Elektrischer Lüfterantrieb für eine elektrische Maschine Bei elektrischen Maschinen, die einen ausgedehn ten betriebsmässigen Drehzahlbereich aufweisen, ist die Eigenbelüftung, das heisst Lüftung durch einen am Läufer angebrachten oder von diesem mecha nisch angetriebenen Lüfter, bekanntlich meist un zweckmässig. Die vom Lüfter verbrauchte Leistung ist verhältnisgleich der 3. Potenz seiner Drehzahl, wodurch entweder die Lüfterverluste im obern Dreh zahlbereich zu gross oder die geförderte Kühlmittel menge und damit die Wärmeabfuhr im untern Dreh zahlbereich zu klein sind. Letzteres ist in manchen Fällen, z. B. bei Hauptschlussmotoren, insofern be sonders nachteilig, als hier die abzuführenden Ver luste mit sinkender Drehzahl ansteigen.
Abgesehen davon wird der Wärmeübergang von der Maschine auf das Kühlmittel mit abnehmender Drehzahl be kanntlich schlechter. Entsprechende Überlegung gilt auch für nichtelektrische Maschinen, die mit wech selnder Drehzahl betrieben werden, z. B. Verbren nungskraftmaschinen.
Die aus den vorstehenden Gründen vielfach an gewendete Fremdbelüftung ist zwar von der Dreh zahl der zu belüftenden Maschine unabhängig, weist jedoch einen bedeutenden Platzbedarf auf, erfordert oft eigene Stromkreise und ist auch sonst technisch aufwendig, insbesondere wenn zum Lüfterantrieb eine Kommutatormaschine mit ihren bekannten Nachteilen (hoher Preis und Platzbedarf, erforder liche Wartung) herangezogen werden muss.
Will man nun eine selbsttätige Anpassung der Luftmenge an die jeweilige Beschaffenheit der Frischluft hinsicht lich Temperatur und Dichte sowie an den Drehzahl- und Belastungszustand der zu belüftenden Maschine erzielen, würde dies bei Fremdbelüftung einen der artigen Aufwand erfordern, dass eine solche an sich oft sehr erwünschte Massnahme im allgemeinen praktisch nicht in Frage kommt.
Der erfindungsgemässe elektrische Lüfterantrieb vermeidet die angeführten Nachteile der bisher be kannten Eigen- und Fremdbelüftungssysteme da durch, dass als Lüftermotor eine frequenzveränder- lich gespeiste, kollektorlose Drehfeldmaschine vor gesehen ist, die in zumindest einem Teil des Be triebsbereiches asynchron mit einem bei steigender Synchrondrehzahl des Lüfters drehzahlbegrenzend anwachsenden Schlupf arbeitet. Dieser Lüftermotor kann auch einphasig gespeist sein, wobei die Dreh feldwirkung in an sich bekannter Weise durch eine Hilfsphase, z.
B. mittels Spaltpol, bereits im Still stand hervorgerufen ist oder erst im Lauf durch das Überwiegen der Wirkung des mitläufigen Drehfeldes gegen die des gegenläufigen zustandekommt.
Als erfindungsgemässer Lüfterantrieb kann bei spielsweise der an sich bekannte Hysteresemotor verwendet werden. Diese Maschine entwickelt, Kon stanz ihres Polflusses vorausgesetzt (erzielbar, indem die speisende Spannung proportional ihrer Frequenz gehalten oder der Motor mit Übersättigung gefahren wird), ein frequenzunabhängiges Maximalmoment. Solange das vom Lüfter herrührende Belastungs moment kleiner als dieses maximale Moment bleibt, arbeitet die Maschine synchron.
Bei jener Dreh zahl, bei der das Lüfterdrehmoment die Grösse des maximalen Momentes erreicht, kippt der Motor aus dem Synchronismus und verbleibt bei weiter steigender Synchronfrequenz auf dieser Kippdreh- zahl. Vom genannten Kipp-Punkt an steigt bei Ver nachlässigung der primären Eisen- und Kupfer verluste des Lüftermotors die von diesem aufge nommene Leistung entsprechend der Konstanz des an den Lüfter abgegebenen Drehmomentes nur linear mit der Synchrondrehzahl, während sie bei synchronem Lüfterantrieb mit der 3. Potenz dieser Drehzahl zunehmen würde.
