Elektromotor Die Geschwindigkeit eines Mehrphaseninduk- tionsmotors ist innerhalb bestimmter Grenzen re gulierbar, wenn eine EMK in die Rotorwicklungen des Motors eingeführt wird, die entgegengesetzt zur Richtung der EMK gerichtet ist, welche von den Statorwicklungen in den Rotorwicklungen induziert wird, indem diese EMK eine Erhöhung des Rotor- schlupfes und damit eine Erhöhung der im Rotor induzierten EMK zur Folge hat,
bis diese die Gegen- EMK um den benötigen Betrag Übersteigt.
Es hat sich gezeigt, dass Elektromotoren, welche nach dem vorerwähnten Prinzip ausgeführt worden sind, um -die Geschwindigkeit regulieren zu können, den Nachteil starker Wärmeverluste in zusätzlichen Widerständen aufweisen oder Kommutatoren, Bür stensätze und Induktionsregler benötigen, womit eine Kostenerhöhung, ein erhöhter Platzbedarf wegen der zusätzlichen Apparate verbunden ist, abgesehen von anderen Problemen, die sich bei der Aufrechthaltung des Laufes solcher Motoren ergeben.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Elektromotors, dessen Geschwindigkeit regulierbar und der an eine Mehrphasenwechselstromquelle an- schliessbar ist, welcher ausserdem weder Kommuta- tor noch Bürsten benötigt, und bei dem die weiter genannten Nachteile vermieden werden können, wel cher Elektromotor ausserdem eine hohe Empfindlich keit gegenüber Steuersignalen aufweist und sich zu dem zur Steuerung grosser Belastungen eignet.
Derartige Motoren lassen sich weitgehend in automatischen Steuersysternen. verwenden, wenn es sich darum handelt, Steuermittel zur Regulierung von strömenden Flüssigkeiten, von in Bewegung be findlichen körnigen oder pulverisierten Materialien in übereinstimmung mit Befehlen von automatischen Programmsteue-rsystemen zu betätigen, insbesondere wenn es sich darum handelt, Geschwindigkeitsän derungen von Fördermitteln, wie Pumpen, Gebläsen usw., zu veranlassen.
Bei solchen Anwendungen ist es von Bedeutung, dass die Betätigung des zu steuern den Elementes genau ist und auch zwischen zwei sehr nahe beieinanderliegenden Grenzwerten auf rechterhalten werden kann.
Der erfindungsgemässe Elektromotor ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen ersten Stator mit einer Mehrphasen#motorinduktionswicklung und einen zweiten Stator mit einer Einphasenwicklung sowie Mittel zur Erregung der Einphasenstatorwick- lung mittels Gleichstrom aufweist, welche Stator- wicklungen in axialer Richtung im Abstand von einander angeordnet sind,
und dass ein Rotor mit zwei nebeneinander angeordneten Mehrphasenwick- lungen zur Zusammenwirkung mit den beiden Stator- wicklungen vorgesehen ist, ferner dass die einen Enden jeder Phasenwicklung jeder Rotorwicklung zu einem Sternpunkt zusammengeschlossen sind, während die anderen Enden der Phasenwicklungen jeder Rotorwicklung mit einer aus Zweiweggleich- richtern gebildeten Gleichrichtergruppe in Verbin dung stehen,
wobei die Verbindungen mit der Gleich- richtergruppe derart ausgeführt sind, dass jede Pha senwicklung einer Mehrphasenrotorwicklung mit der ungleichnamigen<U>Klemme</U> der Gleichrichtergruppe verbunden ist, mit der die entsprechende Phase der anderen Mehrphasenrotorwicklung in Verbindung steht, und dass die Ausgänge der Gleichrichtergrup- pen über eine einen Widerstand oder eine Indukti- vität darstellende Belastung zusammengeschlossen -sind.
