DE1138460B

DE1138460B - Electric fan drive through a frequency changeable, brushless induction machine

Info

Publication number: DE1138460B
Application number: DES69619A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Heinz Rosenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-07-27
Filing date: 1960-07-27
Publication date: 1962-10-25
Also published as: CH387160A; BE606545A

Description

Elektrischer Lüfterantrieb durch eine frequenzveränderlich gespeiste, kollektorlose Drehfeldmaschine Bei elektrischen Maschinen, die einen ausgedehnten betriebsmäßigen Drehzahlbereich aufweisen, ist die Eigenbelüftung, d. h. Lüftung durch einen am Läufer angebrachten oder von diesem mechanisch angetriebenen Lüfter, bekanntlich meist unzweckmäßig. Die vom Lüfter verbrauchte Leistung ist verhältnisgleich der 3. Potenz seiner Drehzahl, wodurch entweder die Lüfterverluste im oberen Drehzahlbereich zu groß oder die geförderte Kühlmittelmenge und damit die Wärmeabfuhr im unteren Drehzahlbereich zu klein sind. Letzteres ist in manchen Fällen, z. B. bei Hauptschlußmotoren, insofern besonders nachteilig, als hier die abzuführenden Verluste mit sinkender Drehzahl ansteigen. Abgesehen davon wird der Wärmeübergang von der Maschine auf das Kühlmittel mit abnehmender Drehzahl bekanntlich schlechter. Entsprechende Überlegung gilt auch für nicht elektrische Maschinen, die mit wechselnder Drehzahl betrieben werden, z. B. Verbrennungskraftmaschinen.Electric fan drive through a frequency-changeable fed, Brushless induction machine In electrical machines that have an extended have operational speed range, the self-ventilation, i. H. ventilation by a fan attached to the rotor or mechanically driven by it, known to be mostly inexpedient. The power consumed by the fan is proportional the 3rd power of its speed, whereby either the fan losses in the upper speed range too large or the amount of coolant conveyed and thus the heat dissipation in the lower Speed range are too small. The latter is in some cases, e.g. B. in main trailing motors, insofar as particularly disadvantageous, as here the losses to be transferred with decreasing Increase speed. Apart from that, the heat transfer from the machine is based on the coolant is known to deteriorate with decreasing speed. Appropriate consideration also applies to non-electrical machines that operate at changing speeds be e.g. B. internal combustion engines.

Die aus den vorstehenden Gründen vielfach angewendete Fremdbelüftung ist zwar von der Drehzahl 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, erforderliche Wartung) herangezogen werden muß. Will man nun eine selbsttätige Anpassung der Luftmenge an die jeweilige Beschaffenheit der Frischluft hinsichtlich Temperatur und Dichte sowie an den Drehzahl-und Belastungszustand der zu belüftenden Maschine erzielen, würde dies bei Fremdbelüftung einen derartigen Aufwand erfordern, daß eine solche an sich oft sehr erwünschte Maßnahme im allgemeinen praktisch nicht in Frage kommt.The forced ventilation, which is often used for the above reasons is independent of the speed of the machine to be ventilated, but has one takes up significant space, often requires its own circuits and is otherwise technically complex, especially if a commutator machine is used to drive the fan with their known disadvantages (high price and space requirement, required maintenance) must be used. If you now want an automatic adjustment of the air volume to the nature of the fresh air in terms of temperature and density as well as the speed and load condition of the machine to be ventilated, this would require such an effort in the case of external ventilation that such A measure that is often very desirable in itself is generally practically out of the question.