Diese Einsparung an Lüftungsleistung ist ein durch die Drehzahlkonstanz bzw. -begrenzung bedingter wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Lüfterantriebes, den dieser mit einer der üblichen Fremdlüftungen gegenüber einer Belüftung mit unbegrenzt veränderlicher Drehzahl gemeinsam hat. Die Differenz zwischen aufgenom mener und abgegebener - hier konstanter - Leistung des Lüftermotors wird in dessen Sekundärkreis in Wärme, im vorliegenden Beispiel in Ummagnetisie- rungswärme, verwandelt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen An triebes, der ihn auch von den bisher bekannten Fremdlüftungsantrieben unterscheidet, liegt darin, dass die Drehzahlgrenze nicht starr, sondern durch das Lüftermoment bedingt ist. Es wird daher, wenn unter sonst gleichbleibenden Verhältnissen das Lüftermoment abnimmt, z. B. infolge Verschmutzung der Luftwege oder Verringerung des spezifischen Gewichtes der Luft (etwa infolge zunehmender See höhe und/oder Frischlufttemperatur), das Drehzahl niveau steigen, womit der von den genannten Um ständen herrührenden Verschlechterung der Wärme abfuhr entgegengewirkt wird.
Der erfindungsgemässe Antrieb kann auch für andere Kühlmittel als nur Luft, ebenso bei geschlos senem Kühlmittelkreislauf Verwendung finden.
Für den erfindungsgemässen Lüfterantrieb kann ferner eine Induktionsmaschine, bei der also das Drehmoment durch vom Drehfeld induzierte Sekun därströme entsteht, herangezogen werden.
Eine solche Maschine läuft wohl niemals genau, jedoch bis zu einer gewissen Belastung angenähert synchron, und es wird daher der Lüfter bis zu der dieser Belastung entsprechenden Drehzahl mit dem antreibenden Drehfeld praktisch synchron laufen, um von da an infolge der steilen (quadratischen) Drehzahlabhängigkeit seines Lastmomentes immer mehr hinter dem Drehfeld zurückzubleiben. Je nach dem Momentverlauf des Lüftermotors über dem Schlupf, der von der Motorauslegung, dem Fre- quenzgang der speisenden Spannung und dem Sätti gungszustand abhängt, steigt dann die Lüfterdreh- zahl mit weiterer Zunahme der Synchrondrehzahl immer weniger,
bleibt schliesslich praktisch konstant oder sinkt sogar wieder. Letzteres kann unter Um ständen eine erwünschte Zuordnung der Luftmenge zur Drehzahl und damit zum Belastungszustand einer zu belüftenden Maschine ergeben.
In den Fig. 1 und 2 ist die Wirkungsweise des Lüfterantriebes bei Verwendung einer Induktions maschine als Lüftermotor graphisch dargestellt.
Fig. 1 bezieht sich auf den Betrieb des Lüfter motors mit praktisch konstantem magnetischem Fluss. Dies kann entweder durch ausreichende übersätti- gung erzielt werden, wobei es meist zweckmässig ist, dem Motor einen Widerstand vorzuschalten, oder durch Speisung mit einer frequenzproportionalen Spannung.
Die Kurve a stellt den Verlauf der Qua dratwurzel aus der Masszahl des Motormomentes Mhi über der Schlupfdrehzahl n, dar, die Geraden b die Quadratwurzeln aus der Masszahl des Lüfterdreh- momentes ML über der Lüfterdrehzahl nL. Schlupf- und Lüfterdrehzahl ergeben als Summe die jeweilige Synchrondrehzahl n des antreibenden Drehfeldes.
Daraus sowie aus der Bedingung<I>ML<B>=</B>Mm</I> folgt unmittelbar die aus Fig. 1 hervorgehende graphische Ermittlung der zu verschiedenen Synchrondrehzahlen n1, n2, <I>n3 ...</I> gehörenden Lüfterdrehzahlen n1,1, nL2, nL3 ..., die sich bei genügend flachem Verlauf der Kurve a nur wenig voneinander unterscheiden.