In der Zeichnung sind ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und einige Detailvari anten dargestellt. Es zeigt: Fig. <B>1</B> eine schematische Ausführungsform des Elektromotors, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie Ir-II in Fig. <B>1,</B> Fig. <B>3</B> eine erste Ausführungsform der Schal tungsanordnung des Motors gemäss Fig. <B>1</B> und 2, Fig. 4 ein Vektordiagramm, das die Spannungs verhältnisse des Rotors eines Mehrphasen-Induk- tionsmotors veranschaulicht,
Fig. <B>5</B> die Schaltungsanordnung des Motors nach Fig. <B>1</B> und 2 gemäss einer zweiten Ausführungs form und Fig. <B>6</B> die Schaltungsanordnung des Motors nach Fig. <B>1</B> und 2 gemäss einer dritten Ausführungsform. Der Elektromotor gemäss Fig. <B>1</B> und 2 weist ein zylindrisches Gehäuse<B>1</B> auf, das beiderends mittels Endplatten 2 abgeschlossen ist.
Die beiden Endplatten 2 werden durch Schraubenbolzen<B>3,</B> von denen nur zwei sichtbar sind, in der Abschluss- stellung festgehalten und sich derart ausgebildet-, dass sie<B>je</B> ein Lager 4 bzw. <B>5</B> für eine Rotorwelle <B>6</B> aufweisen. Das eine Ende der Welle<B>6</B> ist oben aus dem Lager 4 herausgeführt und dient als Trieb welle des Elektromotors. Die beiden Lager 4 und<B>5</B> können als Kugellager oder als Rollenlager ausge bildet sein. Insbesondere ist das Lager<B>5</B> bei der gezeichneten Ausführungform nach Fig. <B>1</B> als Stütz lager ausgebildet.
Die Welle<B>6</B> trägt zwei im<B>Ab-</B> stand voneinander angeordnete Rotoren<B>7</B> und<B>8,</B> die<B>je</B> einem Stator <B>9</B> bzw. <B>10</B> zugeordnet sind. Die beiden Statoren <B>9</B> und<B>10</B> sind im Gehäuse<B>1</B> befestigt.
Der Rotor<B>7</B> ist mit einem Satz von Dreiphasen- wechselstromwicklungen <B>11</B> ausgestattet, die sich auf einem geblechten Rotorkörper 12 befinden. Der Kör per 12 ist auf der Welle<B>6</B> mittels zweier Klemm ringe<B>13</B> und 14 festgestellt. Der Stator <B>9</B> schliesst einen Satz von Dreiphasenwechselstromwicklungen <B>15</B> ein, die auf einem geblechten Statorkörper <B>16</B> angeordnet sind, der an der Innenwand des Ge häuses<B>1</B> befestigt ist.
Der Rotor<B>8</B> trägt einen Satz von Dreiphasen- wechselstromwicklungen <B>17,</B> die sich auf einem ge- blechten Rotorkörper <B>18</B> befinden, der auf der Welle <B>6</B> befestigt ist. Die Rotorbleche des Rotorkörpers sind mittels zweier Klemmringe<B>19</B> und 20 in Stel lung gehalten. Der Rotor<B>8</B> kann eine grössere Zahl von Windungen als der Rotor<B>7</B> und damit einen höheren Widerstand aufweisen.
Der Stator <B>10,</B> weist im Gegensatz zum Stator <B>9</B> nur eine einzige Stator- wicklung 21 auf, die sich auf einem geblechten, an der Innenwandung des Gehäuses<B>1</B> befestigten Körper 22 befindet. Die Statorwicklung 21 ist so angeordnet, dass so viele Polpaare vorhanden sind, als erforderlich ist, um den gewünschten Regulier bereich, innert welchem die Geschwindigkeitsände rung liegen soll, mittels eines Rheostaten 47 (Fig. <B>3)</B> zu erhalten.
Eine auf der Welle<B>6</B> angeordnete und mit ihr drehbare kreisförmige Platte<B>23</B> dient als Trägerin für eine Gleichrichtergruppe, die aus zwölf Gleich richtern aufgebaut ist, welche auf zwei konzentrischen Ringen liegen und mit 24-35 bezeichnet sind.
