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Selbstanlaufender Synchronmotor Die Erfindung bezieht sich auf einen
Synchronmotor mit Erregung durch Permanentmagnete, der insbesondere für kleinere
Leistungen von Bedeutung ist. Für bestimmte Zwecke in der Industrie, insbesondere
zur Lösung von Gleichlaufproblemen, besteht Bedarf an Motoren von verhältnismäßig
geringer Leistung, welche synchron laufen und einen guten asynchronen Anlauf besitzen.
Es erscheint dabei häufig wünschenswert, daß diese Motoren leicht in Synchronismus
übergehen und zumindest im Leerlauf keinen nennenswerten Blindstrombedarf aufweisen.
Dies ist besonders aus dem Grunde erwünscht, weil damit der Aufwand für den Umformer
oder Generator, der meist eine Vielzahl von Motoren speist, ganz erheblich verringert
werden kann. Dadurch wird es möglich, die speisenden Frequenzumformer klein zu halten,
weil sie nur einen sehr kleinen oder überhaupt keinen Magnetisierungsstrom zu führen
brauchen.
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Der Nachteil von Reaktionsmotoren, nämlich deren Blindstrombedarf
und geringe Modell-Leistung, ist bei den im allgemeinen in Frage kommenden Leistungen
nur zu vermeiden, wenn eine Erregung durch Dauermagnete im Läufer vorgesehen wird.
Es sind bereits für die geschilderten Zwecke Motoren bekanntgeworden, die als Reaktionsmotoren
arbeiten und deren Läufer eine bevorzugte magnetische Leitfähigkeit in einer Achse
durch entsprechend orientierte Bleche aufweisen. Eine andere bekannte Lösung stellt
die Verwendung eines Läufers mit Schichtung parallel zur Längsläuferachse und senkrecht
zur Querachse dar. Beide Lösungen haben den Nachteil, daß sie praktisch nur für
zweipolige Ausführungen zu verwenden sind und daß sie als Reaktionsmaschinen den
hIagnetisierungsbedarf vom Netz bzw. vom Umformer beziehen.
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Eine Verwendung von Kondensatoren zur Deckung des Blindstrombedarfs
und Entlastung des Umformers ist in den Fällen nicht möglich, in welchen die Frequenz
in weiten Grenzen verändert wird. Elektrische Erregung vom Läufer her scheitert
bei kleineren Motoren an der Störanfälligkeit und Kompliziertheit sowie den dadurch
entstehenden höheren Herstellungs-und Betriebskosten.
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Um Synchronmotoren, bei denen eine Erregung durch Dauermagnete im
Läufer vorgesehen ist, brauchbare Anlaufeigenschaften im Asynchronbetrieb zu geben,
ist bereits vorgeschlagen worden, die Dauermagnete des Läufers mit einem Weicheisenring,
der zweckmäßig lamelliert ist, in der Weise zu versehen, daß der Ring um die Dauermagnete
liegt. Der Weicheisenring trägt dabei eine Käfigwicklung. Die im Anlauf relativ
zum Läufer rotierende Ständerdurchflutung kann auf diese Weise einen Drehfluß ausbilden,
der für den Hochlauf ausreicht und der die Dauermagnete nicht wesentlich schwächt.
Da der Ring einen mehr oder weniger vollständigen magnetischen Kurzschluß für die
Dauermagnete darstellt, ist aber die Modell-Leistung relativ klein und die Ausnutzung
des teuren Dauermagnetwerkstoffes gering.
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Ein anderer Vorschlag besteht darin, axial neben einem mit Dauermagnetpolen
versehenen Läuferteil einen Weicheisenteil anzuordnen, der zweckmäßig lamelliert
ist und eine Käfigwicklung trägt. Die beiden Läuferteile befinden sich innerhalb
eines gemeinsamen Ständers. Gegebenenfalls kann der Weicheisenteil dabei noch ausgeprägte
Pole besitzen, so daß er sich an der Drehmomentbildung beteiligt.