Der erfindungsgemäße elektrische Lüfterantrieb vermeidet die angeführten Nachteile der bisher bekannten Eigen- und Fremdbelüftungssysteme dadurch, daß eine in an sich bekannter Weise als Lüftermotor verwendete frequenzveränderlich gespeiste, kollektorlose Drehfeldmaschine gemäß der Erfindung in zumindest einem Teil des Betriebsbereiches asynchron mit einem bei steigender Synchrondrehzahl des Lüfters drehzahlbegrenzend anwachsenden Schlupf arbeitet. Dieser Lüftermotor kann auch einphasig gespeist sein, wobei die Drehfeldwirkung in an sich bekannter Weise durch eine Hilfsphase, z. B. mittels Spaltpol, bereits im Stillstand hervorgerufen ist oder erst im Lauf durch das Überwiegen der Wirkung des mitläufigen Drehfeldes gegen die des gegenläufigen zustande kommt. Als erfindungsgemäßer Lüfterantrieb kann beispielsweise der an sich bekannte Hysteresemotor verwendet werden. Diese Maschine entwickelt, Konstanz 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 Belastungsmoment kleiner als dieses maximale Moment bleibt, arbeitet die Maschine synchron. Bei jener Drehzahl, bei der das Lüfterdrehmoment die Größe des maximalen Momentes erreicht, kippt der Motor aus dem Synchronismus und verbleibt bei weiter steigender Synchronfrequenz auf dieser Kippdrehzahl. Vom genannten Kipp-Punkt an steigt bei Vernachlässigung der primären Eisen- und Kupferverluste des Lüftermotors die von diesem aufgenommene 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 aufgenommener und abgegebener - hier konstanter -Leistung des Lüftermotors wird in dessen Sekundärkreis in Wärme, im vorliegenden Beispiel in Ummagnetisierungswärme, verwandelt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Antriebes, 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 Seehöhe und/oder Frischlufttemperatur), das Drehzahlniveau steigen, womit der von den genannten Umständen herrührenden Verschlechterung der Wärmeabfuhr entgegengewirkt wird.The electric fan drive according to the invention avoids those mentioned Disadvantages of the previously known internal and external ventilation systems in that a frequency-variably fed, used in a manner known per se as a fan motor, Brushless induction machine according to the invention in at least part of the operating range asynchronous with a speed-limiting when the synchronous speed of the fan increases increasing slip works. This fan motor can also be single-phase fed, wherein the rotating field effect in a known manner by an auxiliary phase, for. B. by means of a shaded pole, is already caused at a standstill or only while running the predominance of the effect of the rotating field rotating in the same direction as that of the opposing rotating field comes about. As a fan drive according to the invention, for example, the per se known hysteresis motor can be used. This machine evolves constancy of hers Pole flux assuming (achievable by making the feeding voltage proportional to its Frequency or the motor is operated with oversaturation), a frequency-independent Maximum torque. As long as the load torque originating from the fan is smaller than this maximum torque remains, the machine works synchronously. At that speed, at If the fan torque reaches the size of the maximum torque, the motor will stall out of synchronism and remains at this if the synchronous frequency continues to increase Tilt speed. From the above-mentioned tipping point, if the primary is neglected, it increases Iron and copper losses from the fan motor reduce the power consumed by it according to the constancy of the torque delivered to the fan only linearly with the synchronous speed, while with a synchronous fan drive with the 3rd power this speed would increase. This saving in ventilation power is a through the constancy or limitation of the rotational speed is an essential advantage of the invention Fan drive, which this one with one of the usual external ventilation compared to a Ventilation with infinitely variable speed has in common. The difference between recorded and delivered - here constant - power of the fan motor in its secondary circuit in heat, in this example in heat reversal, transformed. Another advantage of the drive according to the invention, which also distinguishes it from the previously known external ventilation drives in that the speed limit is not rigid, but is conditioned by the fan torque is. It is, therefore, when, under otherwise constant conditions, the fan torque decreases, e.g. B. due to pollution of the airways or reduction of the specific Weight of the air (e.g. as a result of increasing sea level and / or fresh air temperature), the speed level increase, thus causing the deterioration resulting from the circumstances mentioned the heat dissipation is counteracted.

Der erfindungsgemäße Antrieb kann auch für andere Kühlmittel als Luft, ebenso bei geschlossenem Kühlmittelkreislauf Verwendung finden.The drive according to the invention can also be used for other coolants than air, can also be used with a closed coolant circuit.

Für den erfindungsgemäßen Lüfterantrieb kann ferner eine Induktionsmaschine, bei der also das Drehmoment durch vom Drehfeld induzierte Sekundärströme 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 Frequenzgang der speisenden Spannung und dem Sättigungszustand abhängt, steigt dann die Lüfterdrehzahl mit weiterer Zunahme der Synchrondrehzahl immer weniger, bleibt schließlich praktisch konstant oder sinkt sogar wieder. Letzteres kann unter Umständen eine erwünschte Zuordnung der Luftmenge zur Drehzahl und damit zum Belastungszustand einer zu belüftenden Maschine ergeben.For the fan drive according to the invention, an induction machine, in which the torque is generated by secondary currents induced by the rotating field, can be used. Such a machine will probably never run exactly, but up to a certain load approximated synchronously, and it is therefore the fan up to the speed corresponding to this load with the driving rotating field practically run synchronously, from then on due to the steep (quadratic) speed dependency of its load torque to lag more and more behind the rotating field. Depending on Torque curve of the fan motor over the slip, which is determined by the motor design, the Frequency response of the feeding voltage and the saturation state depends, then increases the fan speed remains less and less with a further increase in the synchronous speed eventually practically constant or even decreasing again. The latter can under certain circumstances a desired assignment of the air volume to the speed and thus to the load condition a machine to be ventilated.

In den Fig. 1 und 2 ist die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Lüfterantriebes bei Verwendung einer Induktionsmaschine als Lüftermotor graphisch dargestellt.1 and 2, the mode of operation of the fan drive according to the invention is shown when using an induction machine as a fan motor.