Die positiven Pole der Gleichrichter 24,<B>26, 28,</B> <B>30, 32</B> und 34 sind unter sich durch einen aus leitendem Material bestehenden Ring<B>36</B> verbunden, der über einen Arm mit dem einen Ende eines Widerstandes<B>37</B> von Kreisringform verbunden ist. Der Widerstand<B>37</B> selbst ist mittels Arme<B>38</B> mit dem auf der Platte<B>23</B> befindlichen Ring<B>36</B> ver bunden. Die negativen Pole der Gleichrichter<B>25,</B> <B>27, 29, 31, 33</B> und<B>35</B> sind über einen Leiter <B>39</B> verbunden und über diesen an das andere Ende des Widerstandes<B>37</B> angeschlossen.
Die einen Enden jeder der Dreiphasenrotorwick- lungen <B>17</B> sind zur Bildung eines Sternpunktes für die vollständige Rotorwicklung zusammengeschlos sen. Die anderen Enden dieser Rotorwicklungen sind über isolierte Leiter 40, 41 und 42 mit den Gleichrichtern 24 und 25 bzw. <B>28</B> und<B>29</B> bzw. <B>32</B> und<B>33</B> verbunden.
In analoger Weise sind die einen Enden der Dreiphasenwicklungen <B>11</B> des Ro tors<B>7</B> zur Bildung eines Sternpunktes für die voll ständige Rotorwicklung unter sich verbunden, wäh rend die anderen Enden der Phasenwicklungen über isolierte Leiter 43, 44 und 45 an die Gleichrichter <B>26</B> und<B>27</B> bzw. <B>30</B> und<B>31</B> bzw. 34 und<B>35</B> ange schlossen sind.
Fig. <B>3</B> zeigt schematisch den Stromkreis des in Fig. <B>1</B> und 2 dargestellten Elektromotors, wobei für die entsprechenden Teile des letzteren die gleichen Bezugszeichen verwendet sind. Zusätzlich sind in Fig. <B>3</B> zur Bezeichnung der drei Phasen der Drei- phasenwicklungen die Buchstaben<B><I>A,</I></B><I> B</I> und<B><I>C ge-</I></B> braucht worden, so dass beispielsweise die Rotor- wicklungen <B>11</B> und<B>17</B> aus den Phasenwicklungen 1lA, <I>11B</I> und<B>11C</B> bzw. <B>17A, 17B</B> und<B>17C</B> be stehen.
Die Statorwicklung <B>15</B> ist an eine Mehrphasen- wechselstromquelle angeschlossen, welch letztere über Feldgleichrichter 46 mit der einen Klemme eines Feldrheostaten 47 verbunden ist. Der verstellbare Abgreifer des Rheostaten ist mit dem einen Ende der Statorwicklung 21 verbunden, deren anderes Ende neutral ist.
Der beschriebene Elektromotor arbeitet wie folgt: Wenn Spannung von der Mehrphasenstromquelle der Mehrphasenstatorwicklung <B>15</B> zugeführt wird, läuft der Motor als normaler Induktionsmotor mit einer Geschwindigkeit, die von den Charakteristiken der Wicklungen<B>11</B> und<B>15</B> sowie vom Widerstand der Gleichrichter 24-25 der Gleichrichtergruppe abhängig ist.
Wie Fig. <B>3</B> zeigt, ist die Statorwicklung 21 über den Rheostaten 47 und den Gleichrichter 46 mit der Mehrphasenwechselstromquelle verbunden, wes halb der einen hohen Widerstand besitzende Rotor<B>8</B> mit seiner Mehrphasenwicklung <B>17</B> in einem<B>Feld</B> dreht, in welcher Wicklung die Statorwicklung eine entgegengesetzte EMK erzeugt, die der Stärke des magnetischen Flusses angepasst ist, welcher Fluss durch die Feldwicklung 21 und die Geschwindigkeit der Drehung erzeugt wird.
