Läufer für Asynchronmotoren. Der bekannte Kurzschlussläufermotor ist einfach und billig und bedarf im Betrieb keiner Wartung; er hat aber den Schleifring- znotor nicht verdrängen können, und zwar vornehmlich wegen seiner schlechten Anlauf verhältnisse.
In dein Bemühen, die Anlaufverhältnisse eines Kurzschlussläufermotors zu verbessern, wurden auf dem Läufer eines Asynchron motors zwei Käfigwicklungen angeordnet, von denen der äussere Käfig einen hoben ohmschen Widerstand und eine geringe Reaktanz, der innere Käfig aber eine hohe Reaktanz und einen niedrigen ohmschen Wi derstand hatte. Eine Verbesserung der An laufverhältnisse ist durch diese Massnahme bis zu einem. gewissen Grade möglich.
Wird das Anlaufmoment aber über ein gewisses Mass gesteigert, oder wird der Anlaufstrom unter ein bestimmtes Mass gesenkt, so sinken Leistungsfaktor, Schlupf, Wirkungsgrad und Überlastungsfähigkeit rasch ab und errei chen bald Werte, die nicht mehr als er träglich bezeichnet werden können. Zur Vermeidung dieser Nachteile besitzt der Läufer gemäss der vorliegenden Erfin dung zwei Wicklungssysteme, -und zwar eine als Käfigwicklung ausgeführte Wicklung ge ringer Reaktanz, und eine zweite aus in sich kurzgeschlossenen, voneinander unabhän gigen Windungsgruppen bestehende Wick lung hoher Reaktanz.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin sind in Fig. 1 ein schematischer Schnitt durch den Läufer eines bekannten Asynchronmotors und in den Fig. 2a bis 5a Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
In den in Fig. 1 dargestellten bekann ten Blechschnitt ist die obere Käfigwick lung in den Nuten a1, a2, a3 ... die innere Käfigwicklung in den Nuten bi, b2, b3 ... untergebracht zu denken. Bei dieser Bauart ergibt sich ein verhältnismässig kleiner Ra dius ri der innern Käfigwicklung und ein verhältnismässig grosser Abstand a der innern Nuten von den äussern.
Dieser grosse Abstand a ist notwendig, damit für die innern Nu- ten eine genügend grosse Streuung und damit ein genügend hoher induktiver Widerstand erreicht wird. Dies hat aber auch zur Folge, dass das Mass der Zähne der innern Nuten z sehr klein ist und die Zahnsättigungen dem- entsprechend hoch sind.
Die Folge dieser hohen Zahnsättigungen ist eine Vergrösserung des Magnetisierungs stromes und eine Verschlechterung des Lei stungsfaktors und der Schlüpfung des Mo tors.
Bei dem in Fig. 2a und 2b dargestellten einfachsten Ausführungsbeispiel der Erfin dung besteht dagegen die zweite Wicklung (Fig. 2a) aus voneinander unabhängigen in sich kürzgeschlossehen Windungen w1, w2. Jede Windung besteht im einzelnen aus den Stäben 1, 1', 2, 22' ..., die entsprechende Stirnverbindungen 15. 2$ .. . haben.
Diese Wicklung ist gemäss Fig. 2u in das Innere der hier eingezeichneten Nuten systeme eingelegt. In jeder Nut dieses Sy stems liegt nur je eine Spulenseite, und zwar abwechselnd eine rechte und eine linke.
Vergleicht man die Anordnung gemäss Fig. 2b -mit .derjenigen der Fig. 1, so sieht man, dass die Nutentiefe a in Fig. 2b wesent lich kleiner ist als in Fig. 1, und dass in folgedessen die Werte s-; und z grösser sind.
Nach >,Arnold, die Wechselstromtechnik" Band V/I, Jahrgang 1909, ,Seite - 54 ff., ist die auf den Primärkreis reduzierte Reaktanz einer aus Windungen bestehenden Sekundär wicklung erheblich grösser als die Reaktanz einer analogen Käfigwicklung. Da somit die Wicklung der Fig. 2b an und für sich eine erheblich grössere Reaktanz hat als die in den Nuten bi, b2 ... der Fig. 1 gelagerte Käfigwicklung, so kann man bei einer Wick lung nach Fig. 2a auf die tiefe Lage der innern Nuten verzichten.
