Asynchrone Induktionsmaschine mit Kompensation der Phasenverschiebung. Es ist bekannt, die Phasenverschiebung von Induktionsmotoren nach dem Vorschlage von Leblanc dadurch aufzuheben, dass der Induktionsmotor mit einer Kommutatorma schine in Kaskade geschaltet wird, auf deren Kommutator eine der Phasenzahl des Rotors entsprechende Anzahl von Bürsten schleift, die mit den auf den Schleifringen des Läu fers des Induktionsmotors liegenden Bürsten verbunden sind. Diese Maschinen konnten jedoch wegen der verursachten hohen Mehr kosten und der grösseren Raumbeanspruchung nur eine verhältnismässig geringe Verbreitung finden, trotzdem die Kompensation der Phasen verschiebung der Induktionsmotoren zu einer äusserst wichtigen wirtschaftlichen Frage ge worden ist.
In den Stromverteilungsanlagen wächst nämlich die durch Motoren bewirkte induktive Belastung im Verhältnis zu der Lampenbelastung immer mehr, so dass ein grosser Prozentsatz der Belastung der meisten Stromverteilungsnetze aus wattlosen Strömen besteht und demnach die volle Ausnutzung des Netzes durch Nutzbelastung nicht mög- lich ist. Da die weitaus grösste Anzahl der die wattlosen Ströme verursachenden Motoren aus Kleinmotoren, oder mittelgrossen Motoren besteht, bei denen die oben erwähnte Leb- lancsche Kompensation nicht in Betracht kommen kann, so ist es wichtig, eine Lösung für die Kompensation der Phasenverschiebung zu finden, die weder den Raumbedarf der Motoren vergrössert, noch eine nennenswerte Steigerung der Herstellungskosten verursacht.
Gemäss der Erfindung wird die Phasen kompensation dadurch erreicht, dass im Läu fereisenkörper des Induktionsmotors ausser der mehrphasigen Läuferwicklung noch eine für die Magnetisierungsarbeit des Motors be messene Kommutatorwicklung zur Phasen kompensation angeordnet ist, die mit der in duzierten (sekundären) Wicklung des Motors elektrisch verbunden sind.
Die Beeinträch tigung der guten Wirkung der Kommutator wicklung durch die gegenseitige Induktion der im gemeinsamen Läuferkörper angeord neten beiden Wicklungen kann entweder durch passende Wohl des Verbältnisses der Polzahl p der Kompensationswicklung zu der Polzahl P des Induktionsmotors vermieden werden, oder aber dadurch, dass die Kompen sationswicklung an einem kleineren Halb messer als die mehrphasige Läuferwicklung und in einem solchen Abstande von dieser letzteren angeordnet ist, dass die durch die gegenseitige Induktion der beiden Wicklun gen erzeugten schwachen Ströme die gute Wirkung nicht beeinträchtigen können.
Die Theorie ergibt für die Bestimmung eines passenden, d. h. eines solchen Verhält nisses
EMI0002.0000
bei dem die Summe der in einer Wicklung durch die andere induzierten EMK Null wird, die Formeln
EMI0002.0001
wo n irgend eine Zahl (1, 2, 3...) sehr kann.
Da die Kommutatorwicklung nur für die Magnetisierungsenergie, also für einen kleinen Bruchteil der Leistung des Motors bemessen zu sein braucht und der Kommutator aus einer verhältnismässig geringem Anzahl von Segmenten bestehen kann und endlich ausser dem normalen Eisenkörper und den normalen mechanischen Konstruktionsteilen des Motors keinerlei zusätzliche Teile erforderlich sind, werden die Herstellungskosten des Motors durch die zusätzliche Wicklung und den Kom mutator nur wenig erhöht. Dagegen steigt infolge der Phasenkompensation die Leistung des Motors wesentlich, so dass die bei gleicher Leistung mögliche Verminderung der Abmes sungen des Motors die Kosten der Kompen sationswicklung und des Kommutators aus gleichen kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das durch die Kompensationswicklung erzeugte Feld sich dem Grundfelde des Motors über lagert, so dass die Bedingung der hohen Sätti gung für das Eisen des Kompensationsfeldes leicht erfüllt werden kann.
