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Ständeranlasser für Drehstrc)mmotoren mit eisenfreier Induktionsspulenanordnung
Die Erfindung betrifft einen Ständeranlasser für
Drehstrommotoren unter Verwendung
einer eisenfreien Induktionsspulenanordnung, die aus drei zylindrischen koaxialen
Teilspulen von rechteckigem Wicklungsquerschnitt besteht, wobei die Nfittelebenen
der Teilspulen parallel zueinander verlaufen.
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Es sind bereits Drosselspulen bzw. Selbstinduktionsspulen, insbesondere
Sghutzdrosselspulen, mit drei oder mehr magnetisch miteinander verketteten Spulen,
bekannt, wobei die, Teilspulen ein # en recht eckigen Wicklungsquerschnitt aufweisen.
Die einzelnen Spulen sind hierbei magnetisch derart miteinane der verkettet, daß
der Kraftfluß einer jeden Spule in jeder anderen Spule Induktionsspannungen erzeugt.
Dabei sind die einzelnen Spulen derart mit einander zugewendeten Stirnseiten angeordnet,
daß sich der Nutzkraftfluß jeder Spule vorzugsweise gleichmäßig auf die übrigen
Spulen verteilt, Dies wird erreicht, indem die Anordnung oder die, Formggbijng der
Eine zelspulen so gewählt ist, daß sich die Achsen aUer Spulen in einem Punkt schneiden.
Solch(, Drossel" spuleaanordnungen werden z. 13. in stark bOastbaren Netzen
zur Kurzschlußstrombegrenzung verwendet, Eine solche Drosselspulenanordnung läßt
sirii bei Drehstrom-Ständeranlassern verwenden, und zwar indem man in
jede Phase, des Ständers eine der diri Teilspulen einschaltet und außerdem
ein Schütz qnordnet, das nach Ablauf einer gewissen Z?it dir, Drosselspulen kurzschließt,
Ein Nachteil dieser bekannten Dros#elspulenan" ordnung ist aber darin zu sehen,
daß bei den verhältnismäßig starken Strömen, die beini. Anlagsen eines Drehstrommotors
auftreten, eine rezht erhebliche Kupfermenge benötigt wird, um gerade bei eisenlosen
Drosselspulen die erforderliche Induktivi# tät sicherzustellen. Daher stellt es
einen wesentlichen Fortschritt dar, wenn es gelingt, eine Drosselspulenanordnung
zu finden, die mit einem Minimum an Kupferaufwand die notwendige Induktivität besitzt.
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Es ist bereits ein Drehstrom-Ständeranlasser mit eisenfreier Selbstinduktion
vorgewlilagen worden, bei dem das erforderliche Kupfergewicht überraschend niedrig
ist und der folgende Eigenschaften aufweist, Die hierbei benutzten Spulen besitzen
die gleiche Wickelbreite, Wickelhöhe und den gleichen Innenradius; dieser wird für
jeden Einzelfall so berechnet, daß sich im Innenraum der Spule bei einem gegebenen
Reaktanzwert die größtmögliche Feldstärke ergibt, während sich jedorJi die Spulen
während einer einzelnen Anlaßperiode nicht auf eine unzulässige Temperatur erwärmen,
Die Erfindung gestattet es, bei einem Ständeran-1a55er, der zum Anlassen eines Drehstrommptors
bestimmt ist, noch günstigere E ebnige zu e 1
- - rg
. gzie en, Bei Verwendung dreier Se-lbstinduktio.ns5pulen ist es möglich,
die Gegeninduktivität dazu auszunutzen, um das Kupfergewicht nochmals um etwa 20%
zu verringern. Diese Verbesserung bezieht sich bereits auf jenen Kupferaufwand,
der sich bei der vorstehend erwähnten, bereits vorgeschlagenen Spulenanordnung ergab.
Bei letzterer nämlich wurden drei Spulen benutzt, die in einem solchen Abstand voneinander
angeordnet waren, daß ihre Gegeninduktivität praktisch gleich Null war.
