Netzfrequenzgespeister Induktionsmotor hoher Drehzahl Die Erfindung bezieht sich auf einen netzfrequenz- gespeisten Induktionsmotor hoher Drehzahl mit einer Synchrondrehzahl gleich einem Vielfachen der der Speisefrequenz entsprechenden Synchrondrehzahl.
Motoren kleiner Leistung, welche meist für Antriebe hoher Drehzahl (über 3000 U/min) angewandt werden, und zwar für verschiedene Anwendungen, wie Staub sauger, Mixer usw., sind einphasige Reihenschlussmoto- ren mit Kollektor.
Das Vorhandensein eines Kollektors, welcher wegen der hohen Drehzahl sehr grosse mecha nische Beanspruchungen aushalten muss, bildet den wichtigsten Nachteil dieser Motoren, einerseits wegen der Betriebsstörungen, welche durch den Kollektor auf treten können (Abnützung der Bürsten usw.), wegen des Lärmes und der Rundfunkstörungen, und anderseits we gen der technologischen Schwierigkeiten, welche bei der Herstellung der Läufer mit Kollektor auftreten und den deshalb erhöhten Kosten dieser Läufer im Verhältnis zu demjenigen von Induktionsmotoren (Asynchron motoren).
Da die oben angeführten Geräte im allgemei nen immer vom Netz mit 50-60 Hz gespeist werden sol len, können sie bei Drehzahlen über 3000 U/min nicht von Induktionsmotoren angetrieben werden, welche we gen ihrer einfachen und widerstandsfähigen Läufer für Antriebe mit hohen Drehzahlen an sich sehr geeignet wären.
Anderseits sind statische Frequenzvervielfacher für einen Vervielfachungsfaktor von m=3, 5, 7 bekannt, welche aus mn Einphasentransformatoren mit stark gesättigtem Kern bestehen und deren Primärwicklungen mit um den Winkel 2 -r/m zueinander verdrehten Span nungen gespeist werden und deren Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet sind, so dass die m -te Oberwelle der induzierten Spannung aus a'Uen addiert wird (z. B. US-Patente Nr.<B>2470975</B> und Nr.<B>2517396,</B> BR- Deutschland Nr. 916 781 usw.).
Für verschiedene industrielle Anwendungen, bei de nen hohe Drehzahlen nötig sind, werden von statischen Frequenzvervielfachern gespeiste Induktionsmotoren verwendet. Dieses System hat jedoch Nachteile, da einer- seits zwei Bauelemente in Reihe geschaltet sind (der Mo tor und der Frequenzvervielfacher) und anderseits die hohe induktive Reaktanz des Sekundarkreises des Ver- vielfachers eine kapazitive Kompensation erfordert, wo durch die Anlage verteuert wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Induk tionsmotoren hoher Drehzahl, insbesondere Asynchron motoren, welche mit Netzfrequenz gespeist werden und eine Drehzahl gleich einem Vielfachen der Synchron drehzahl der Netzfrequenz haben.
Der erfindungsgemässe Induktionsmotor ist dadurch gekennzeichnet, dass er im Luftspalt ein magnetisches Drehfeld besitzt, dessen Drehzahl gleich einem Viel fachen der der Netzfrequenz entsprechenden Synchron drehzahl ist, und das durch Sättigen von Teilen des Ständermagnetkreises erhalten wird, und zwar so, dass die der Grundwelle entsprechenden Magnetflüsse sich beinahe vollständig im Ständer schliessen, die durch eine Oberwelle gebildeten Magnetflüsse dagegen, welche das der Nenndrehzahl entsprechende Drehfeld bilden, durch den Luftspalt und den Läufer gehen, während die ma gnetischen Wechselfelder der anderen Oberwellen wie der im Ständereisen verlaufen.
Dies kann in Maschinen mit Polspulen und ausge prägten Polen mit drei oder vier Zähnen für eine Dreh zahl von 3 X 3000 U/min beim Betrieb der Maschine mit 50 Hz erreicht werden und für Maschinen ohne Schen kelpole mit einer Zähnezahl m=3, 5 oder 7 je Pol für Drehfelder einer Drehzahl von 3000 X m also 9000 U/ min, oder 15 000 U/min oder 21<B>000</B> U/min, beim An- schluss an das 50-Hz-Netz.
