abhängigkeit des Drehmomentes von der Drehzahl, die für den normalen Betrieb durch die stark gezeichnete Kurve der Fig. 2 dargestellt ist. Das Drehmoment D steigt bei Abweichung der Drehzahlen vom Synchronismus anfangs proportional der Schlüpfung s an, erreicht jedoch bald einen maximalen Wert, das sogenannte Kippmoment, jenseits dessen es mit zunehmender Schlüpfung wieder geringer wird.
Durch Einschalten von Widerstand in den Sekundärkreis des Motors, den man dazu über Schleifringe nach aussen führen muss, kann man bekanntlich das Kippmoment auf immer kleinere und kleinere Drehzahlen verlegen, so wie es in den dünn ausgezogenen Kurven der Fig. 2 dargestellt ist. Durch Regulierung dieses Widerstandes ist man daher imstande, den Motor mit beliebigem Drehmoment zu steuern, z. B. vom Ruhezustand aus anzulassen ; man muss dabei zur Erzielung einer geringen Schlüpfung im Betriebe und um unnötige Energieverluste im Widerstande zu vermeiden, den Anlasser entsprechend dem Hochlaufen des Motors sukzessive ausschalten.
Wünscht man für irgendeinen Steuervorgang, dass der Motor in dem ganzen Bereich unterhalb der höchsten Drehzahl, die seinem Kippmoment entspricht, stets sein grösstmögliches konstant bleibendes Drehmoment entwickelt, so muss man den Widerstand des gesamten Sekundärkreises des Motors stetig oder in ganz kleinen Sprüngen mitregulieren, u. zw. stets proportional der jeweiligen Schlüpfung. Die dicke Kurve r in Fig. 3 stellt diese Abhängigkeit des Rotorwiderstandes von der Drehzahl dar, die zugehörige Drehmomentskurve d ist in Fig. 2 dickgestrichelt eingetragen.
Soll der Motor nicht mit seinem maximalen, sondern mit einem andern Momente anlaufen, so darf man den Widerstand grösser oder kleiner wählen. Man erhält z. B. mit einem sukzessive verringerten Widerstand, der entsprechend der dünnen Kurve f1 oder f2 der Fig. 3 mit zunehmender Tourenzahl vermindert wird, die dünngestrichelte Drehmomentskurve d1 oder d2 der Fig. 2. In der Nähe der synchronen Drehzahl lässt sich der Gesamtwiderstand des Rotorkreises naturgemäss nicht auf Null vermindern, sondern es bleibt als Rest der innere Widerstand o der Läuferwicklung, der ja gerade die normale Schlüpfung des Motors bewirkt. In den Fig. 2 und 3 ist dies berücksichtigt.
Diese Unmöglichkeit des Asynchronmotors ohne Einschalten äusserer Widerstände mit erheblichem Momente anlaufen zu können, ist bekanntlich ein grosser Nachteil desselben, da sie die Notwendigkeit von Schleifringen und von äusseren Schaltapparaten undWiderständen im Rotorkreise bedingt. Nur in seltenen Fällen kann man sich mit dem geringen Anlaufmoment begnügen, das ein Rotor ohne äusseren Widerstand entsprechend der dicken Kurve der Fig. 2 im Anfahrzustand entwickelt. Auch dann ist man meistens gezwungen, den inneren Rotorwiderstand grösser auszuführen, als es mit Rücksicht auf den normalen Betrieb wünschenswert wäre, um wenigstens ein einigermassen erhebliches Anfahrmoment zu erreichen.
Es sind vielfach Vorschläge gemacht und ausgeführt, den aussen liegenden Anfahrwiderstand und die Schleifringe des Motors zu vermeiden, indem man die Widerstände und ihre Betätigungsschalter in den Rotor hinein verlegte oder indem man den wirksamen Rotorwiderstand durch Gegeneinanderschalten verschiedener Wicklungsteile zu vermehren suchte. Man hat auch vorgeschlagen, den Läufer mit mehreren Wicklungen zu versehen, deren eine mit geringem Widerstand für den normalen Betrieb dienen sollte, deren andere mit sehr viel höherem Widerstand das Anfa. hrmoment liefern sollte.