Diese EMK geht durch die Gleichrichtergruppe 24-35 und ist entgegenge setzt zur EMK gerichtet, die durch die Mehrpha- senrotorwicklung <B>11</B> hervorgerufen wird. Dies hat zur Folge, dass der in der Rotorwicklung <B>11</B> fliessende Strom sinkt und die Geschwindigkeit der Rotorwelle fällt, wobei der Schlupf und die im Rotor<B>7</B> er zeugte EMK ansteigen.
Das Absinken der Geschwin digkeit des Rootrs <B>7</B> verursacht eine Abnahme der Grösse der erzeugten EMK. Der Motor läuft mit einer Geschwindigkeit, bei welcher die in den Rotor- wicklungen <B>11</B> erzeugte EMK die in den zweiten Rotorwicklungen <B>17</B> erzeugte EMK um einen Betrag übersteigt, der ausreicht, damit der erforderliche Hauptmotorstrom durch die kombinierte Impedanz der beiden Rotorwicklungen <B>11</B> und<B>17,</B> der Gleich richter 24-35 und des Widerstandes<B>37</B> fliesst.
Bei einem geänderten Motorstromkreis kann ein wünschbares hohes Drehmoment bei Stillstand ohne Einschaltung eines grossen Widerstandes in den Ro- torkreis dadurch erreicht werden, wenn die Phase der Spannung, die an die Rotorwicklungen 1lA, lIB, <B><I>11C</I></B> und<B>17A, 17B</B> und<B>17C</B> angelegt wird, um mindestens angenähert 45' verschoben wird.
Die se Phasenvoreilung um 451 lässt sich dadurch er zielen, indem der induzierten Spannung jeder Pha senwicklung des Rotors ein Anteil der in den ande ren Phasenwicklungen derselben Rotorwicklung <B>11</B> oder<B>17</B> induzierten Spannung hinzugeführt wird.
Dieses Problem bezüglich der Erzielung einer Voreilung der Phase jeder Rotorwicklung um etwa 450 gegenüber der in den Wicklungen induzierten Spannung wird nachstehend an Hand der Fig. 4 beschrieben, die eine vektorielle Darstellung der Spannungen VR1, VR2 und VR3 der Phasen<B>1</B> bzw. 2 bzw. <B>3</B> zeigt, die im Rotor eines Drei- phasen-Induktionsmotors mit den Rotorwicklungen Rl, R2 und R3 induziert werden.
Aus dem. Vektor- diagramm ergibt sich, dass die wünschbare Vor- eilung eintritt, wenn der Phase<B>1</B> etwa<B>58%</B> ent sprechend 1/# cos <B>30</B> der in der Phase 2 induzierten Spannung mit umgekehrter Polarität bezüglich der Phase 2 und etwa<B>58 %</B> der in der Phase<B>3</B> in duzierten Spannung mit gleicher Polarität wie die Phase<B>3</B> hinzu addiert werden.
Der resultierende Vektor VR11 stellt die der Phase<B>1</B> zugeführte Spannung dar, so dass die Rotorwicklung gegen über dem Vektor VR1 eine Voreilung von 451 aufweist. Die Vektoren VR21 und VR31 entsprechen den Spannungen, die den Phasen 2 und<B>3</B> zugeführt werden, wenn gleiche Prozente der Spannungsfak toren der anderen Phasen der Rotorwicklung in analoger Weise hinzu addiert werden.
Die Addition von<B>58 %</B> der Phasen der anderen Wicklungen zu irgendeiner anderen Wicklung kann dadurch erreicht werden, wenn man jede der vorhandenen Phasen wicklungen in drei Teile unterteilt, wie dies bei der in der Fig. <B>5</B> gezeigten Detailvariante der Schal tungsanordnung der Fall ist.