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Auch diese früher vorgeschlagene Bauart hat den Nachteil geringer
Ausnutzung des aktiven Materials, weil der Weicheisen-Läuferteil mit dem zugehörigen
Ständerteil nur für den Anlauf Bedeutung hat und während des Synchronlaufes nichts
oder bei ausgeprägten Polen nur wenig zur Drehmomentbildung beitragen kann. Außerdem
wird die Ständerstreuung dadurch in unerwünschter Weise erhöht.
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Den Nachteil geringer Ausnutzung des aktiven Materials hat auch eine
andere bekannte Ausführungsform, bei der ein als Hysteresisläufer ausgebildeter
asynchroner Läuferteil mit einem auf der Motorwelle frei laufenden axial verschiebbaren
Synchronteil in der Weise zusammenwirkt, daß im Stillstand und im Synchronlauf sich
beide Teile anziehen und mechanisch kuppeln, während sich beim Anlauf beide Läuferteile
abstoßen und entkuppeln, so daß sie getrennt hochlaufen können. Beide Läuferteile
befinden sich innerhalb eines gemeinsamen Ständers mit Spaltpolen.
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Ferner ist eine Einrichtung zum Anlassen eines Synchronmotors als
Induktionsmotor bekanntgeworden, bei der auf der Motorwelle ein wicklungsfreier
Blechanker,
ein Kurzschlußanker und ein mit Gleichstrom oder durch Permanentmagnete zu erregendes
Magnetrad angeordnet sind, die zum Anlassen des Motors in der zuvor angegebenen
Reihenfolge nacheinander in den Ständer geschoben werden. Die Verschiebung der Motorwelle
kann hierbei entweder von Hand oder mit Hilfe einer zusätzlichen Einrichtung vorgenommen
werden. Auch dieser Maschine haftet neben ihrer umständlichen Ausbildung der Nachteil
an, daß immer nur ein Teil des Läufers zur eigentlichen Arbeit herangezogen wird,
während die anderen im Betrieb leer mitlaufen.
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Bekannt sind ferner Drehstrommotoren mit axial verschiebbarem Läufer,
die zur Erzielung günstigster Anlaufeigenschaften mehrteilige Ständer und Läufer
aufweisen, wobei jedem Ständerteil zwei Läuferteile mit unterschiedlichen elektrischen
Eigenschaften zugeordnet sind. Die Läuferteile sind hierbei so ausgebildet, daß
der Motor wohl ein günstigeres Anzugsmoment erhält, aber nicht in den Synchronismus
überzugehen vermag, was auch gar nicht beabsichtigt ist.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstanlaufenden Synchronmotor
mit einem axial verschiebbaren aus mehreren Teilen bestehenden Läufer, wobei im
Anlauf ein aus Weicheisenblechen aufgebauter, eine Käfigwicklung tragender Läuferteil,
im Synchronbetrieb ein mit Magnetpol besetzter Läuferteil wirksam ist. Gemäß der
Erfindung werden die Nachteile der bekannten selbstanlaufenden Synchronmotoren dadurch
vermieden, daß der Ständer axial in mehrere in einem bestimmten Abstand voneinander
angeordnete Teilpakete unterteilt ist, die eine gemeinsame Wicklung tragen und daß
jedem Teilpaket ein aus Weicheisenblechen und ein aus Dauermagnetpolen bestehender
besonderer Läuferteil zugeordnet ist. Vorzugsweise werden die Ständer- und Läuferteile
so ausgebildet, daß die axiale Verschiebbarkeit des Läufers selbsttätig zustande
kommt, vorzugsweise im Sinne einer Einstellung auf die jeweils günstigste Arbeitsstellung.
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Gegenüber den bekannten Bauarten wird durch die Erfindung der Vorteil
erzielt, daß die Menge des aktiven Ständereisens verringert und praktisch der ganze
Fluß der Maschine auf den jeweils wirksamen Läuferteil konzentriert werden kann.