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Die zuerst genannten Lösungen des Anlaufproblems erreichen jedoch alle nicht entfernt die Ein- fachheitdesfür dennormalen Bgtrieb ausreichenden und am besten wirkenden Käfigrotors als Sekundärteil des Asynchronmotors. Die an zweiter Stelle genannten Lösungen bewirkten in den Fällen, in denen sie wirklich ausgeführt wurden, eine erhebliche Verschlechterung des normalen Betriebszustandes des Motors,
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Masse abhängig sind.
Schliesslich wurde auch vorgeschlagen, wenigstens eine gewisse Vereinfachung für das Anlaufen von Asynchronmotoren dadurch zu erzielen, dass man die äusseren Anfahrwiderstände nicht von Hand, sondern selbsttätig veränderlich machte, z. B. durch Benutzung der bekannten Widerstandsvergösserung metallischer Leiter mit zunehmender Erwärmung, also unter Stromdurchfluss, oder durch Anwendung des bekannten Skineffektes, der den Widerstand der Leiter bei höherer Frequenz vergrössert. Die einfache Bauart des Käfigrotors liess sich für diese Konstruktionen ebenfalls nicht verwenden.
Es ist nun auch vorgeschlagen worden, Asynchronmotoren mit beliebig grossem Drehmoment dadurch zu steuern, dass der Ohmsche Widerstand der zur Erzeugung des normalen Drehmomentes notwendigen Ankerleiter bei erheblichen Abweichungen von der synchronen Drehzahl durch Nutenstromverdrängung künstlich vergrössert wird.
Ein derartiger Motor lässt sich alsdann ohne Schleifringe und ohne alle äusseren Steuerwiderstände und Kontakte bauen. Er lässt sich weiterhin in der für die Praxis einfachsten und betriebssichersten Weise als Käfigrotor mit einfachen, äusseren Schlussringen ausführen. In Fig. 4 ist die Abhängigkeit des Ohmschen Wechselstromwiderstandes verschiedener Nutenleiter von der Sekundärfrequenz oder Schlüpfung eingezeichnet, die vom Synchronpunkt aus entgegengesetzt der Drehzahl n zu messen ist.
Man erkennt, dass der Verlauf des durch kräftige Nutenstromverdrängung vergrösserten Widerstandes sich je nach der Bauart dem gewünschten Verlauf nach Fig. 3 recht gut anschmiegt, indem der Widerstand be@ kleinen Schlüpfungen in einem erheblichen Bereich unverändert bleibt, dagegen bei grossen Schlüpfungen sehr stark ansteigt.
Für Drehfeldmotoren, die den heute üblichen Anforderungen hinsichtlich Überlastungsfähigkeit und normaler Schlüpfung entsprechen sollen, soll nun der Rot'jrwiderstand im Anfahrzustande ein ziemlich hohes Vielfaches des normalen Widerstandes sein, und zwar soll er von sehr kleinen Motoren bis
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Nun ist in Fig. 5 die Widerstandsvergrösserung durch Nutenstromverdrängung für einen mittelgrossen Käfigrotor, u. zw. mit rechteckigem Stabquersehnitt ziffermässig eingetragen, die bereits grösser ist als bei rundem Querschnitt. Es ist ausserdem gutleitendes Kupfer, sehr geringe Isolationsstärke und eine Betriehsfrequenz von 50 Per/sec angenommen, was alles auf möglichst grosse Stromverdrängung hinzielt.
Schliesslich ist eine Stabtiefe von 3 cm angenommen, die wohl das äusserste praktisch bisher für Käfiganker angewandte Mass darstellen wird.