In der Zeichnung zeigt Abb. 1 das Schalt bild des neuen Induktionsmotors, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des Läufers mit vierpoliger Mehrphasen- und zweipoliger Kompensationswicklung; Fig. 3 eine Seitenansicht teilweise im Längsschnitt eines solchen Motors.
Fig. 4 und 5 zeigen den Querschnitt bezw.
teilweisen Längsschnitt eines Motors, bei dem die Kompensationswicklungan einem kleineren Halbmesser angeordnet ist als die Mehrpha senwicklung; Fig. 6 zeigt im Querschnitt eine Anord nung, bei der sich die Kommutatorwicklung in einem solchen Abstands innerhalb der Mehrphasenwicklung befindet, dass das durch diese letztere erzeugte Feld die Wirkung der ersteren nicht beeinträchtigt; Fig. 7 zeigt das Schaltbild eines Induk tionsmotors gemäss Fig. 6 mit Periodenum former-Kompensatorschaltung, Fig. 8 das Schaltbild eines Induktions motors gemäss Fig. 7, jedoch mit Kurzschluss anker, und Fig. 9 einen Querschnitt des Motors ge mäss Fig. 8 ; Fig. 10 und 11 zeigen endlich zwei weitere Ausführungsmöglichkeiten, um die magnetische Unabhängigkeit der Kompensationswicklung von der mehrphasigen Ankerwicklung zu sichern.
In Fig. 1 ist m die Ständerwicklung und y die Läuferwicklung des Motors. z, z, z sind die Schleifringe, und n ist die im Läu fer angeordnete Kompensationswicklung, die mit, dem Kommutator k verbunden ist. Auf diesem schleifen die Bürsten b, b, b, die in einem gegenseitigen Abstands von 120 an geordnet sind. Die Bürsten b sind mit den Bürsten q der Schleifringe z leitend verbun den. Durch Übererregung und übersynchro nen Lauf der Kommutatorwicklung n gegen über ihrem eigenen Feld kann in gleicher Weise, wie bei der Leblan@schen Doppel maschine, der Leistungsfaktor beliebig ge steigert und die Phasenverschiebung völlig beseitigt, ja sogar eine Phasenvoreilung er zielt werden.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht die Läuferwicklung y aus einer in Stern geschal- teten dreiphasigen vierpoligen Wicklung, deren Phasen y1, y2, y3 bei o, o, o an den Null punkt geschaltet und an ihren freien Enden mit den Schleifringen z1, z2, z3 verbunden sind. Im gleichen Eisenkörper ist die Kom pensationswicklung n angeordnet, welche wie die zum Teil mit stärkeren vollen und zum Teil mit stärkeren gebrochenen Linien ge zeichnete Windung erkennen lässt, zweipolig gewickelt und mit dem Kommutator k ver bunden ist. Infolgedessen steht die Polzahl der Kompensationswicklung n zur Polzahl der Läuferwicklung y in dem Verhältnis 2 : 4, so dass sich als Verhältniszahl eine gerade Zahl (2) ergibt. Es könnte aber ein jedes andere Verhältnis der Polzahlen benützt werden, das den Formeln 1 oder 2 genügt.
Es könnte zum Beispiel, wenn die Läuferwicklung sechs- polig ist, die Kompensationswicklung auch vierpolig ausgeführt sein.
Gemäss Fig. 3 ist a der Eisenkörper des Ständers und d der Eisenkörper des Läufers, in, ist die normale Ständerwicklung und y die normale Läuferwicklung. Gemäss Abb.3 ist die Kompensationswicklung n beispiels weise in den gleichen Nuten des Läufereisen körpers angeordnet, wie die Läuferwicklung y. Der Kommutator k ist zwischen dem Läufer körper d und den Schleifringen z angeordnet, kann aber auch auf der andern Seite des Läufers Platz finden.