Im folgenden werden vier Ausführungsbeispiele der Motoren anhand der Zeichnuna beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Pol eines Mo tors für (ausschliesslich) 3 X 3000 U/min bei 50 Hz und mit Polspulen auf Polen mit vier Zähnen, Fig. 2 einen Schaltplan des Motors nach Fig. 1, Fig.3 eine schematische Darstellung eines Motors für eine Drehzahl von mX3000 U/min bei 50 Hz mit m=3, wobei m die Anzahl Zähne je Pol ist, Fig. 4 ein Vektordiagramm der Spannungen des Mo tors nach Fig. 3,
Fig.5 eine vereinfachte Darstellung eines Motors für eine Drehzahl von m X 3000 U/min bei 50 Hz und <I>m=5,</I> Fig. 6 ein Vektordiagramm der Spannungen des Mo tors nach Fig. 5, Fig. 7 einen Querschnitt durch einen Pol der Ma schine nach Fig.3 (für m=3) und mit verdickter Schwelle im Bereich des Poles, Fig. 8 einen Querschnitt durch einen Pol eines Mo tors für (ausschliesslich) 3 X 3000 U/min bei 50 Hz, und Polen mit drei Zähnen und Polspulen kleiner als der Durchmesser,
Fig. 9 einen Schaltplan des Motors nach Fig. 8 und Fig. 10 eine vereinfachte Darstellung des Motors für (ausschliesslich) 3 X 3000 U/min bei 50 Hz, mit aus drei Zähnen gebildeten Polen mit Polspulen, die einen Durchmesser umfassen.
In Fig.l sieht man einen Wicklungsstrang 1 der Polspule 11 (Fig. 2), welche für zwei benachbarte Pole gemeinsam ist, und die Sättigungsspulen 2, 3, 4 und 5 auf den Zähnen 6, 7, 8 und 9 des Poles. Das magnetische Feld der Polspule 11 schliesst sich durch die Zahnpaare auf den in Fig. 1 durch zwei geschlossene Kurven aus Strichlinien angegebenen Wegen, d. h. durch das läufer nahe Poljoch, die dem Wicklungsstrang der Polspule be nachbarten Zähne und das läuferferne Poljoch.
Diesem Feld überlagern sich in den Zähnen die Felder der Sät tigungsspulen, welche sich je durch die Zahnpaare auf der rechten und linken Seite des Poles schliessen und durch Strich-Punkt-Linien dargestellt sind. Unter diesen Bedingungen tritt die dritte Oberwelle der Flüsse aus den Zähnen, da sie gleichphasig sind, auch im Luftspalt auf. Der Rest der Grundwelle wird mit Hilfe der Spule 10 kompensiert, wobei ein Anschluss an das 50-Hz-Netz mit entsprechender Phasenverschiebung vorgesehen ist.
Statt der Spule 10 kann man gegebenenfalls zwei Kom- pensationspulen verwenden, welche an die phasenver schobene Spannung angeschlossen werden und sich so zusammensetzen. dass ihr Gesamtfeld das 50-Hz-Rest- feld aufhebt.
In Fig. 2 sieht man die Polspulen 11 und 12. Eben falls dargestellt sind die Sättigungsspulen 2, 3, 4, 5, die den Zähnen 6. 7, 8 bzw. 9@ (Fig. 1) zugeordnet sind. Ausserdem sind in Fig.2 im Bereich jedes Polspulen stranges drei Zahlenangaben vorhanden, in denen je ein: Zahl eingeklammert ist.
Während das mittlere Zahlenpaar die Phasenlage der durch den entsprechenden Strang der Polwicklung her vorgerufenen Poldurchflutung (auf der einen und auf der anderen Seite des Polstranges) angibt, geben die bei den andern Zahlenpaare die entsprechende Phasenlage der Durchflutung in den Zähnen der Sättigungsspulen an, und zwar der nicht eingeklammerte Wert die Pha senlage der Durchflutung in dem ersten (z. B. 7) und der eingeklammerte Wert die Phasenlage der Durchflutung in dem zweiten (z. B. 6) auf derselben Seite des Polwick- lun2sstranges liegenden Zahnes.
Wie aus Fig.2 ersichtlich, sind nun die Sättigungs spulen 2, 3, 4 und 5 derart geschaltet, dass folgende Be dingungen erfüllt sind: - Die Phasenverschiebung zwischen den Durchflutun- gen in den einem Polwicklungsstrang näheren Sätti gungszähnen (z. B. 7 und 8) ist 90 . - Die Phasenverschiebung zwischen den Durchflutun- gen in den einem Polwicklungsstrang entfernteren Sättigungszähnen (z. B. 60 und 10) beträgt ebenfalls 90 .