Fig. 1 bezieht sich auf den Betrieb des Lüftermotors mit praktisch konstantem magnetischem Fluß. Dies kann entweder durchausreichendeÜbersättigung 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 Quadratwurzel aus der Maßzahl des Motormomentes Mwr über der Schlupfdrehzahl ras dar, die Geraden b die Quadratwurzeln aus der Maßzahl des Lüfterdrehmomentes ML über der Lüfterdrehzahl nL. Schlupf- und Lüfterdrehzahl ergeben als Summe die jeweilige Synchrondrehzahl n des antreibenden Drehfeldes. Daraus sowie aus der Bedingung ML = MN! folgt unmittelbar die aus Fig. 1 hervorgehende graphische Ermittlung der zu verschiedenen Synchrondrehzahlen n1, n2, n3 ... gehörenden Lüfterdrehzahlen nLl, nL2, nL3..., die sich bei genügend flachem Verlauf der Kurve a nur wenig voneinander unterscheiden. Durch Stromverdrängungsläufer kann der flache Verlauf von a gefördert und in einem gewissen Bereich sogar vollkommen abszissenparallel gestaltet werden.Fig. 1 relates to the operation of the fan motor with practically constant magnetic flux. This can either be achieved by sufficient oversaturation, whereby it is usually expedient to connect a resistor upstream of the motor, or by supplying it with a voltage proportional to the frequency. Curve a represents the course of the square root of the measure of the engine torque Mwr over the slip speed ras, the straight line b the square roots of the measure of the fan torque ML over the fan speed nL. The total of the slip and fan speed results in the respective synchronous speed n of the driving rotating field. From this as well as from the condition ML = MN! The graphical determination of the fan speeds nLl, nL2, nL3 ... belonging to the various synchronous speeds n1, n2, n3 ... The flat course of a can be promoted by means of current displacement rotors and, in a certain area, can even be designed completely parallel to the abscissa.

Fig. 2 stellt die Verhältnisse bei Speisung mit veränderlicher Frequenz (entspricht wieder veränderlicher Synchrondrehzahl n), jedoch konstanter Spannung 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 n, n2; n3 . . . zu- geordnet ist. Bei genügend hohem Widerstand des Sekundärkreises ergibt sich in dem hier in Betracht kommenden Bereich der dargestellte Verlauf der Kurven a. Werden für die verschiedenen Synchrondrehzahlen n1, n2 ... die die ML über nL darstellenden Geraden b, b2 . . . gelegt und mit der der jeweiligen Synchrondrehzal-l zugeordneten Kurve a1, a2 ... zum Schnitt gebracht, so ergibt sich auch hier ein weiter Bereich der Synchrondrehzahlen, innerhalb dessen die Lüfterdrehzahl nL nur geringe Änderungen erfährt.FIG. 2 shows the conditions when feeding with variable frequency (again corresponds to variable synchronous speed n), but with constant voltage. Since the flux now changes approximately reciprocally to the synchronous speed, curve a in FIG. 1 is replaced by a family of curves a1, a2, a3 . . . , of which each curve is a synchronous speed n, n2; n3 . . . is assigned . If the resistance of the secondary circuit is sufficiently high, the depicted course of curves a results in the area under consideration here. If for the different synchronous speeds n1, n2 ... the straight lines b, b2 . . . down and brought to the intersection with the the respective Synchrondrehzal-l associated curve a1, a2 ..., we get here, a wide range of synchronous speeds within which the fan speed nL undergoes only small changes.

Ein bis zu einer gewissen Drehzahl zwecks Vermeidung von Schlupfverlusten erwünschter vollkommener Synchronismus kann erfindungsgemäß auch dadurch erzielt werden, daß der Lüftermotor hierfür als Reluktanzmaschine ausgebildet ist und/oder in seinem sekundären Teil ein vorzugsweise von permanenten Magneten erzeugtes Gleichfeld führt.One up to a certain speed in order to avoid slip losses according to the invention, desired perfect synchronism can also be achieved thereby be that the fan motor is designed as a reluctance machine and / or in its secondary part a constant field preferably generated by permanent magnets leads.