Die Maschine kann im primären Teil ein- oder mehrphasig und der sekundäre Teil des Induktionsmotors, sowie die Kommutatorma schine zwei, drei oder mehrphasig ausgeführt sein. Es können ferner die Kompensations wicklungen auch als eine normale Neben schluss-Gleichstrommaschinenwicklung ausge bildet sein und bei synchronem Lauf des In duktionsmotors Gleichstrom in dessen Rotor als Magnetisierungsstrom liefern.
Ein solcher kompensierter Induktionsmotor kann in an sich bekannter Weise genau so wie ein un- kompensierter Induktionsmotor bei äusserem Antriebe mit übersynchroner Geschwindig keit als Asynchrongenerator betrieben wer den, wobei die Kompensations-Ankerwicklung ohne weiteres die Kompensation der Phasen verschiebung bewirkt, genau so, wie wenn die Maschine als Motor läuft.
Es ist zweckmässiger, die Kompensations wicklung des Läufers, wie dies Fig. 4 und 5 zeigen, in besonderen, an einem kleineren Halbmesser als die am Umfang angeordnete Mehrphasenwicklung liegenden Kanälen des Läufereisens unterzubring@n, so dass sich ein Teil der durch die Kompensationswicklung erzeugten Kraftlinien innerhalb des Läufer eisens, ein anderer Teil aber unter Durch setzen der Läufer- und Ständerwicklung schliesst.
Die an den Luftspalt l der Maschine an grenzenden Nuten p des Ständers und die Nuten r des Läufers dienen zur Aufnahme der üblichen primären und sekundären Wick lung m, bezw. y des Induktionsmotors. In nerhalb des Nutenkranzes r, bezw. der in dieser untergebrachten normalen Läuferwick lung y, ist au einem kleineren Halbmesser ein Lochkranz x zur Aufnahme der zur Kom pensation der Phasenverschiebung dienenden Wicklung n angeordnet. Die Kompensations wicklung n des Läufers ist an einen Kom mutator k angeschlossen, der zwischen den Schleifringen z des Induktionsmotors und dem Anker eingeschaltet ist.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, schliesst sich nur ein Teil der durch die Kompensations wicklung n erzeugten Kraftlinien s durch den Eisenkörper des Ständers, während der an dere Teil s' dieser Kraftlinien vollkommen innerhalb des Läufereisens verläuft, in dem mit Rücksicht auf die Eisenverluste die Mag netisierung der Sättigungsgrenze näher gerückt werden kann als im Ständereisen.
Durch diese Anordnung werden mehrere Vorteile erreicht.
Zunächst wird in der Kompensationswick lung Leitungsmaterial gespart. Da es näm lich bei kleinen, vierpoligen Motoren zweck mässig ist, die zur Kompensation der Phasen verschiebung dienende Kommutatorwicklung möglichst zweipolig auszuführen, schrumpfen bei einem geringeren Durchmesser derselben die Abmessungen der Spulenköpfe wesentlich zusammen. Ferner wird das Ständereisen von den durch die Kompensationswicklung n des Läufers erzeugten Kraftlinien zum Teil entlastet. Es ist auch die Kupplung der durch die Wicklung m-y und durch die Wicklung n erzeugten Felder eine losere, als wenn die Kompensationswicklung n am gleichen Halbmesser mit der Wicklung y untergebracht sein würde.