Durch diese Anordnung ist also erreicht, dass die mit der tiefen Lage der Nuten der Wicklung höherer Reaktanz verbundenen Schwierigkeiten vermieden sind. Die bei der bisherigen bekannten Anordnung auftreten den hohen Zahnsättigungen zwischen -den un tern Läufernuten, welche die Betriebseigen- schaften erheblich verschlechtern (höherer Magnetisierungsstrom,- vermehrte Leerlauf streuung," das heisst Abdrängung des Kraft flusses in den Raum zwischen den beiden Nutensystemen, und aus diesem Grunde Ver minderung des Kippmomentes, des Leistungs faktors und Erhöhung der Schlüpfung, und damit Verschlechterung des Wirkungs grades), werden durch die Anordnung nach Fig.
2, die wesentlich weniger tiefe Nuten ergibt, weitgehend vermieden. Infolge des grossen Radius, auf dem diese Nuten nun mehr liegen, sind die Zähne entsprechend breiter; die Zahnsättigungen herabgesetzt und alle oben angeführten Folgen traten nicht mehr ein.
Darüber hinaus zeigt eine aus Windungen bestehende Kurzschlusswicklung den Vor teil, dass sie nicht, wie eine Käfigwicklung, zur Bildung von Oberfeldern. neigt. Diese haben ein Schleichen und die Unfähigkeit des Motors, anzulaufen, zur Folge. In der Drehmoment-Charakteristik des Motors äussert sich dieses ungünstige Verhalten da durch, dass die Drehmomentkurve Sättel auf weist.
Käfigmotoren haben stets den Nachteil, ,dass sie die aus der Rechnung sich ergeben den Drehmomente in Wirklichkeit nicht er reichen, eben weil die Erscheinung der Fel der höherer Periodenzahlen erhebliche gegen läufige Drehmomente, die das Anlaufdreh moment oft bis zu Null vermindern, zur Folge hat. Diese Erscheinung zeigen auch Doppelkäfigmotoren, wenn auch- in etwas ver mindertem Masse, und zwar' insbesondere wegen des innern Käfigs von niedrigem ohmschen Widerstand. Der äussere hoch- ohmige Käfig gibt zum Auftreten von Ober feldern im allgemeinen keine Veranlassung, und -zwar mit Rücksicht auf seinen hohen ohmschen Widerstand.
Statt die zweite Wicklung in Nuten un terzubringen, die unterhalb der Nuten der ersten Wicklung angeordnet sind, kann man die zweite Wicklung auch gemäss Fig. 3 in Nuten<B>ND</B> unterbringen, die zwischen den Nuten IV,, der ersten-Wicklung liegen. Werden die ohmschen und induktiven Widerstände der einzelnen Wicklungen ent sprechend gewählt, so kann der bei Kurz schluss auftretende .Strom bezw. das Dreh moment weitgehend eingestellt werden. Es ist aber nicht möglich, auch bei höheren Drehzahlen diese Verhältnisse richtig zu be herrschen.
Wünscht man eine genaue Einstellung bis zur betriebsmässigen Drehzahl des Motors, so lässt sich .diese Aufgabe lösen durch Anwen dung von drei verschiedenen Wicklungen mit entsprechenden Werten des ohmschen und in duktiven Widerstandes. Hierbei wird man die äussere Wicklung zur Erzielung geringer Reaktanz stets als Käfig ausführen, die innerste Wicklung mit grösster Reaktanz aus in sich kurzgeschlossenen Windungen, etwa gemäss Fig. 2a und die mittlere Wicklung mit Werten der Reaktanz und des ohmschen Widerstandes, die von .den entsprechenden Werten der beiden andern Wicklungen mehr oder weniger abweichen.
Fig. 4 zeigt das schematische Bild eines Asynchronmotors, auf dessen Läufer drei kurzgeschlossene Wicklungen angeordnet sind.