- Die Phasenverschiebung zwischen den Durchflutun- gen in zwei benachbarten, unmittelbar auf einen Pol wicklungsstrang folgenden Zähnen (z. B. 6 und 7) beträgt 180 .
- Die Phasenverschiebung zwischen der Durchflutung in einem einem Polwicklungsstrang näheren Sätti gungszahn und der Durchflutung in einem dem be nachbarten Polwicklungsstrang näheren Sättigungs zahn beträgt 45 . Unter diesen Bedingungen entsteht in den Zähnen eine kräftige Oberwelle dritter Ordnung des Flusses, und zwar in gleicher Richtung für alle vier Zähne der Pole.
Diese Oberwelle erzeugt den Nutzfluss der Maschine, welcher zwischen den entgegengesetzten Polen fliesst, und zu den entgegengesetzten Polen verschoben ist, wo bei die Sättigungsspulen so gespeist werden, dass die Grundwelle der Gesamtdurchflutung +45 (225 ) und -45 (135 ) ist, mit 90 der Oberwelle in bezug auf die entgegengesetzten Pole, für welche die Durchflutungen 0 (180 ) und 90 (270 ) sind, aus denen das Drehfeld der Maschine mit einer Drehzahl von 3 X 3000 U/min entsteht.
In Fig. 3 sieht man für einen Motor mit m=3 den Anschluss der Sättigungsspulen. Auf den Polen 13, 14, 15 und 16 befinden sich die Sättigungsspulen, und zwar die für die Zähne von zwei Polen gemeinsamen Spulen, wie z. B. 17, Spulen für mehrere Zähne des gleichen Poles, wie z. B. 18, und auf einen Zahn eines Poles be schränkte Spulen, wie z. B. 19. Alle haben eine ent sprechend gewählte Windungszahl und so ausgewählte Phasenlage, dass die Gesamtflüsse aus den Zähnen um 2:r/3 verschoben sind, laut Diagramm aus Fig. 4, wo x, y, z bzw. -x, -y, -z die Vektoren für ein Polpaar sind und x', y', z' bzw. -x', -y', -z' für das andere Paar.
In Fig. 5 ist ein ähnliches Beispiel für m=5 wieder gegeben; das Vektordiagramm für diesen Fall ist in Fig. 6 gezeigt.
In Fig.7 sieht man die Verdickung des Ständer- joches 20 im Bereich eines Poles 21. Die Stirnflächen der Polzähne 21' sind geschliffen und liegen an den ge schliffenen Flächen 22, 23, 2-1 des Joches 20 an, wobei das Schleifen nach dem Zusammenstellen des Blech paketes sowohl für die Pole 21 als auch für das Joch 21 und das Joch 20 ausgeführt wird. Auf diese Weise wird die Durchflutung, welche zur Erzeugung eines Feldes hoher Induktion in den Luftspalten (18 000-22 000 Gauss) notwendig ist, stark herabgesetzt. Die vier Pole werden am äusseren ringförmigen Joch durch vier amagnetische (nicht dargestellte) Keile, z.
B. aus Texto- lit , angedrückt gehalten, welche in die Zwischenräume 25 zwischen je zwei benachbarten Polen eingetrieben werden. In Fig. 8 sieht man einen Pol 26 mit drei Zäh nen, die Polspule 27, die nicht den Durchmesser über spannt, die Sättigungsspulen 28 und 28', die Kompen sationsspule 29 und die Befestigungskeile 30 und 30'. Der elektrische Schaltplan für diesen Motor ist in Fig. 9 dargestellt. In Fig. 10 sieht man die über einen Durch- tnesser gewickelten Polspulen 31 und 32, die Sättigungs spulen 33, 34, 35 und 36 und die Kompensationsspulen 37, 38, 39 und 40.
Die Vorteile der beschriebenen und dargestellten Maschinen sind: Sie besitzen keinen Stromwender (Kommutator) und keine Bürsten, sie haben also eine grosse Betriebssicher heit.
Der Läufer der Maschinen kann z. B. aus Alumi nium gegossen werden und ist dann einfach herzustellen und benötigt keine teuren Werkstoffe (Glimmer, Kup fer usw.).
Die Maschinen laufen geräuscharm und erzeugen keine Rundfunkstörungen, benötigen also keine Funk entstörung.
Der Ständer der Maschinen kann einfach hergestellt werden, wenn die Spulen auf Schablonen gefertigt und von aussen auf die Pole aufgebracht werden.