Die vorstehend genannten Arten der Lüftermotorausbildung 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 Wirbelstrom-und/oder Hystereseanker ausgebildet sein bzw. zur Erzielung eines synchronen Betriebsbereiches ausgeprägte Pole (Reluktanzanker) und/oder Permanentmagnete erhalten. Unter Umständen ist es auch zweckmäßig, nur einen Teil des mit dem Lüfter gekuppelten Motorteiles 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 Sychronismus der asynchrone Betrieb durch einen geblechten Kurzschlußläufer, der neben der Lüfternabe angeordnet und mit ihr gemeinsam vom Primärteil des Motors umfaßt ist, erzielt wird.The aforementioned types of fan motor training can analogously be combined. It can simplify and reduce the cost of the invention Drive result when the fan body itself, preferably its hub, as active Part of the fan motor, in particular as its non-electrically powered part, is trained. In the latter case he can, for. B. as an eddy current and / or hysteresis anchor be designed or pronounced to achieve a synchronous operating range Poles (reluctance armature) and / or permanent magnets received. It may be also useful, only part of the motor part coupled with the fan for the refer to the specified training, e.g. B. by the fact that the fan hub is probably in the synchronous Operation, for example as a reluctance armature, works, however, after tilting out of synchronicity the asynchronous operation by a sheet metal squirrel cage next to the fan hub is arranged and is included with her together from the primary part of the engine, is achieved.

Der erfindungsgemäße Lüfterantrieb ist vorteilhaft ganz allgemein dort anwendbar, wo einerseits eine Stromquelle veränderlicher Frequenz verfügbar ist und andererseits das technische Bedürfnis besteht, einen Lüfter mit wenig oder praktisch gar nicht veränderlicher, zumindest jedoch begrenzter Drehzahl zu betreiben.The fan drive according to the invention is advantageous quite generally Applicable where on the one hand a power source of variable frequency is available and on the other hand there is a technical need to have a fan with little or practically unchangeable, but at least limited speed to operate.

Bei Anwendung des Lüfterantriebes zur Belüftung drehzahlveränderlich betriebener Maschinen wird der Lüftermotor vorzugsweise derart betrieben, daß sich seine Synchrondrehzahl gleichsinnig, insbesondere verhältnisgleich mit der Drehzahl einer zu belüftenden Maschine ändert. Dies läßt sich immer, d. h. unabhängig von der Maschinenart, dadurch erzielen, daß der Lüftermotor von einem durch eine zu belüftende Maschinen angetriebenen Stromerzeuger gespeist ist, der eine mit der Drehzahl wachsende Frequenz abgibt. Unter Umständen kann ein bereits für andere Zwecke vorgesehener Stromerzeuger hierfür herangezogen bzw. zusätzlich ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Lichtmaschine eines Kraftfahrzeuges dazu verwendet werden, um mit drehzahlproportionaler Frequenz einen erfindungsgemäßen Lüftermotor zu speisen und auf diese Weise die Verbrennungskraftmaschine drehzahlbegrenzt zu belüften.When using the fan drive for ventilation variable speed operated machines, the fan motor is preferably operated in such a way that its synchronous speed in the same direction, in particular in relation to the speed a machine to be ventilated changes. This can always, i. H. independent of the type of machine, achieve that the fan motor from one through one to Ventilating machines powered electricity generator is fed to the one with the Speed increasing frequency emits. One may already be for another Purposes provided power generator used for this purpose or additionally trained will. For example, the alternator of a motor vehicle can be used for this be to a fan motor according to the invention with a frequency proportional to the speed to feed and in this way the engine speed-limited to ventilate.

Bei einer drehzahlveränderlichen elektrischen Maschine ist ein besonderer Stromerzeuger zur Speisung 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 Synchronmaschine drehzahlveränderlich betrieben, so kann erfindungsgemäß der Lüftermotor für diese Maschine mit der sie speisenden bzw. von ihr erzeugten Frequenz arbeiten. Der Lüftermotor kann dabei sowohl im Nebenschluß als auch im Hauptschluß zu der zu belüftenden Maschine geschaltet sein. Letztere Maßnahme bringt eine vielfach erwünschte Lastabhängigkeit der Lüfterdrehzahl mit sich, da dann mit steigender 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 betreffenden Teilwicklungen im Lüftermotor selbst oder durch Anschluß dieses Motors an die Sekundärwicklung eines Compoundierungstransformators, der in an sich bekannter Weise mittels zweier Primärwicklungen eine Strom- und eine spannungsabhängige Durchflutung addiert.In the case of a variable-speed electrical machine, there is a special one Power generator for supply of the fan drive according to the invention mostly dispensable, since then usually a variable in relation to the speed Frequency is already available. Is z. B. an asynchronous motor with variable Frequency fed or a synchronous machine operated with variable speed, so according to the invention, the fan motor for this machine with the feeding or working frequency generated by it. The fan motor can be shunted as well as in the main circuit to the machine to be ventilated. Latter Measure brings with it a load dependency of the fan speed, which is often desired because then with increasing load corresponding to the field reinforcement in the fan motor the speed limit of the fan is also moved to a higher range. It Shunt feed can also be combined with main feed, for example by arrangement the relevant partial windings in the fan motor itself or by connecting it Motor to the secondary winding of a compounding transformer, which in itself known way by means of two primary windings, one current-dependent and one voltage-dependent Flooding added.