Man sieht aus den eingetragenen Ziffern, dass die Widerstandsvergrösserung selbst in diesem extremen, absichtlich günstig gewählten Falle auch nicht entfernt das Mass erreicht. das zu dem oben geschilderten Betriebe notwendig ist. Anstatt des etwa 15fachen Widerstandes erhält man nur den 3fachen. Diese Zahlen verschlechtern sich noch weiter, wenn man, wie üblich, den Widerstand der Schlussringe recht gross macht, so dass die Vergrösserung in den Stäben nur relativ wenig ausmacht.
Schon bei 2faehem Ringwiderstand erhält man in dem Beispiel nur noch die gestrichelt dargestellte
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Anfahrmoment entwickeln. Hiefür ist es vielmehr erforderlich, die Stromverdrängung künstlich zu vergrössern.
Das einfachste Mittel dafür ist die Anwendung einer grösseren Stabhöhe. Man würde beispielsweise
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bei diesen lassen sich jedoch derart tiefe Nuten nicht mehr unterbringen. Für grössere Motoren müsste man die Stabhöhe noch ganz ausserordentlich viel grösser wählen, für 15fachen Widerstand z. B. 15 cm tief, was auch dort zu Schwierigkeiten im Aufbau führen kann.
Ein besseres Mittel zur Vergrösserung der Stromverdrängung ist die Anwendung von mehr als einem Leiter in jeder Nut. Diese Leiter müssen nun so angeordnet werden, beispielsweise durch Serienschaltung, dass diejenige Verteilung der Ströme auf die einzelnen Leiter, die bei niederen Frequenzen vorhanden ist, auch bei hohen Frequenzen erhalten bleibt.
Aufgabe der Erfindung ist nun die Erzielung möglichst günstiger Abmessungen der Leiter, um eine möglichst hohe Widerstandsvermehrung durch Stromverdrängung bei Anlauf zu erzielen, die eingehende
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2 und 2'5 gewählt wird. Die Erläuterung dieses Begriffes soll an späterer Stelle folgen. Zunächst ist festzustellen, dass im Gegensatz zu vielfach herrschenden Ansichten die Grösse desWechseIstromwiderstandps. nämlich bei erheblicher Stromverdrängung durch die Unterteilung der Nutenleiter. zunächst nicht ver-
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mindert, sondern erheblich verstärkt wird. Erst bei sehr starker Unterteilung der Leiter tritt eine Verminderung des Wechselstromwiderstandes, auf die man bei andern Aufgaben meist hinzielt, in erheblichem Masse ein.
Beispielsweise erhält man bei einer gesamten Kupferhöhe der Nuten von 8 cm, die sich bei grossen Motoren noch ausführen lässt, bei Anwendung eines einzigen Leiters eine Widerstandsvergrösserung nur auf das zirka 8lathe, während man bei Anwendung der günstigsten Zahl von vier Leitern übereinander in der Nut den knapp 20fachen Widerstand im Anlaufmomente erreicht. Diese Stärke der Wider-
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dass es für jeden gewünschten Wert des Widerstandsverhältnisses eine bestimmte minimale numerische Nutentiefe gibt, unterhalb welcher dieser Wert nicht erzielbar ist.
Will man beispielsweise eine Widerstandsvermehrung um das 14fache erreichen, so muss man bei einem einheitlichen Stab (m = 1) eine numerische Nutentiefe = 14 anwenden ; bei 2 einen Nutenleiter bildenden Stäben übereinander (m = 2) beträgt dann die numerische Nutentiefe ungefähr 9, bei 3 Stäben 6#7, bei 4 Stäben 6#9, bei 5 Stäben 7'4, bei 6 Stäben 8-1, bei 7 Stäben 9'2 und bei 8 Stäben 10#4 ; die minimale numerische Nutentiefe beträgt hier 6'7. Um kein Material zu verschwenden, soll der Erfindung gemäss jeweils die minimale numerische
Nutentiefe angewendet werden.