Mains frequency-fed high-speed induction motor The invention relates to a mains-frequency-fed, high-speed induction motor with a synchronous speed equal to a multiple of the synchronous speed corresponding to the supply frequency.
Low-power motors, which are mostly used for high-speed drives (over 3000 rpm), specifically for various applications such as vacuum cleaners, mixers, etc., are single-phase series motors with a collector.
The presence of a collector, which has to withstand very high mechanical stresses due to the high speed, is the main disadvantage of these motors, on the one hand because of the malfunctions that can occur through the collector (wear of the brushes, etc.), because of the noise and the Radio interference, and on the other hand because of the technological difficulties that occur in the manufacture of the rotor with collector and the therefore increased cost of this rotor in relation to that of induction motors (asynchronous motors).
Since the devices listed above should generally always be fed from the mains with 50-60 Hz, they cannot be driven by induction motors at speeds above 3000 rpm, which because of their simple and robust rotors are suitable for drives with high speeds would be very suitable.
On the other hand, static frequency multipliers for a multiplication factor of m = 3, 5, 7 are known, which consist of mn single-phase transformers with a highly saturated core and whose primary windings are fed with voltages twisted by the angle 2 -r / m and their secondary windings are connected in series so that the m th harmonic of the induced voltage from a'Uen is added (e.g. US patents no. <B> 2470975 </B> and no. <B> 2517396, </B> BR- Germany No. 916 781 etc.).
Induction motors fed by static frequency multipliers are used for various industrial applications where high speeds are required. However, this system has disadvantages because on the one hand two components are connected in series (the motor and the frequency multiplier) and on the other hand the high inductive reactance of the secondary circuit of the multiplier requires capacitive compensation, which makes the system more expensive.
The present invention relates to induction motors of high speed, in particular asynchronous motors, which are fed with line frequency and have a speed equal to a multiple of the synchronous speed of the line frequency.
The induction motor according to the invention is characterized in that it has a rotating magnetic field in the air gap, the speed of which is equal to a multiple of the synchronous speed corresponding to the mains frequency, and which is obtained by saturating parts of the stator magnetic circuit in such a way that those corresponding to the fundamental wave Magnetic fluxes close almost completely in the stator, whereas the magnetic fluxes formed by a harmonic wave, which form the rotating field corresponding to the nominal speed, pass through the air gap and the rotor, while the alternating magnetic fields of the other harmonic waves run like that in the stator iron.
This can be achieved in machines with pole coils and pronounced poles with three or four teeth for a speed of 3 X 3000 rpm when the machine is operated at 50 Hz and for machines without salient poles with a number of teeth m = 3, 5 or 7 per pole for rotating fields with a speed of 3000 X m, ie 9000 rpm, or 15,000 rpm or 21 <B> 000 </B> rpm, when connected to the 50 Hz network.
In the following four exemplary embodiments of the motors are described with reference to the drawings. It shows: Fig. 1 a cross-section through a pole of a motor for (exclusively) 3 X 3000 rpm at 50 Hz and with pole coils on poles with four teeth, Fig. 2 a circuit diagram of the motor according to Fig. 1, Fig. 3 is a schematic representation of a motor for a speed of mX3000 rpm at 50 Hz with m = 3, where m is the number of teeth per pole, FIG. 4 is a vector diagram of the voltages of the motor according to FIG. 3,
5 shows a simplified representation of a motor for a speed of m X 3000 rpm at 50 Hz and <I> m = 5, </I> FIG. 6 shows a vector diagram of the voltages of the motor according to FIG. 5, FIG. 7 shows a cross section through a pole of the machine according to FIG. 3 (for m = 3) and with a thickened threshold in the region of the pole, FIG. 8 shows a cross section through a pole of a motor for (exclusively) 3 X 3000 rpm 50 Hz, and poles with three teeth and pole coils smaller than the diameter,
9 shows a circuit diagram of the motor according to FIG. 8, and FIG. 10 shows a simplified representation of the motor for (exclusively) 3 X 3000 rpm at 50 Hz, with poles formed from three teeth with pole coils that encompass one diameter.
In Fig.l you can see a winding phase 1 of the pole coil 11 (Fig. 2), which is common for two adjacent poles, and the saturation coils 2, 3, 4 and 5 on the teeth 6, 7, 8 and 9 of the pole. The magnetic field of the pole coil 11 closes through the pairs of teeth on the paths indicated in FIG. 1 by two closed curves made of broken lines; H. by the pole yoke close to the rotor, the teeth adjacent to the winding phase of the pole coil and the pole yoke remote from the rotor.