Durch Stromverdrängungsläufer kann der flache Ver lauf von a gefördert und in einem gewissen Bereich sogar vollkommen abszissenparallel gestaltet werden.
Fig.2 stellt die Verhältnisse bei Speisung mit veränderlicher Frequenz (entspricht wieder veränder licher Synchrondrehzahl n), jedoch konstanter Span nung dar. Da sich nun der Fluss etwa reziprok zur Synchrondrehzahl ändert, tritt an die Stelle der Kurve a in Fig. 1 eine Kurvenschar a1, a2, a3..., von der jede Kurve einer Synchrondrehzahl n1, n2, n ;<B>...</B> zugeordnet ist. Bei genügend hohem Wider stand des Sekundärkreises ergibt sich in dem hier in Betracht kommenden Bereich der dargestellte Ver lauf der Kurven a.
Werden für die verschiedenen Synchrondrehzahlen n1, n2 <I>...</I> die die über nL darstellenden Geraden b1, b2 <I>...</I> gelegt
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und mit der der jeweiligen Synchrondrehzahl zugeordneten Kurve a1, a2 <I>. ..</I> zum Schnitt gebracht, so ergibt sich auch hier ein weiter Bereich der Synchrondrehzahlen, innerhalb dessen die Lüfterdrehzahl nL nur geringe Änderungen erfährt.
Ein bis zu einer gewissen Drehzahl zwecks Ver meidung von Schlupfverlusten erwünschter vollkom mener Synchronismus kann auch dadurch erzielt werden, dass der Lüftermotor hierfür als Reluktanz- maschine ausgebildet ist und;oder in seinem sekun dären Teil ein vorzugsweise von permanenten Ma gneten erzeugtes Gleichfeld führt.
Die vorstehend genannten Arten der Lüfter motor-Ausbildung können sinngemäss kombiniert werden.
Es kann eine Vereinfachung und Verbilligung des erfindungsgemässen Antriebes ergeben, wenn der Lüfterkörper selbst, vorzugsweise dessen Nabe, als aktiver Teil des Lüftermotors, insbesondere als dessen nicht elektrisch gespeister Teil, ausgebildet ist. Im letztgenannten Fall kann er z. B. als Wirbel strom- und/oder Hysterese-Anker ausgebildet sein bzw. zur Erzielung eines synchronen Betriebs bereiches ausgeprägte Pole (Reluktanzanker) und/ oder Permanentmagnete erhalten. Unter Umständen ist es auch zweckmässig, nur einen Teil des mit dem Lüfter gekuppelten Motorteils für die angegebene Ausbildung heranzuziehen, z.
B. dadurch, dass die Lüfternabe wohl im synchronen Betrieb, etwa als Reluktanzanker, wirkt, hingegen nach dem Kippen aus dem Synchronismus der asynchrone Betrieb durch einen geblechten Kurzschlussläufer, der neben der Lüfternabe angeordnet und mit ihr gemeinsam vom Primärteil des Motors umfasst ist, erzielt wird. Der erfindungsgemässe Lüfterantrieb ist vorteil haft ganz allgemein dort anwendbar, wo einerseits eine Stromquelle veränderlicher Frequenz verfügbar ist und anderseits das technische Bedürfnis besteht, einen Lüfter mit wenig oder praktisch gar nicht ver änderlicher, zumindest jedoch begrenzter Drehzahl zu betreiben.
Bei Anwendung des Lüfterantriebes zur Belüf tung drehzahlveränderlich betriebener Maschinen wird der Lüftermotor vorzugsweise derart betrieben, dass sich seine Synchrondrehzahl gleichsinnig, insbe sondere verhältnisgleich mit der Drehzahl einer zu belüftenden Maschine ändert. Dies lässt sich immer, das heisst unabhängig von der Maschinenart, dadurch erzielen, dass der Lüftermotor von einem durch eine zu belüftende Maschinen angetriebenen Stromerzeu ger gespeist ist, der eine mit der Drehzahl wachsende Frequenz abgibt. Unter Umständen kann ein bereits für andere Zwecke vorgesehener Stromerzeuger hier für herangezogen bzw. zusätzlich ausgebildet werden.