Auch aus Fabrikationsrücksichten ist diese Anordnung mit Vorteilen verbunden, indem die gleiche Motortype je nach Bedarf als kompensierter oder unkompensierter Motor ausgeführt werden kann. Wie bereits oben erwähnt worden ist, kann nämlich im Stän der die Kompensationswicklung fortfallen, so dass nur im Läufer eine besondere Kom pensationswicklung untergebracht werden muss. Es genügt demnach, die Lamellen des Läufereisens lediglich mit einem besonderen Lochkranz x innerhalb des Notenkranzes r zu versehen. Die Nuten r besitzen die Grösse und Verteilung wie für einen gewöhnlichen Induktionsmotor ohne Kompensation der Pha senverschiebung, während der Lochkranz x weder die Ausführung, noch die Wirkung des gewöhnlichen Induktionsmotors stört, viel mehr zur Kühlung beiträgt.
Soll aber der Motor mit Kompensation der Phasenverschie bung ausgeführt werden, so werden die Win dungen der Kompensationsankerwicklung n in die Kanäle x eingezogen und ein Kommu tator k zwischen die Schleifringe z und dem Anker eingefügt.
Infolge der Kompensation der Phasenver schiebung unter Anordnung der Kompensa tionswicklung an einem kleineren Halbmesser innerhalb der Läuferwicklung kann man le diglich unter Vermehrung der induzierten Leiter, also des Kupfers der Läuferwicklung, die Leistung des Motors ohne Vergrösserung der übrigen Abmessungen wesentlich steigern.
Für die gute Wirkung der in dieser Weise ausgeführten Induktionsmotoren mit Kompen- sierung der Phasenverschiebung ist es, wie bereits erwähnt, erforderlich, dass die Motor wicklung und die Kompensationswicklung nur eine so geringe induktive Wirkung auf- einander ausüben, dass die infolge der gegen seitigen Induktion auftretenden Ströme nicht störend wirken, also zum Beispiel bei Unterbrechung des durch die Bürsten bewirkten Kurzschlusses der Spulen der Kommutatorwicklung, keine Funkenbildung auftritt. Dies wird bei den oben beschrie benen Ausführungen dadurch erzielt, dass die Polzahlen der Kompensationswicklung zu derjenigen des Motors in einem passen den Verhältnis stehen.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es, insbesondere bei grösse ren Motoren, möglich ist, die zur Aufnahme der Kompensationswicklung dienenden Kanäle x von den Nuten r des Läufers in einem genügenden Abstande anzubringen, so dass nur ein so geringer Bruchteil des Kraftflusses des Motors die Kommutatorwichlung durch setzt, dass deren gute Wirkung selbst in dem Falle nicht beeinträchtigt wird, wenn das Verhältnis der Polzahlen der Motorwicklung und der Kompensationswicklung keine gerade, sondern nur ungerade Zahlen enthält, wie z. B. 1/1, 1/3, 1/5 usw.
In Fig. 6 der Zeichnung ist ein solches Ausführungsbeispiel der Maschine gemäss der Erfindung im Querschnitt dargestellt. In dieser Abbildung ist angedeutet, dass der überwiegende Teil s des durch die mehrpha- sige Läuferwicklung y erzeugten Kraftflusses die für die gleiche Polzahl gewickelte Komi- pensationswicklung n gar nicht erreicht, son dern vielmehr nur ein verhältnismässig ge ringer Anteil s' die Kraftlinien in den Be reich der Kommutatorwicklung gelangt und in dieser nur einen die Wirkung derselben nicht beeinträchtigenden schwachen Stronm zu induzieren vermag.
Um das Übertreten des magnetischen Kraftflusses der mehrphasigen Läuferwicklung in den Bereich der Kompensationswicklung weiter zu erschweren, kann man, wie in Fig. 10 veranschaulicht, zwischen beiden An kerwicklungen Durchbrechungen v, oder wie aus Fig. 11 ersichtlich, einen sich auf den ganzen Umfang der Kompensationswicklung n erstreckenden Luftspalt v einschalten und den die Kompensationswicklung n enthalten- den inneren Eisenkörper 'mit dein die mehr- phasige Läuferwicklung y tragenden Eisen körper mittelst nicht magnetisierbarer Keile t oder dergleichen verbinden.