Die erste Wicklung, die auf dem grössten Durchmesser angeordnet ist, ist eine Käfig wicklung K. Die zweite Wicklung C1 be steht aus in sich kurzgeschlossenen -Gruppen von Windungen, die in den beiden Nuten systemen Ni, N2 ... bezw. Ni', N2' . . . ver teilt sind. Die Nuten Ni, N2 ... befinden sich an der Läuferoberfläche, die Nuten Ni', N2' ... in tieferer Lage.
Eine dritte Wicklung c2 ist ebenfalls als Käfigwicklung ausgeführt und liegt in den untern Nuten Ni', N2'... Die dritte Wick lung könnte jedoch auch ebensogut aus in sich kurzgeschlossenen Windungen bestehen.
Der Vollständigkeit halber und zum Ver ständnis des folgenden ist auch der Primär teil des Induktionsmotors mit den Nuten M angedeutet.
Die zweite Wicklung besteht aus Win dungsgruppen ei, von denen jede aus zwei Windungen zusammengesetzt ist. Die eine dieser beiden Windungen wird durch die Leiter f1 und g1, die zweite- Windung durch die Leiter f 2 und g2 gebildet.
Fig. 4a zeigt die Schaltung :dieser Wick lungsgruppe. f1, f2, g1, g2 sind in Reihe ge schaltet und in sich kurzgeschlossen. Die wirksamen Leiter der Wicklungsgruppe ei liegen somit abwechselnd in Nuten verschie dener Höhe (verteilte Wicklung).
Durch den Anschluss des Induktions motors an das Netz wird ein magnetischer Kraftfluss Oh erzeugt, der den eingezeich neten Verlauf nimmt. Im Kurzschluss bezw. bei hohen Periodenzahlen im Läufer wird .der Hauptkraftfluss Oh zum grössten Teil in die Zwischenschicht zwischen den obern und untern Nuten abgedrängt. Er nimmt somit der -Verlauf von 0o. Dieser Kraftfluss induziert in der Windung f1, g1 eine Spannung; der entstehende Strom erzeugt innerhalb der Windung f2, g2 eine entspre chende Gegenspannung.
Sobald ein Strom fliesst, bildet sich der Kraftfluss 0" aus, der vom primären Kra,ft- fluss A unabhängig ist. Der graftfluss A, schliesst sich um die Nuten NI', N2'<B><I>...</I></B> und nimmt hierbei den ebenfalls eingezeichneten Verlauf. Die Wicklung c2 ist daher, mit denjenigen Teilen der Wicklung<B>ei,</B> die in den gleichen Nuten liegen, transformatorisch verkettet.
Die miteinander verketteten Wick lungen bilden einen auf der .Sekundärseite e2 kurzgeschlossenen Transformator, dessen Primärseite (Windung f2, <I>g2)</I> eine Spannung aufgedrückt erhält.
Der in Wicklung c2 fliessende Kurz schlussstrom erzeugt im wesentlichen einen ohmschen Spannungsabfall, wenn plan von der Streuung zwischen .den Wicklungen ab sieht. Diese Streuung ist aber sehr gering, da die Primär- und Sekundärwicklung des gedachten Transformators in gemeinsamen Nuten liegen. Die Grösse des ohmschen Span nungsabfalles hängt ab von der Summe der Widerstände der Primärseite und von dem Widerstand .der Sekundärwicklung, der sich, auf die Primärseite bezogen, mit dem Qua drat des Übersetzungsverhältnisses erhöht.
Als Ergebnis dieser. Betrachtung sei fest gestellt, dass der Hauptkraftfluss im wesent lichen (nämlich mit seinem grössten Teil die Windungen f1, g1 induziert, und diese Windungsteile im wesentlichen auf einen ohmschen Widerstand geschaltet sind. Denn als ein derartiger ohmscher Widerstand wirkt die transformatorisch verkettete Wicklung c2.