Wie Fig. <B>5</B> zeigt, ist jede Phasenwicklung 1lA, IlB, llC, <B>17A, 17B, 17C</B> der Rotorwicklung <B>11</B> bzw. <B>17</B> in drei Teile aufgeteilt, die wie folgt bezeichnet sind:
Die Phasenwicklung<B>11A</B> des Rotors<B>11</B> ist in drei Teile<B><I>11A1,</I> 11A2</B> und<B>11A3;</B> die Phasen wicklung 11B in die drei Teile 11B1, 11B2 und 11B3; die Phasenwicklung<B>11C</B> in die drei Teile <B><I>11C1,</I> 11C2</B> und<B>11C3</B> unterteilt, während die Pha senwicklung<B>17A</B> des Rotors<B>17</B> aus den drei Teilen <B>17A1, 17A2</B> und<B>17A3;</B> die Phasenwicklung<B>17B</B> aus den drei Teilen<B>17B1, 17B2</B> und<B>17B3;</B> die Phasenwicklung<B>17C</B> aus den drei Teilen<B>17C1,</B> <B>17C2</B> und<B>17C3</B> besteht.
In jedem Falle ist eine solche Unterteilung vorgesehen, dass jeweils der eine der drei Teile einer Wicklung den grösseren Teil der Windungen umfasst, während die beiden übrigen Teile jeweils nur<B>je</B> angenähert<B>58 %</B> der Windungen des grösseren Teils aufweisen.
Jeder Teil mit der grösseren Windungszahl <B>je-</B> der Rotorphasenwicklung ist in Serie mit einem Teil mit einer kleineren Anzahl Windungen jeder der beiden anderen Phasen der Rotorwicklung ge schaltet. Diese Verbindungen sind in der Weise ausgeführt, dass jeweils ein Teil mit ein-er kleineren Windungszahl gegenüber den beiden anderen Teilen der gleichen Serie im entgegengesetzten Sinne wirk sam ist wie die beiden anderen Teile.
Massgebend für die Anordnung der einzelnen in Serie geschal- tenen Teile der Phasenwicklungen ist die Richtung, in welcher der Rotor das maximale Drehmoment bei Stillstand entwickeln soll.
Wie die Schaltungsanordnung der Fig. <B>5</B> zeigt, sind die folgenden Serieschaltungen der einzelnen Teile der Phasenwicklungen vorgesehen: Im Falle der Rotorwicklung <B>11:<I>11A1,</I> 11C2</B> und 11B3; <I>11B1,</I><B>11A2</B> und<B><I>110; 11C1,</I></B> 11B2 und<B>11A3.</B> Im Falle der Rotorwicklung <B>17</B> sind es folgende in Serie geschaltete Teile-.<B>17A1, 17C2</B> und<B>17B3;</B> 17B1, <B>17A2</B> und<B>17C3; 17C1, 17B2</B> und<B>17A3.</B> Die Phase des Stromes, der in jeder Rotorwicklung <B>11</B> fliesst, ist weitgehend abhängig von der Phase der Spannung, die der betreffenden Wicklung zu geführt wird.
Daraus folgt, dass die Phase des Stroms, der in jeder Rotorwicklung fliesst, ebenfalls wie die, Spannungen eine Voreilung von 451 besitzt und gleichfalls angenähert im gleichen Phasenverhältnis zum rotierenden magnetischen Fluss liegt, der in der Rotorwicklung <B>11</B> induziert wird, analog, wie wenn der Gesamtwiderstand im Rotorkreis gleich der Reaktanz gemacht wird, um dadurch die Be dingungen für ein maximales Drehmoment bei klei ner Geschwindigkeit zu schaffen.
Mit anderen Wor ten: es kann das wünschbare hohe Drehmoment bei kleiner Geschwindigkeit ohne Einschaltung eines ausserordentlich grossen reinen Widerstandes in den Rotorkreis des Motors entwickelt werden. Demzu folge lässt sich der durch den Widerstand bedingte Kraft- oder Leistungsverlust im Rotorkreis wesent lich herabsetzen. Durch eine weitere Herabsetzung des Widerstandes des Rotorkreises lässt sich eine Reduktion des Leistungsverlustes, der sich in der Form von im Rotorkreis entwickelter Wärme be merkbar macht, erzielen.
Eine solche Massnahme ist bei der Schaltungsanordnung nach Fig. <B>6</B> vor gesehen, bei der der Widerstand<B>37</B> durch Drosseln 48, 49 und<B>50</B> ersetzt worden ist.