Hierdurch sowie durch die gleichzeitig geringere Ständerstreuung werden die Betriebseigenschaften
der Maschine wesentlich günstiger, die Ausnutzung des Aktivmaterials ist erheblich
besser, und es können normale Blechschnitte im Ständer und für die lamellierten
Teile des Läufers verwendet werden.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung erläutert werden. Die Figuren
zeigen ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen in
vereinfachten Schnittdarstellungen. Für gleiche Teile sind hierbei gleiche Bezugszeichen
verwendet.
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Der Aktivteil des Ständers besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
aus mehreren Teilpaketen 1, die durch Abstandsringe 2 in ihrer Lage gehalten werden.
Die in Nuten untergebrachte Wicklung 3, die beispielsweise eine Drehstromwicklung
ist, gehört allen Teilpaketen gemeinsam an. Der Läufer ist aus den dauermagneterregten
Läuferteilen 4 und den dazwischen angeordneten, aus Weicheisenblechen, beispielsweise
Dynamoblechen aufgebauten Läuferteilen 5 zusammengesetzt. Die Blechpakete 5 tragen
eine Wicklung oder einen gegossenen Käfig mit Stäben 6, die zwischen den Läuferteilen
4 und 5 jeweils etwa in Breite einer Polteilung durch Zwischenringstücke zusammengefaßt
sind, wie Fig.3 besonders deutlich zeigt. In den Kurzschlußringen 7 sind diese auf
beiden Läuferstirnseiten geschlossen. Der Läufer ist entweder mitsamt seiner Welle
in axialer Richtung um einen Betrag von etwa der Breite eines Läuferteiles 4 oder
5 verschieblich, oder bei in axialer Richtung fixierter Welle ist der Läufer auf
ihr axial verschieblich angeordnet.
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Im Anlauf geht der Läufer selbsttätig in die Lage, bei der die Läuferteile
5 in die Ständerteilpakete 1 eingezogen sind. In dieser Lage kann sich der gegenüber
dem Läufer mit Schlupfgeschwindigkeit umlaufende Drehfluß gut ausbilden, im Gegensatz
zur anderen Extremlage. Der Hochlauf erfolgt dabei wie bei einem normalen Drehstrom-Asynchronmotor.
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Die Ständerteilpakete 1 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
etwas breiter ausgeführt als die entsprechenden Läuferteile 4 und 5. Dadurch überdecken
sie im Hochlauf, d. h. in der Endstellung einer Verschiebung nach links noch etwas
den Läuferteil 4, wodurch ein gewisser Einfluß des dauermagneterregten Läuferteiles
5 auf das Gesamtmoment in Form eines überlagerten Wechsehnoments erreicht wird.
Dadurch läßt sich das Intrittgehen verbessern und die Axialverschiebung des Läufers
beim Synchronisieren erleichtern.
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Während des Anlaufs wechseln sowohl das überlagerte Drehmoment als
auch der Axialschub ihre Richtung. Solange die Frequenz groß ist, kann, wegen der
zu beschleunigenden Massen und geringen Dauer der Krafteinwirkung keine axiale Verschiebung
erfolgen. Sobald jedoch annähernd Synchronismus erreicht ist, dauert bei entsprechender
Lage der Ständerdurchflutung und der Pole der Läuferteile zueinander der Axialschub,
der die Läuferteile 4 in die Ständerteile 1 hereinziehen will, genügend lange an,
um dieses Einziehen zu vollziehen. Gleichzeitig damit erfolgt das Intrittgehen infolge
des in der neuen Lage wesentlich stärkeren synchronisierenden Moments.
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Eine Schwächung der Magnetisierung infolge der Bedeckung eines Teiles
der Breite der Läuferteile 4 durch die Ständerpakete 1 ist nicht zu befürchten,
weil die Pole des Läuferteiles 4 vom Kurzschlußkäfig umschlossen sind, wie sich
besonders aus Fig.3 erkennen läßt. Auf diese wirkt daher nur die vektorielle Summe
der Ständer- und der Käfigdurchflutung, d. h. praktisch nur die kleine Magnetisierungsdurchflutung
entmagnetisierend ein.