Der Lüftermotor und eine mit ihm gleichfrequent arbeitende, zu belüftende Maschine können erfindungsgemäß mit verschiedenen Polzahlen ausgeführt sein. Ist die Polzahl des Lüftermotors kleiner, also seine Synchrondrehzahl größer als die der Maschine, so ist dadurch der sehr vorteilhafte Effekt erzielbar, den Lüfter mit einer Drehzahl zu betreiben, die ganz oder teilweise über der Maschinendrehzahl liegt, was für den Platzbedarf von Lüfter und Lüfterantrieb, fallweise für die Erreichbarkeit der nötigen Luftförderung überhaupt, ausschlaggebend sein kann. Das nachstehende Beispiel möge dies verdeutlichen Eine 10polige Synchronmaschine arbeite im Drehzahlbereich von 1000 bis 4000 U/min. Um die erforderliche Kühlluftmenge bei tragbarem Platzbedarf des Lüfters zu fördern, benötige 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 erhielte er bei deren unterster Drehzahl wohl die erforderlichen 5000 U/min, jedoch würde diese Drehzahl im angegebenen Betriebsbereich bis 20 000 U/min steigen können, was außer mechanischen und akustischen Problemen noch die untragbare Folge ergäbe, daß die Lüftung hierbei das (20 000/5000)3 = 64fache der nötigen Leistung verbrauchen würde. Wird jedoch der Lüfter erfindungsgemäß durch einen 2poligen, von der Synchronmaschine gespeisten Drehfeldmotor angetrieben, 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 Synchrondrehzahl), also bloß ein Sechzehntel der sich bei mechanischem Antrieb an der oberen Drehzahlgrenze ergebenden Lüfterverluste.The fan motor and a machine to be ventilated working with it at the same frequency can be designed according to the invention with different numbers of poles. If the number of poles of the fan motor is smaller, i.e. its synchronous speed is greater than that of the machine, then the very advantageous effect can be achieved of operating the fan at a speed that is wholly or partially above the machine speed, which takes up the space required by the fan and fan drive , on a case-by-case basis for the accessibility of the necessary air transport at all, can be decisive. The following example should clarify this. A 10-pole synchronous machine works in the speed range from 1000 to 4000 rpm. In order to convey the required amount of cooling air with a portable space requirement of the fan, it needs a speed of at least 5000 rpm. If the fan were mechanically driven by the machine in a known way with a ratio of 1: 5, it would probably get the required 5000 rpm at its lowest speed, but this speed would increase to 20,000 rpm in the specified operating range, which In addition to mechanical and acoustic problems, there would also be the unacceptable consequence that the ventilation would use (20,000/5000) 3 = 64 times the required power. If, however, the fan is driven according to the invention by a 2-pole rotating field motor fed by the synchronous machine, the slip of which is still very small at a synchronous speed of 5000 rpm, but increases from then on in a speed-limiting manner, only the required fan speed of about 5000 rpm. The air gap capacity of the fan motor is at most 4 times the fan capacity (corresponding to 75 % slip at 20,000 rpm synchronous speed), i.e. only one sixteenth of the fan losses that result with a mechanical drive at the upper speed limit.

Umgekehrt kann es bei sehr hochtourigen Maschinen unter Umständen - vor allem im Hinblick auf Geräuschentwicklung - zweckmäßig sein, den Lüfter mit einer Drehzahl zu betreiben, die unterhalb der kleinsten betriebsmäßigen Maschinendrehzahl liegt, was durch entsprechendes Polzahlverhältnis erreicht werden kann.The reverse may be the case with very high-speed machines - especially with regard to noise development - it should be expedient to use the fan to operate at a speed that is below the lowest operational machine speed is what can be achieved with the appropriate number of poles ratio.