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Der Ständeranlasser gemäß der Erfindung ißt dadurch gekeniizeirhil
et, daß von den Teilspulen q . uadratischen Querschnitts zwei innere Spulen
die gleiche Wicklungsbreite, Wicklungshöhe und den gleichen Innenradius aufweisen,
in gleichem Sinne gewickelt und in einem geringen Abstand voneinander angeordnet
sind, während eine äußere Spule gegensinnig gewirkelt ist und die, anderen Spulen
derart umgibt, daß ihre Mttelebene von den Mttelebenen der anderen Spulen gleichen
Abstand und ilirg innere Zylinderfläche einen geringen Abstand von der äußeren Zylinderflüche
der beiden ersten Spulen hat.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
ist die Wickelhöhe der äußeren Spule zu b = 0,74a ±
1.004a
gewählt, wenn mit a die Wicklungshöhen der beiden inneren Spulen bezeichnet
ist, die mit dem Innenradius der beiden inneren Spulen übereinstimmt.
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Andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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Fig. 1 ist ein Schnitt längs der Wicklungsachse einer Induktionsspulenanordnung
nach der Erfindung; Fig. 2 ergibt einen überblick über eine praktische Verwirklichung
von Induktionsspulenanordnungen für Ständeranlasser, wobei die obere Platte der
Klarheit wegen nicht dargestellt ist; Fig. 3 ist eine Seitenansicht der Fig.
2; Fig. 4 zeigt im einzelnen die Befestigung der Selbstinduktionsspulen in einem
Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 2; in diesem Falle ist die obere Platte dargestellt.
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Wie in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt ist, besteht die Induktionsspulenanordnung
für Ständeranlasser nach der Erfindung aus drei Selbstinduktionsspulen
1,
2, 3, deren Wicklungsschnitt quadratisch ist und deren Mittelebenen
1 a, 2 a, 3 a einander parallel sind. Die beiden Spulen kleinsten
Durchmessers 1 und 3
weisen einen Innenradius a auf, der mit der Seite
a ihrer Wicklung übereinstimmt; außerdem haben sie denselben Wicklungssinn und sind
dicht beieinander in einem geringen Abstand c angeordnet. Die dritte Spule 2, deren
Wicklungssinn den beiden ersten Spulen entgegengesetzt ist, umgibt die letzteren
in der Weise, daß ihre Mittelebene 2a von den Mittelebenen la und 3
a der beiden anderen Spulen gleichen Abstand hat und daß ihre zylindrische
Innenfläche einen geringen Abstand g von der äußeren Zylinderfläche der beiden
ersten Spulen 1
und 3 hat. Es erscheint nützlich, die theoretischen
Bemerkungen zu erwähnen, die zu genauen Größenverhältnissen für die verschiedenen
Spulen geführt haben. Es wird nachfolgend mit LI=L, der Selbstinduktionskoeffizient
der beiden inneren Spulenl und 3 und mit L 2 der Selbstinduktionskoeffizient
der äußeren Spule 2 bezeichnet.
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Im übrigen wird bezeichnet: Mit - M12= - M23 die Gegeninduktivität
zwischen den Spulen 1 und 2 einerseits und 2 und 3 andererseits, für
welche Induktivitäten mit negativen Vorzeichen verwendet werden, da die Spule 2
in entgegengesetztem Sinn gegenüber den beiden anderen gewickelt ist, und mit M13
die Gegeninduktivität zwischen den Spulen 1
und 3.
Schließlich wird,
indem der Einfachheit halber der Widerstand der Wicklungen vernachlässigt wird,
mit 11 die Reaktanz L, co ebenso wie die Reaktanz L, co, mit 1" die
Reaktanz L2 a), mit - m., die Gegeninduktivität - M12 (o ebenso
wie die Gegeninduktivität -M2", (» und mit m, die Gegeninduktivität Ml" a)
bezeichnet. Unter Berücksichtigung der vorerwähnten Bezeichnungen ist die allgemeine
Gleichung, welche die Spannungsunterschiede an den Klemmen der drei Spulen
1, 2 und 3 wiedergibt, die folgende: E, = ill
- I, - jm2 - 41 + iM1 - 31 E2 =
iM2 - Il + i4 -,2 - iM2.,31 E3 = im,
- I, - im, - -1#. + ill - 13-Wenn
man unterstellt, daß die drei Ströme Il, 1:" 13
ein ausgeglichenes System
derart bilden, daß Il + 2 + 3 # 0
ist, erhält man unter diesen
Bedingungen E2 = i12,2 + iM2,2 = j(12 + M2),2-
(1)
Man sieht also, daß die Impedanz der Spule 2 höher ist als ihre eigene
Selbstinduktion.