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Die axiale Verschiebung im Synchronismus wird ferner durch das überlagerte
Wechselmoment erleichtert, das wenigstens bei Leerhochlauf in Synchronismusnähe
das Gesamtmoment vorübergehend zu Null oder sogar negativ macht, wodurch zeitweilig
die der axialen Verschiebung sich widersetzenden Reibungskräfte verschwinden.
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Das Verhalten der Maschine hinsichtlich des Synchronisierens kann
durch entsprechende Bemessung den gestellten Forderungen jeweils angepaßt sein.
Man kann dabei sowohl die Breite als auch die Zahl der Ständerpakete 1 variieren
und dementsprechend auch die Läuferteile 4 und 5 in solcher Weise ausbilden. Durch
verschiedene Bemessung der Luftspalte zwischen den Teilen 1 und 4 sowie 1 und 5,
ferner durch das Verhältnis von Länge zum Durchmesser des Läufers, d. h. Läuferschwungmoment
zu Läufermasse, kann man weiterhin Bauformen finden, die den gestellten Forderungen
von Fall zu Fall in besonderer Weise gerecht werden.
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Eine wesentliche Verbesserung des Intrittgehens kann noch erzielt
werden durch Anordnung von Aussparurigen
in den Läuferteilen 5
im Abstand von je einer Polteilung entlang dem Umfang, wobei diese Aussparungen,
in denen die Induktion infolge des dort größeren Luftspaltes geringer ist, gegenüber
den Pollücken der Ständerpakete 1 so am Umfang versetzt sind, daß besonders günstige,
insbesondere günstigste Verhältnisse für Axialverschiebung und Intrittgehen vorliegen.
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Eine solche Maschine weist den Vorteil auf, daß bei Kurzschluß im
Betrieb keine wesentliche Schwächung der Magnetisierung der Dauermagnete erfolgt.
Wird bei angetriebener Maschine der Ständer kurzgeschlossen, so überträgt sich der
Ständerkurzschlußstrom hauptsächlich über den Fluß durch die Läuferteile 5 auf den
Käfig, wobei die Käfigdurchflutung die Ständerkurzschlußdurchflutung in ihrer entmagnetisierenden
Wirkung auf die Dauermagnete weitgehend kompensiert. Nach Abklingen des Ausgleichsvorgangs
stellt sich nur ein sehr niedriger Dauerkurzschlußstrom ein, weil der über die Läuferteile
5 sich ausbildende Fluß wie ein sehr stark vergrößerter Ständerstreufluß wirkt.
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Neben der schon erwähnten Möglichkeit, normale Blechschnitte für den
Ständer und den lamellierten Läuferteil verwenden zu können, ist es möglich, die
Läuferteile nach einem der bekannten Druckgußverfahren mit Leichtmetall auszugießen,
wie dies bei Kurzschlußläufern von Asynchronmotoren'üblich ist. Dabei können die
Dauermagnete bei Verwendung von Aluminiumnickel- oder Aluminiumnickelkobaltlegierungen
nach Fixierung auf dem Läufer mit eingegossen werden.
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Um einen bestimmten Ruhezustand des Läufers sicherzustellen, können
geeignete Maßnahmen vorgesehen sein. So ist es beispielsweise möglich, mit Hilfe
einer Federkraft, die beispielsweise zwischen Gehäuse und Läufer angreift, einen
axialen Schub auf den Läufer auszuüben. Im Ruhezustand kann dann eine gewünschte
Endlage eingenommen werden. Darüber hinaus kann man aber die Anordnung auch so treffen,
daß die gewünschte Lage einem bestimmten Betriebszustand entspricht, wobei dann
von dieser Ruhelage aus nach beiden Bewegungsrichtungen hin noch eine Verschiebung
möglich ist.