Die Drosseln 48, 49 und<B>50</B> können. nicht direkt in den Rotorkreis geschaltet werden, wie dies beim Widerstand<B>37</B> der Fall gewesen ist, da der Strom in dem betreffenden Teil des Rotorkreises die Form eines Gleichstromes aufweist, so dass Induktivitäten elektrisch unwirksam wären. Die Induktivitäten 48, 49 und<B>50</B> sind deshalb an die Klemmen der Gleichrichter, die mit den Wicklungen 1lA, <B><I>17A</I></B> bzw. llB, <B>17B</B> bzw. <B>11C</B> und<B>17C</B> verbunden sind, angeschlossen.
Jede Drossel weist eine in zwei Teile aufgeteilte Wicklung auf. Die beiden Wicklungshälf ten haben in bezug auf einander den gleichen Wick lungssinn und sind auf den gleichen Körper aus Weicheisen aufgewickelt. Die Teilwicklungen sind mit 48A, 48B für die Induktivität 48, mit 49A, 49B für die Induktivität 49 und mit 50A, <I>50B</I> für die Induktivität <B>50</B> bezeichnet. Die Wicklungen jedes Paares 48A, 48B; 49A, 49B oder 5OA, <I>50B</I> sind unter sich verbunden und ausserdem an den gleichen Punkt sämtlicher übrigen Induktivitäten an geschlossen, die mit den übrigen Gleichrichtern ver bunden sind.
Da die Wicklungsrichtung jedes Wick lungspaares 48A, 48B, 49A, 49B, 50A, <I>50B</I> gleich ist, ergibt, es sich, dass ein wechselnder magnetischer Fluss in den zusammengeschlossenen Eisenkörpern durch die wechselnden halbwellenförmigen Impulse von den positiven und negativen Polen der ange schlossenen Gleichrichter erzeugt wird.
Auf diese Weise wirkt jeder halben Periode des Wechsel stromes, die von jedem Gleichrichter ausgeht, die gegenelektromotorische Kraft entgegen, die in der Induktivität erzeugt wird, wobei der Leistungsver lust zufolge des Widerstandes im Rotorkreis, in den die Induktivität geschaltet ist, begrenzt wird auf den Widerstandsverlust, der sich aus demjenigen der Rotorwicklungen und demjenigen der Wicklun gen der Induktivität ergibt. Bei der Verwendung von Drosseln 48, 49 und<B>50</B> besteht die Not wendigkeit, dass die Eingänge zu den Gleichrichtern in Phase gehalten werden.
Unter den. gegebenen Umständen ist ein Satz von Rotorwicklungsverbin- dungen zu kreuzen.
Die Induktivitäten können fest auf dem Rotor montiert sein, so dass sie mit dem letzteren rotieren. Ihre Anordnung kann beispielsweise auf einer kreis förmigen Platte, ähnlich der Platte<B>23</B> für die Mon tage der Gleichrichter, erfolgen.
Falls erwünscht, können die Gleichrichter und/ oder die Induktivitäten anstatt auf dem einen Ende der Rotorwelle <B>6</B> auch auf dem zwischen den Ro- toren <B>7</B> und<B>8</B> liegenden Teil der Rotorwelle mon tiert sein.
Die Geschwindigkeit des Motors lässt sich so weit herabsetzen, dass sie einer solchen entspricht, die sich bei voller Sättigung des die Drehfelder erzeugenden Wicklungen tragenden Körpers einstellt.
Die Geschwindigkeit des Motors lässt sich auf verschiedene Weise regulieren. Eine bekannte Me thode besteht in der Anordnung des Rheostaten 47 oder eines variablen Widerstandes, der in Serie mit einem Mehrphasengleichrichter in die Verbin dung zwischen die Stromquelle und die Hauptsta- torwicklung und die Feldwicklung 21 geschaltet wird. Andere Methoden sind anwendbar beispiels weise durch Verwendung einer separaten Gleich stromquelle, von gittergesteuerten Gleichrichtern oder von Siliziumgleichrichtern.