Beispielsweise kann die Lichtmaschine eines Kraft fahrzeuges dazu verwendet werden, um mit drehzahl proportionaler Frequenz einen erfindungsgemässen Lüftermotor zu speisen und auf diese Weise die Ver- brennungskraftmaschine drehzahlbegrenzt zu be lüften.
Bei einer drehzahlveränderlichen elektrischen Maschine ist ein besonderer Stromerzeuger zur Spei sung des erfindungsgemässen Lüfterantriebes meist entbehrlich, da dann gewöhnlich eine in Zuordnung zur Drehzahl veränderliche Frequenz bereits zur Verfügung steht. Wird z. B. ein Asynchronmotor mit veränderlicher Frequenz gespeist oder eine Synchron maschine drehzahlveränderlich betrieben, so kann erfindungsgemäss der Lüftermotor für diese Maschine mit der sie speisenden bzw. von ihr erzeugten Fre quenz arbeiten. Der Lüftermotor kann dabei sowohl im Nebenschluss als auch im Hauptschluss zu der zu belüftenden Maschine geschaltet sein.
Letztere Mass nahme bringt eine vielfach erwünschte Lastabhängig keit der Lüfterdrehzahl mit sich, da dann mit stei gender Belastung entsprechend der Feldverstärkung im Lüftermotor auch die Drehzahlbegrenzung des Lüfters in einen höheren Bereich verlegt wird.
Es kann auch Nebenschluss- mit Hauptschlussspeisung kombiniert werden, etwa durch Anordnung der be treffenden Teilwicklungen im Lüftermotor selbst oder durch Anschluss dieses Motors an die Sekundär wicklung eines Compoundierungs-Transformators, der in an sich bekannter Weise mittels zweier Pri märwicklungen eine strom- und eine spannungs abhängige Durchflutung addiert.
Der Lüftermotor und eine mit ihm gleichfrequent arbeitende, zu belüftende Maschine können mit ver schiedenen Polzahlen ausgeführt sein. Ist die Pol zahl des Lüftermotors kleiner, also seine Synchron drehzahl grösser als die der Maschine, so ist dadurch der sehr vorteilhafte Effekt erzielbar, den Lüfter mit einer Drehzahl zu betreiben, die ganz oder teil- weise über der Maschinendrehzahl liegt, was- für den Platzbedarf von Lüfter und Lüfterantrieb, fallweise für die Erreichbarkeit der nötigen Luftförderung überhaupt, ausschlaggebend sein kann.
Das nach stehende Beispiel möge dies verdeutlichen: Eine 10polige Synchronmaschine arbeite im Drehzahlbereich von 1000-2000 U./min. Um die erforderliche Kühlluftmenge bei tragbarem Platz bedarf des Lüfters zu fördern, benötigte dieser eine Drehzahl von mindestens 5000 U./min. Würde der Lüfter in bekannter Weise mit der übersetzung 1 :
5 von der Maschine mechanisch angetrieben, so er hielte er bei deren unterster Drehzahl wohl die erfor derlichen 5000 U./min, jedoch würde diese Drehzahl im angegebenen Betriebsbereich bis 20000 U./min steigen können, was ausser mechanischen und akusti schen Problemen noch die untragbare Folge ergäbe, dass die Lüftung hierbei das<B>(2000015000)3</B> = 64- fache der nötigen Leistung verbrauchen würde.
Wird jedoch der Lüfter durch einen 2poligen, von der Synchronmaschine gespeisten Drehfeldmotor ange trieben, dessen Schlupf bei einer Synchrondrehzahl von 5000 U./min noch sehr klein ist, aber von da an drehzahlbegrenzend wächst,
so ergibt sich im ganzen Drehzahlbereich der zu belüftenden Maschine nur die erforderliche Lüfterdrehzahl von etwa 5000 U./min. Die Luftspaltleistung des Lüftermotors beträgt dabei höchstens das 4fache der Lüfterleistung (entsprechend 75% Schlupf bei 20 000 U./min Syn- chrondrehzahl),
also bloss 1/16 der sich bei mechani schem Antrieb an der obern Drehzahlgrenze erge benden Lüfterverluste.
Umgekehrt kann es bei sehr hochtourigen Ma schinen unter Umständen - vor allem im Hinblick auf Geräuschentwicklung - zweckmässig sein, den Lüfter mit einer Drehzahl zu betreiben, die unter halb der kleinsten betriebsmässigen Maschinendreh zahl liegt, was durch entsprechendes Polzahlver hältnis erreicht werden kann.