Nun ergibt aber bekanntlich die Ein schaltung eines ohmschen Widerstandes in den Sekundärkreis eines Asynchronmotors das günstigste Verhältnis von Anlaufdreh moment und Anlaufstrom. Somit erreicht die verteilte Wicklung der Figur 4, in Verbin dung mit der in den untern Nuten liegenden. kurzgeschlossenen Windung c2, bei hohen Frequenzen im Läufer, also während des An laufes, den gleichen Effekt wie die Ein schaltung eines ohmschen Widerstandes in den Läuferstromkreis eines Schleifring motors.
Bei Lauf des Motors gemäss Fig. 4 ge staltet sich die Verteilung des Kraftflusses anders. Mit abnehmender Frequenz wird der Feldverdrängungseffekt immer kleiner; und der Hauptkraftfluss 01, erfasst schliesslich auch sämtliche, in den: untern Nuten liegende Wicklungsteile. Somit induziert der Haupt fluss A, in der Nähe der Betriebsdrehzahl die gleichen Spannungen .in den Windungen f2, g2 in der Wicklung c2. -Diese Spannungen sind im Betriebszustand elektrisch parallel geschaltet.
Bei Betrieb erfolgt somit die Stromverteilung in den voneinander unab hängigen Wicklungssystemen ei und c2 in bekannter Weise nach der Grösse der ohm schen Widerstände.
Ein besonderer Vorteil der verteilten Wicklung ei ist es, dass das betriebsmässig belastete Läuferkupfer auf zwei Radien ver teilt ist. Eine solche Verteilung ergibt gün stige magnetische Beanspruchungen der Zähne und vermindert daher den Magneti sierungsstrom und :die Leerlaufstreuung.
Die erforderliche Grösse des im Anlauf wirksamen ohmschen Gesamtwiderstandes im Läuferkreis kann, abgesehen von der Er höhung des Widerstandes der äussern Wick lung ei, auch noch auf zwei andere Arten erhalten werden.
Einerseits ist :es möglich, :den Widerstand der innern Wicklung c2 zu vergrössern, da diese transformatorisch mit .dem Widerstand von<B>ei</B> in Reihe geschaltet ist. Dadurch wird der im Betriebszustand in :der innern Wick lung e2 fliessende Strom herabgesetzt, so dass der überwiegende Teil des Betriebsstromes in der äussern Wicklung fliesst.. Diese Er scheinung bildet einen Gegensatz zu den be kannten Läufern mit zwei oder mehreren Käfigwicklungen, bei denen im Betriebszu stand der Strom in der innern oder innersten Wicklung hoch ist.
Anderseits kann man das Übersetzungs verhältnis desjenigen Teils der Wicklung<B>ei,</B> der in den untern Nuten liegt, zu den Win dungen der Wicklung c2 vergrössern. Wählt man für dieses Verhältnis zum Beispiel das Verhältnis 3 : 1 (also :drei Windungen f2, g2 gegenüber einer Windung c2), so wirkt diese Massnahme so, als ob der wirksame ohmsche Widerstand der Wicklung c2 auf das Neun fache gestiegen wäre.
Die Fig. 5 und 5a zeigen ebenfalls den Läufer eines Induktionsmotors mit drei Wicklungssystemen und einer zweckmässigen Anordnung der Nuten.
In Fig. 5 besteht die verteilte Wicklung aus einzelnen, in sich kurzgeschlossenen Spulen ei, von denen die einen Spulenseiten 8. in :den obern Nuten v1, v2 liegen, wäh rend die untern Spulenseiten Su in den tieferen Nuten x1, x2 ... liegen.
'In den untern Nuten liegt auch hier wieder eine Käfigwicklung c2, die lediglich mit den untern Spulenseiten S" transforma- torisch verkettet ist.
In den obern Nuten liegt ausserdem auf grösstem Durchmesser die Anlaufkäfigwick- lung g, deren Stäbe sich auch in .den kleinen Nuten yi, y2 der Ankeroberfläche befinden.
Die Verbindung der einzelnen Wicklungs teile ist schematisch in Fig. 5a :dargestellt. Die einzelnen Stäbe S der Wicklung c2 sind durch Kurzschlussringe miteinander verbun den.