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.A ventilated machine according to the invention can also be equipped with an additional Ventilation of a different kind, in particular with one known per se, with the machine shaft rigidly connected fan, be provided, whereby a further possibility of influence is given on the speed dependency of the overall ventilation.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der Lüfter und sein Antrieb mit einer zu belüftenden Maschine, vorzugsweise koaxial, zusammengebaut und insbesondere der Lüfter auf der Maschinenwelle gegen diese drehbar angeordnet ist. Dadurch läßt sich einerseits beträchtliche Raumersparnis erzielen, andererseits können bequem Sicherheitsmaßnahmen für den Fall eines Versagens 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 vorgesehen, so wird durch Anordnung einer Überholungskupplung zwischen Maschinenwelle und Lüfter erreicht, daß bei gestörtem Lüftermotor der Lüfter nicht stillgesetzt, sondern wenigstens mit der Maschinendrehzahl betrieben wird. Für einen einphasig ohne Hilfsphase betriebenen Lüftermotor liefert eire solche Überholungskupplung außerdem die erforderliche Anlaufhilfe. Der letztgenannte Effekt kann, und zwar unabhängig vom absoluten und relativen Drehsinn von Maschine und Lüfter, auch durch eine Fliehkraftkupplung, vorzugsweise Reibungskupplung, die sich während des Anlaufes bei Überschreitung 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 Ausführung, z. B. mit radial arbeitenden vorgespannten Blattfedern, die an einem der zu kuppelnden Teile befestigt und im Ruhezustand mit dem anderen Teil kraftschlüssig verbunden sind und sich im Lauf durch Fliehkraftwirkung von ihm abheben. Wird die Fliehkraftkupplung mit einer z. B. elektromagnetisch wirkenden Lösungssperre versehen, die bei Stromausfall am Lüftermotor wirksam ist, so daß bei genannter Störung Lüfter und Maschine drehzahlunabhängig gekuppelt bleiben, so ergibt sich wieder eine Sicherheit bei Ausfall des elektrischen Lüfterantriebes.An advantageous embodiment of the invention is that the fan and its drive with a machine to be ventilated, preferably coaxial, assembled and in particular the fan on the machine shaft rotatable against it is arranged. As a result, on the one hand, considerable space savings can be achieved, on the other hand, safety measures can be conveniently implemented in the event of a failure of the Fan motor are hit. Should z. B. the fan in normal operation always run faster than the machine to be ventilated and is the same for both and constant direction of rotation is provided by arranging an overrunning clutch between the machine shaft and the fan that the fan is defective in the event of a faulty fan motor is not stopped, but at least operated at the engine speed. For a single-phase fan motor operated without an auxiliary phase, eire supplies such Overhaul clutch also provides the necessary starting aid. The latter effect can, regardless of the absolute and relative direction of rotation of the machine and Fan, also through a centrifugal clutch, preferably a friction clutch, which triggers automatically during start-up when a certain speed is exceeded, be achieved. Since these are only small torques to be transmitted, A simple and cheap design is sufficient for the centrifugal clutch, e.g. B. with radially working pretensioned leaf springs on one of the parts to be coupled attached and are non-positively connected to the other part at rest and stand out from it in the course of the run through the effect of centrifugal force. Will the centrifugal clutch with a z. B. electromagnetically acting solution lock provided in the event of a power failure is effective on the fan motor, so that the fan and machine speed-independent in the event of the malfunction mentioned remain coupled, there is again a security in the event of failure of the electrical Fan drive.

Die Lagerung des Lüfters auf der Maschinenwelle kann, insbesondere im Hinblick auf die meist geringe Lagerbeanspruchung, oft mit selbstschmierenden Lagern erfolgen, womit die betreffende Wartung des Lüfterantriebes entfällt.The storage of the fan on the machine shaft can, in particular in view of the mostly low bearing load, often with self-lubricating Storage take place, so that the relevant maintenance of the fan drive is omitted.

Bei koaxialem Zusammenbau von Lüftermotor und zu belüftender elektrischer Maschine kann eine Primärwicklung des Lüftermotors zumindest teilweise mit einer Wicklung der genannten elektrischen Maschine vereinigt sein. Es wird weiter als Variante der Erfindung vorgeschlagen, den relativ zum Lüfter drehbaren Teil des Lüftermotors mit dem Läufer einer zu belüftenden elektrischen Maschine starr zu verbinden. Hinsichtlich des Lüfters werden dann Maschinendrehzahl und Lüftermotordrehzahl addiert bzw. subtrahiert, d. h., die Synchrondrehzahl des den Lüfterantrieb bewirkenden 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 elektrischen Maschine zu speisen bzw. mit einer solchen Wicklung zumindest teilweise zu vereinigen.With a coaxial assembly of the fan motor and the electrical one to be ventilated Machine can have a primary winding of the fan motor at least partially with a Winding of said electrical machine be combined. It is further than Proposed variant of the invention, the rotatable relative to the fan part of the Fan motor with the rotor of an electrical machine to be ventilated rigidly associate. With regard to the fan, the machine speed and the fan motor speed then become added or subtracted, d. h., the synchronous speed of the fan drive causing In this case, the rotating field also contains the machine speed as a component. It is easily possible with this arrangement, the fan motor by direct connection to a rotor winding of the electrical machine to be ventilated to feed or to combine at least partially with such a winding.