Eine erfindungsgemäss belüftete Maschine kann auch mit einer zusätzlichen Lüftung anderer Art, insbesondere mit einem an sich bekannten, mit der Maschinenwelle starr verbundenen Lüfter, versehen sein, wodurch eine weitere Einflussmöglichkeit auf die Drehzahlabhängigkeit der Gesamtlüftung gegeben ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfin dung besteht darin, dass der Lüfter und sein Antrieb mit einer zu belüftenden Maschine, vorzugsweise koaxial, zusammengebaut und insbesonders der Lüfter auf der Maschinenwelle gegen diese drehbar angeordnet ist. Dadurch lässt sich einerseits beträcht liche Raumersparnis erzielen, anderseits können be quem Sicherheitsmassnahmen für den Fall eines Ver sagens des Lüftermotors getroffen werden. Soll z. B.
der Lüfter im ordnungsgemässen Betrieb stets rascher als die zu belüftende Maschine laufen und ist für beide der gleiche und gleichbleibende Drehsinn vor- gesehen, so wird durch Anordnung einer über holungskupplung zwischen Maschinenwelle und Lüfter erreicht, dass bei gestörtem Lüftermotor der Lüfter nicht stillgesetzt, sondern wenigstens mit der Maschinendrehzahl betrieben wird.
Für einen ein phasig ohne Hilfsphase betriebenen Lüftermotor lie fert eine solche 17berholungskupplung ausserdem die erforderliche Anlaufhilfe. Der letztgenannte Effekt kann, und zwar unabhängig vom absoluten und rela tiven Drehsinn von Maschine und Lüfter, auch durch eine Fliehkraftkupplung, vorzugsweise Reibungs kupplung, die sich während des Anlaufes bei über- schreitung einer bestimmten Drehzahl selbsttätig löst, erzielt werden.
Da es sich hier nur um kleine zu übertragende Drehmomente handelt, genügt für die Fliehkraftkupplung eine einfache und billige Aus führung, z. B. mit radial arbeitenden vorgespannten Blattfedern, die an einem der zu kuppelnden Teile befestigt und im Ruhezustand mit dem andern Teil kraftschlüssig verbunden sind und sich im Lauf durch Fliehkraftwirkung von ihm abheben. Wird die Fliehkraftkupplung mit einer z.
B. elektromagne tisch wirkenden Lösungssperre versehen, die bei Stromausfall am Lüftermotor wirksam ist, so dass bei genannter Störung Lüfter und Maschine dreh zahlunabhängig gekuppelt bleiben, so ergibt sich wieder eine Sicherheit bei Ausfall des elektrischen Lüfterantriebes.
Die Lagerung des Lüfters auf der Maschinen welle kann, insbesondere im Hinblick auf die meist geringe Lagerbeanspruchung, oft mit selbstschmieren den Lagern erfolgen, womit die betreffende Wartung des Lüfterantriebes entfällt.
Bei koaxialem Zusammenbau von Lüftermotor und zu belüftender Maschine kann eine Primärwick lung des Lüftermotors zumindest teilweise mit einer Wicklung der genannten Maschine vereinigt sein. Es wird weiter als Variante der Erfindung vorgeschla gen, den relativ zum Lüfter drehbaren Teil des Lüftermotors mit dem Läufer einer zu belüftenden Maschine starr zu verbinden.
Hinsichtlich des Lüfters werden dann Maschinendrehzahl und Lüfter motordrehzahl addiert bzw. subtrahiert, das heisst, die Synchrondrehzahl des den Lüfterantrieb bewir kenden Drehfeldes enthält in diesem Fall auch die Maschinendrehzahl als Komponente. Es ist bei dieser Anordnung bequem möglich, den Lüftermotor durch direkten Anschluss an eine Läuferwicklung der zu belüftenden Maschine zu speisen bzw. mit einer solchen Wicklung zumindest teilweise zu vereinigen.