This field is superimposed on the fields of the saturation coils in the teeth, which are each closed by the pairs of teeth on the right and left side of the pole and are represented by dash-dot lines. Under these conditions, the third harmonic of the fluxes from the teeth, since they are in phase, also occurs in the air gap. The rest of the fundamental wave is compensated for with the aid of the coil 10, a connection to the 50 Hz network with a corresponding phase shift being provided.
Instead of the coil 10, two compensation coils can optionally be used which are connected to the phase-shifted voltage and are thus composed. that their total field cancels out the 50 Hz residual field.
2 shows the pole coils 11 and 12. Also shown are the saturation coils 2, 3, 4, 5, which are assigned to the teeth 6, 7, 8 and 9 @ (FIG. 1). In addition, three numbers are available in Fig.2 in the area of each pole coil strand, in each of which one: number is in brackets.
While the middle pair of numbers indicates the phase position of the pole flow caused by the corresponding strand of the pole winding (on one and the other side of the pole strand), those of the other number pairs indicate the corresponding phase position of the flow in the teeth of the saturation coils, namely the value not in brackets is the phase position of the flow in the first (e.g. 7) and the bracketed value is the phase position of the flow in the second (e.g. 6) tooth lying on the same side of the pole winding strand.
As can be seen from FIG. 2, the saturation coils 2, 3, 4 and 5 are now switched in such a way that the following conditions are met: - The phase shift between the flows in the saturation teeth closer to a pole winding strand (e.g. 7 and 8) is 90. - The phase shift between the flows in the saturation teeth (e.g. 60 and 10) further away from one pole winding is also 90.
- The phase shift between the flows in two adjacent teeth immediately following a pole winding strand (e.g. 6 and 7) is 180.
- The phase shift between the flow in a saturation tooth closer to a pole winding strand and the flow in a saturation tooth closer to the neighboring pole winding strand is 45. Under these conditions a strong third order harmonic of the flux arises in the teeth, in the same direction for all four teeth of the poles.
This harmonic generates the useful flux of the machine, which flows between the opposite poles and is shifted to the opposite poles, where the saturation coils are fed in such a way that the fundamental wave of the total flow is +45 (225) and -45 (135) 90 of the harmonic with respect to the opposite poles, for which the fluxes are 0 (180) and 90 (270), from which the rotating field of the machine arises with a speed of 3 X 3000 rpm.
In Fig. 3 you can see the connection of the saturation coils for a motor with m = 3. On the poles 13, 14, 15 and 16 are the saturation coils, namely the coils common to the teeth of two poles, such as. B. 17, coils for several teeth of the same pole, such as. B. 18, and on a tooth of a pole be restricted coils such. B. 19. All have an appropriately selected number of turns and a selected phase position that the total flows from the teeth are shifted by 2: r / 3, according to the diagram from Fig. 4, where x, y, z or -x, - y, -z are the vectors for one pair of poles and x ', y', z 'and -x', -y ', -z' for the other pair.
A similar example for m = 5 is given in FIG. 5; the vector diagram for this case is shown in FIG.
In FIG. 7 one can see the thickening of the stator yoke 20 in the area of a pole 21. The end faces of the pole teeth 21 'are ground and lie against the ground surfaces 22, 23, 2-1 of the yoke 20, the grinding after the assembling of the laminated core for both the poles 21 and the yoke 21 and the yoke 20 is carried out. In this way, the flux, which is necessary to generate a field of high induction in the air gaps (18,000-22,000 Gauss), is greatly reduced. The four poles are attached to the outer ring-shaped yoke by four non-magnetic (not shown) wedges, e.g.
B. made of Textolite, held pressed, which are driven into the spaces 25 between each two adjacent poles. In Fig. 8 you can see a pole 26 with three teeth, the pole coil 27, which does not span the diameter, the saturation coils 28 and 28 ', the compensation coil 29 and the mounting wedges 30 and 30'. The electrical circuit diagram for this motor is shown in FIG. In FIG. 10 one sees the pole coils 31 and 32 wound over a diameter, the saturation coils 33, 34, 35 and 36 and the compensation coils 37, 38, 39 and 40.
The advantages of the machines described and illustrated are: They have no commutator and no brushes, so they have a high level of operational reliability.
The runner of the machines can, for. B. be cast from aluminum and is then easy to manufacture and does not require expensive materials (mica, Kup fer, etc.).
The machines run quietly and do not generate any radio interference, so they do not need radio interference suppression.
The stand of the machine can be easily manufactured if the coils are made on templates and attached to the poles from outside.