Ihre Abhängigkeit vom gewünschten Widerstandsverhältnis ist in Fig. 6 durch die gestrichelte Kurve (die Hüllkurve der für veränderlichen Parameter m erhaltenen Kurvenschar) dargestellt. Dividiert man diese minimale numerische Nutentiefe durch die Zahl m der Teilleiter, so erhält man die Regel, dass jeder Teilleiter eine numerische Stabhöhe # von zirka 2'1 besitzen soll, ziemlich unabhängig von der Zahl der Teilleiter. Naturgemäss braucht dieser Wert von 2'1 nicht genau eingehalten zu werden. Es werden sich überhaupt brauchbare Verhältnisse ergeben, wenn die numerische Stabhöhe zwischen 2 und 2'5 liegt.
Es soll also der Erfindung gemäss die Anordnung zum Steuern von Drehfeld- asynchronmotoren mit Kurzschlussankern, bei denen die für das normale Drehmoment wirksamen Anker- leiter zu mehreren übereinander in Nuten liegen und durch die Wirkung der Nutenstromverdrängung einen vermehrten Widerstand bei grossen Sehlüpfungen besitzen, so getroffen werden, dass eine numerische
Stabhöhe der Teilleiter zwischen 2 und 2'5 gewählt wird, mit anderen Worten die Anzahl der Teilleiter pro Nut den 2-bis 2'5fachen Teil der für die gewünschte Widerstandsvermehrung kleinsten durch die oben genannte Formel (III) mit der wirklichen Gesamtleiterhöhe zusammenhängenden numerischen
Nutentiefe beträgt.
Da sich die Nutentiefe bei Wahl der hier geschilderten Verhältnisse zur selbsttätigen Erzielung grosser Anfahr-und Steuermomente meist wesentlich grösser ergibt, als man sie bisher ausgeführt hat, so ist es zweckmässig, zur Vermeidung von Kupferverschwendung die Breite der Stäbe in den Nuten
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beliebiger Ausbildung der Stimverbindung, in Spulen-, Gittermantel-oder Evolventenform. Alle Teilleiter einer Nut lassen sich dann auf gewohnte Weise in Serie schalten.
Es ist aber auch möglich, den Rotor als Käfiganker auszuführen, dadurch, dass man die Teilleiter jeder Nut an den Enden verbindet und alle Nutenleiter an jeder Seite durch einen Ring kurzschliesst.
Damit aber auch dann die Verteilung der Ströme auf die Teilleiter jeder Nut bei beliebigen Frequenzen gleichbleibt, ist es erforderlich, die Teilleiter zu verdrillen, so dass in allen durch das Nutenfeld mögliehst gleich elektromotorische Kräfte induziert werden. Es ist bereits vielfach vorgeschlagen und ausgeführt, derartige Verdrillungen, Verschränkungen
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hier jedoch die Verdrillung zur Vermehrung der Wirkungen der Stromverdrängung benutzt werden und im besonderen um die günstigsten Verhältnisse zu erzielen, wie sie sich bei einer numerischen Stabhöhe von 2'1 ergeben.
Die verdrillten Leiter können entweder so hergestellt werden, dass eine flache Seele mit den Teilleitern umwickelt wird oder besser derart, dass man die Teilleiter zu einem kreisrunden Rohr aufwickelt und dieses alsdann flachpresst. Die Teilleiter werden gegeneinander ausreichend isoliert.
Man erkennt aus diesem komplizierten Zusammenhang, dass es nicht gelingen kann, durch blindes Probieren Stromverdrängungsverhältnisse zu schaffen, die den Anforderungen an einen vollkommen steuerbaren Motor entsprechen, sondern dass es nur auf Grund exakter Betrachtung der tatsächlichen Verhältnisse und auf Grund subtiler Berechnungen, die oben genauer geschildert sind, möglich ist, vollkommen steuerbare Motoren zu bauen.
Die Widerstandsvermehrung kann nun weiter erhöht werden, indem man den Nuteninhalt ganz oder teilweise magnetisch macht, damit das ursprüngliche Nutenquerfeld sich recht stark ausbilden kann.
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PATENT-ANSPRUCHE : 1. Kurzschlussanker für Drehfeldasynchronmotoren, dessen für das normale Drehmoment wirksame
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Teilleiter jeder Nut.