Dafür zeigt Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel: Ein für frequenzveränderliche Speisung bestimm ter Asynchronmotor ist mit einem erfindungsgemässen Lüfterantrieb ausgestattet. Gehäuse und Lagerschild sind der Einfachheit halber nicht gezeichnet.
Das wie üblich ausgebildete Ständerpaket 1 mit der Stän- derwicklung 2 umfasst das Läuferblechpaket 3 mit einem Kurzschlusskäfig. Dieser erhält auf der dem Lüfter abgewendeten Seite den Stirnring 4, während auf der andern Seite die Käfigstäbe 5 über das Paket hinaus verlängert, radial nach innen gekröpft, durch das von ihnen getragene Blechpaket 6 des Lüfter motors geführt und dann durch den Stirnring 7 mit einander verbunden sind.
Die Läuferströme der zu belüftenden Maschine erzeugen im Paket 6 ein Dreh feld, das gegenüber diesem Paket mit Schlupfdreh- zahl, also gegenüber dem Ständer mit der jeweiligen Synchrondrehzahl der Hauptmaschine umläuft und sich über dem auf der Nabe 8 des Lüfters 9 sitzen den Sekundärteil des Lüftermotors schliesst. Dieser Teil ist z. B. als Hysterese-Anker ausgebildet und besteht aus dem aus hochhysteretischem Werkstoff auf keramischer Basis gebildeten Ring 10 und dem als magnetischer Rückschluss dienenden Blechpaket 11.
Die Lüfternabe 8 ist mittels der Wälzlager 12 und 13 auf der Welle 14 frei drehbar gelagert. Ober halb einer gewissen Drehzahl des den Lüfter treiben den Drehfeldes wächst der Schlupf, mit dem der Lüfter hinter diesem Drehfeld zurückbleibt, steil an, und es ergibt sich eine Drehzahlbegrenzung des Lüfters. Da hier entsprechend der Erregung durch die Käfigwicklung der Hauptmaschine der Lüfter motor in reinem Hauptschlussbetrieb arbeitet, wird, wie schon früher erörtert, die Stärke des Drehfeldes und damit die Drehzahlgrenze des Lüfters mit den Käfigströmen, also der Belastung der zu belüftenden Maschine, zunehmen.
Dies ergibt eine erwünschte selbsttätige Belastungsanpassung der Lüftung.
Die Ankerwicklung einer Gleichstrommaschine führt bekanntlich eine drehzahlproportionale Fre quenz. Wird der Primärteil eines erfindungsgemässen Lüftermotors mit dem Anker einer solchen Maschine starr verbunden und über Anzapfungen der Anker wicklung - zweckmässig mehrphasig - gespeist, so ergibt sich, wie leicht nachweisbar, eine Drehzahl des den Lüfter antreibenden Drehfeldes, die
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beträgt.
Hierbei bedeutet n"; die Drehzahl des Gleich- stromankers, p, <B>,</B> dessen Polpaarzahl und pL die Pol- paarzahl des Lüftermotors. Das Pluszeichen in vor stehender Formel entspricht einer Phasenvertau schung im Anschluss des Lüftermotors an den Gleichstromanker, das heisst gegensinniger Drehrich tung der beiden Drehfelder relativ zu den sie erzeu genden Wicklungen.
Wie die Formel zeigt, kann durch passende Wahl des Polzahlverhältnisses PG(PL, vorzugsweise mit Hilfe der genannten Phasenvertau schung, die synchrone Lüfterdrehzahl n auf ein Viel faches der Maschinendrehzahl % gesteigert werden, was insbesondere bei drehzahlveränderlich betrie benen Gleichstrommaschinen mit zumindest im un tern Bereich kleinen Drehzahlen sehr vorteilhaft ist. Oberhalb eines Grenzwertes von n verändert sich die Lüfterdrehzahl n1 je nach Art und Auslegung des Antriebsmotors nur wenig oder gar nicht.
Durch Compoundierung bzw. Sättigung des Lüftermotors ist es auch hier möglich, die Drehzahl des Lüfters lastabhängig bzw. last- und ankerspannungsunab- hängig zu machen. Ebenso ist eine zumindest teil weise Vereinigung der Gleichstrom-Ankerwicklung mit der (Hauptschluss-)Wicklung des Lüftermotors nach dem in Fig. 3 gezeigten Prinzip möglich.