Dafür zeigt Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel: Ein für frequenzveränderliche Speisung bestimmter Asynchronmotor ist mit einem erfindungsgemäßen Lüfterantrieb ausgestattet. Gehäuse und Lagerschild sind der Einfachheit halber nicht gezeichnet. Das wie üblich ausgebildete Ständerpaket 1 mit der Ständerwicklung 2 umfaßt das Läuferblechpaket 3 mit einem Kurzschlußkäfig. Dieser erhält auf der dem Lüfter angewendeten Seite den Kurzschlußring 4, während auf der anderen Seite die Käfigstäbe 5 über das Paket hinaus verlängert, radial nach innen gekröpft, durch das von ihnen getragene Blechpaket 6 des Lüftermotors geführt und dann durch den Kurzschlußring 7 miteinander verbunden sind. Die Läuferströme der zu belüftenden Maschine erzeugen im Paket 6 ein Drehfeld, das gegenüber diesem Paket mit Schlupfdrehzahl, also gegenüber dem Ständer mit der jeweiligen Synchrondrehzahl der Hauptmaschine umläuft und sich über dem auf der Nabe 8 des Lüfters 9 sitzenden Sekundärteil des Lüftermotors schließt. Dieser Teil ist z. B. als Hystereseanker 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. Oberhalb einer gewissen Drehzahl des den Lüfter treibenden Drehfeldes wächst der Schlupf, mit dem der Lüfter hinter diesem Drehfeld zurückbleibt, steil an, und es ergibt sich die erfindungsgemäße Drehzahlbegrenzung des Lüfters. Da hier entsprechend der Erregung durch die Käfigwicklung der Hauptmaschine der Lüftermotor 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.3 shows an exemplary embodiment for this: An asynchronous motor intended for variable-frequency supply is equipped with a fan drive according to the invention. Housing and bearing plate are not shown for the sake of simplicity. The stator core 1 with the stator winding 2, which is designed as usual, comprises the laminated core 3 with a short-circuit cage. This receives the short-circuit ring 4 on the side applied to the fan, while on the other side the cage bars 5 are extended beyond the package, bent radially inward, passed through the laminated core 6 of the fan motor carried by them and then connected to one another by the short-circuit ring 7 . The rotor currents of the machine to be ventilated generate a rotating field in package 6, which rotates with slip speed compared to this package, i.e. with the respective synchronous speed of the main machine compared to the stator, and closes over the secondary part of the fan motor sitting on the hub 8 of the fan 9. This part is z. B. formed as Hystereseanker and consists of the material formed from hochhysteretischem based on ceramic ring 10 and serving as a magnetic yoke lamination stack 11. The fan hub 8 is freely rotatably mounted by means of rolling bearings 12 and 13 on the shaft fourteenth Above a certain speed of the rotating field driving the fan, the slip with which the fan lags behind this rotating field increases steeply, and the inventive speed limitation of the fan results. Since here, according to the excitation by the cage winding of the main machine, the fan motor works in pure main circuit operation; As discussed earlier, the strength of the rotating field and thus the speed limit of the fan will increase with the cage currents, i.e. the load on the machine to be ventilated. This results in a desired automatic load adjustment of the ventilation.

Die Ankerwicklung einer Gleichstrommaschine führt bekanntlich eine drehzahlproportionale Frequenz. Wird der Primärteil eines erfindungsgemäßen Lüftermotors mit dem Anker einer solchen Maschine starr verbunden und über Anzapfungen der Ankerwicklung - zweckmäßig mehrphasig - gespeist, so ergibt sich, wie leicht nachweisbar, eine Drehzahl des den Lüfter antreibenden Drehfeldes, die beträgt. Hierbei bedeutet ne, die Drehzahl des Gleichstromankers, po dessen Polpaarzahl und FL die Polpaarzahl des Lüftermotors. Das Pluszeichen in vorstehender Formel entspricht einer Phasenvertauschung im Anschluß des Lüftermotors an den Gleichstromanker, d. h. gegensinniger Drehrichtung der beiden Drehfelder relativ zu den sie erzeugenden Wicklungen. Wie die Formel zeigt, kann durch passende Wahl des Polzahlverhältnisses AL , vorzugsweise mit Hilfe der genannten Phasenvertauschung, die synchrone Lüfterdrehzahl n auf ein Vielfaches der Maschinendrehzahl ne, gesteigert werden, was insbesondere bei drehzahlveränderlich betriebenen Gleichstrommaschinen mit zumindest im unteren Bereich kleinen Drehzahlen sehr vorteilhaft ist. Oberhalb eines Grenzwertes von n verändert sich erfindungsgemäß die Lüfterdrehzahl nL 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 ankerspannungsunabhängig zu machen. Ebenso ist eine zumindest teilweise Vereinigung der Gleichstromankerwicklung mit der (Hauptschluß-) Wicklung des Lüftermotors nach dem in Fig. 3 gezeigten Prinzip möglich.The armature winding of a DC machine is known to have a frequency proportional to the speed. If the primary part of a fan motor according to the invention is rigidly connected to the armature of such a machine and fed via taps on the armature winding - expediently multi-phase - the result is, as can easily be demonstrated, a speed of rotation of the rotating field driving the fan, which amounts to. Here ne means the speed of the direct current armature, po its number of pole pairs and FL the number of pole pairs of the fan motor. The plus sign in the above formula corresponds to a phase reversal after the fan motor is connected to the direct current armature, ie opposite direction of rotation of the two rotating fields relative to the windings that generate them. As the formula shows, the synchronous fan speed n can be increased to a multiple of the machine speed ne, by a suitable choice of the pole ratio AL , preferably with the help of the phase reversal mentioned, which is very advantageous in particular for variable-speed DC machines with low speeds at least in the lower range . Above a limit value of n, according to the invention, the fan speed nL changes only little or not at all, depending on the type and design of the drive motor. By compounding or saturating the fan motor, it is also possible here to make the speed of the fan load-dependent or load-independent and independent of the armature voltage. An at least partial combination of the DC armature winding with the (main circuit) winding of the fan motor according to the principle shown in FIG. 3 is also possible.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Electric fan drive by a variable frequency fed, brushless induction machine, preferably for variable speed operated, in particular electrical machines, characterized in that the Fan motor in at least part of the operating range asynchronously with one at increasing synchronous speed of the fan speed-limiting increasing slip is working.