Bei dem durch die in Fig. 5, ö, 70 und 11 veranschaulichte Anordnung ermöglichten Verhältnis, '/i der Polzahlen, kann der Kom- pensator nicht nur in der Reihenschaltung, sondern auch als Periodenumformer für Kom pensation mit Nebenschlusscharakteristik aus geführt werden, wodurch die Phasenverschie bung bereits bei Leerlauf des Motors voll ständig kompensiert werden kann.
Aus dem in Fig. 7 dargestellten Schalt bild eines solchen Motors ist es ersichtlich, dass die dreiphasige Ankerwicklung y mit drei Schleifringen zi, z2, zs ausgerüstet ist, deren einer mit dem einen Anzapfungspunkt u der dreiphasigen Kompensationswicklung n verbunden ist, während die beiden andern Anzapfungspunkte u, tt der Kompensations- wicklung an je einen Schleifring z" ange schlossen sind.
Die auf diesen Schleifringen aufliegenden Bürsten q", q" sind über Schal ter c, c mit denjenigen Schleifringen z2, zs der Dreipltasenankerwicklung y verbunden, die keinen unmittelbaren Anschluss in die Kompensationswicklung n besitzen.
Der Kompensationswicklung werden die Magnetisierungsströme durch die Bürsten bi, b2, bs von Anzapfungspunkten g der Stäuder- wicklung in zugeführt.<I>to</I> ist der an die Bürsten ql, q2,
qs angeschlossene Anlasswider- stand. Die von den Punkten y der Ständer wicklung in in die Kompensationswicklung rt eingeführten Wechselströme besitzen die Peri odenzahl des den Motor speisenden Strom netzes, jedoch eine geringere Spannung und treten in an und für sich bekannter Weise bei den Punkten u, 2.t, tt als Wechselströme, deren Periodenzahl der. Schlüpfungsfrequenz entspricht, aus.
Diese Ströme gelangen durch die Schleifringe z", z", Bürsten q", die Schal ter<I>c, c</I> Bürsten q2, q3 und Schleifringe z2, zs, bezw. vom dritten Anzapfungspunkte u un mittelbar' in die dreiphasige Läuferwicklung y und bilden in dieser die Magnetisierungs- ströme:
Beien Anlassen werden die Schalter e, c geöffnet, während sie nach erfolgtem Anlassen geschlossen werden und der Anlasswiderstand abgeschaltet wird. Die Anlasswiderstände ?c können auch in den die Kompensations wicklung mit der mehrphasigen Wicklung verbindenden Leisten i angeordnet sein.
Die zur Speisung der Bürsten Lx; b2, bs erforderliche niedrige Spannung kann auch mittelst eines besonderen Transformators oder dadurch erzeugt werden, dass man im Ständer, in den die Wicklung in enthalten den Nuten _I), oder in besondern Nuten einige Windungen j unterbringt, wie dies in Fig. 8 und 9 veranschaulicht ist.
Bei kleineren Mo toren kann man die Schleifringe zi, z2; z;? und zn vollständig fortlassen Lind die drei- phasigen Anzapfungspunkte tt der Kompen sationswicklung n unmittelbar mit den drei Phasen der dreiphasigen Läuferwicklung y verbinden, wie dies Fig. 8 zeigt.
Die An ordnung ist hierbei, wie Fig. 9 zeigt, eine solche, dass sich die dreiphasige Wicklung y am Umfange des Läufers befindet, während die Kompensationswicklung n in besonderen Nuten an einem kleineren Halbmesser in einem solchen Abstand von der Dreiphasen wicklung y angeordnet ist, dass eine gegen seitige Induktion zwischen den beiden Wick lungen überhaupt nicht. oder nur in einem so geringen Masse eintritt, dass hierdurch die Wirkung nicht beeinträchtigt wird.