2. Electric fan drive according to claim 1, characterized in that that the fan motor is fed in single phase.

3. Electric fan drive according to claim 1, characterized in that the torque generation of the fan motor at least partly due to magnetic hysteresis.

4. Electric fan drive according to Claim 1; characterized in that the torque generation of the fan motor in its asynchronous operating range at least partially induced by the rotating field Secondary currents come about.

5. Electric fan drive according to claim 1, characterized characterized in that in the presence of a synchronous operating range the torque generation of the fan motor in this area at least partially through the design of the motor comes about as a reluctance machine.

6. Electric fan drive according to claim 1, characterized in that in the presence of a synchronous operating range the torque generation of the fan motor in this area at least partially a constant field preferably generated by permanent magnets takes place.

7. Electric Fan drive according to claim 1, characterized in that part of the fan, preferably its hub, as an active one, in particular as a non-electrically powered one Part of the fan motor is formed. B.

Electric fan drive according to claim 1, characterized in that the synchronous speed of the fan is in the same direction, preferably in the same ratio, with the speed of a machine to be ventilated changes.

9. Electrical fan drive according to claim 8, characterized in that the fan motor from a power generator driven by a machine to be ventilated is fed, which emits a frequency that increases with the speed.

10. Electric Fan drive according to claim 1, characterized in that the fan motor with the The same frequency is fed as an electrical machine to be ventilated.

11. Electric fan drive according to Claim 1, characterized in that the fan motor from an electrical machine to be ventilated is fed.

12th Electric fan drive according to one of Claims 10 and 11, characterized in that that at least part of the winding of the fan motor with the to its supply used circuits of an electrical machine to be ventilated in the main circuit lies.

13. Electric fan drive according to one of claims 10 and 11, characterized characterized in that the fan motor with an electrical machine to be ventilated via a known compounding transformer, the voltage and current proportional Components secondary added, connected.

14. Electric fan drive according to Claim 1, characterized in that the fan motor and a ventilated by it, electrical machine with different numbers of poles working with it at the same frequency are executed.

15. Electrical fan drive according to claim 1, characterized in that that a machine to be ventilated still has additional ventilation, in particular through has a fan known per se, rigidly connected to its shaft.

16. Electric fan drive according to Claim 1, characterized in that the fan and its drive with a machine to be ventilated in a manner known per se, preferably Assembled coaxially and in particular the fan on the machine shaft, against this rotatable, is arranged.

17. Electric fan drive according to claim 16, characterized in that between the fan and the shaft of the machine to be ventilated an overrunning clutch is provided in a manner known per se.

18. Electric Fan drive according to claim 16, characterized in that between the fan and Wave of the machine to be ventilated in a known manner one of a certain Speed upward released centrifugal clutch, preferably friction clutch, provided is.

19. Electrical fan drive according to claim 18, characterized in that the centrifugal clutch is provided with a solution lock, which by the current of the fan motor is canceled.

20. Electric fan drive according to claim 16, characterized in that a winding of the fan motor at least partially with a winding of an electrical machine to be ventilated is combined.

21. Electric Fan drive according to Claim 16, characterized in that the relative to the fan rotatable part of the fan motor with the rotor of an electrical to be ventilated Machine is rigidly connected.

22. Electric fan drive for variable frequency Powered asynchronous motors according to Claim 1, characterized in that the fan motor is fed from the secondary winding of the asynchronous motor, preferably the cooperating windings of both machines are at least partially combined.

23. Electric fan drive for variable-speed DC machines according to claim 1, characterized in that the fan motor via taps of the DC armature winding, preferably with phase reversal, is fed. In Publications considered: Austrian patent specification No. 108 063.