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Die Rechnung für die beiden anderen Phasen ist komplexer: Wenn man
12 und #, durch ihren Wert als Funktion von I, ersetzt, erhält man ein Resultat
der Form Ei = i(1 + r)ii, (2) E3 = j(1 - r)I,.
(3)
Die durchgeführte Rechnung zeigt, daß die Impedanz j (1 +
r) oder i (1 - r) einen Absolutwert größer als 11 hat und daß deshalb
wie für die Phase, in welche die Spule2 geschaltet ist, die Impedanz der Spulen
1 und 3 höher ist als die Selbstinduktion der erwähnten Spulen.
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Es ist indessen festgestellt worden, daß wegen der Anwesenheit der
Größe r es eine aktive Energieübertragung zwischen den Phasen 1 und
3 gibt. Dies führt jedoch nicht zu Unzuträglichkeiten, da erstens die Größer
im absoluten Wert verwendet wird und andererseits die leichte Intensitätsunsymmetrie,
welche durch die Unsymmetrie der drei Impedanzen geschaffen wird, ohne Einfluß auf
den Anlaßvorgang des Motors ist.
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Durch Anwendung der angegebenen Beziehung des mittleren Abstandes
zwischen den bezüglichen Ab-
schnitten der Selbstinduktionsspulen und durch
Benutzung der klassischen Formeln, die sich daraus ableiten, ist es möglich, für
den besonderen Zweck nach der Erfindung die Koeffizienten 1" 121 131 m12 m23 M
3
der nachstehenden Formel zu berechnen.
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Wenn man mit L, Co die Serienreaktanz bezeichnet, die zum Anlassen
des durch den Ständeranlasser gesteuerten Motors notwendig ist, erhält man durch
Rechnung L,co = K,Llw (4) für die Selbstinduktionsspulen 1 und
3
L, w = K2L2 a) (5)
für die Selbstinduktionsspule
2.
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Die aus der vorerwähnten Rechnung erhaltenen Koeffizienten sind die
folgenden K, 1,2, K2 1,5.
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Dies zeigt, daß die Reaktanz L, (x), welche man verwendet, um den
Wert der Anlaßspitze des Motors herabzusetzen, größer ist als die Eigenreaktanz
jeder Wicklung.
Dieses Resultat kann noch in folgende Form gebracht
werden: L., = L, + ein; der letzte Ausdruck ist die
Summe der auf jede der Spulen 1, 2 und 3 einwirkenden Gegeninduktivitäten.
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Die führt zur Verwendung von weniger Kupfer für jede Wicklung, um
eine gewisse Induktivität L, zu erhalten, indem aus den Gegeninduktivitäten
Nutzen gezogen werden, die sich allein aus der relativen Lage der Spulen und aus
dem Wicklungssinn ergeben.
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Für die Berechnung der Abmessungen der erwähnten Spulen kann man in
folgender Weise vorgehen: Wenn der gewünschte Wert L, gegeben ist, leitet man durch
Anwendung der Formeln (4) und (5)
Li bzw. L, ab.
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Wenn die KoeffizientenL, und L., bekannt sind, kann man die beiden
elementaren §elbstinduktionsspulen 1 (oder 3) und 2 durch den Wert
ihres Eigenfeldes berechnen, wie es in dem eingangs erwähnten Vorschlag bereits
angegeben ist, d. h. durch Anwendung der Gleichung
in welcher L der Selbstinduktionskoeffizient ist, welcher von der vorausgesehenen
Reaktanz bestimmt ist, um die Belastungsspitze des anzulassenden Motors zu begrenzen.
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1 ist der Strom des Motors; K ist der Formfaktor der
Spule; * ist der größtmögliche Wert des Feldes, das mit der Erwärmung der
Spulenanordnung vereinbar ist, und * ist Höhe und Stärke in mm der Wicklung
der Spule.
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Ferner hat man, um einen Ausgleich der drei Phasen unter Berücksichtigung
der Gegeninduktivitäten zu erreichen, berechnet, daß die Seite b der äußeren
Spule 2 auf 0,74 a reduziert werden muß, wobei a die Seite der beiden inneren Spulen
1
und 3 ist.
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Es ist jedoch augenscheinlich, daß dieses Verhältnis den Ungenauigkeiten
in den Durchmessern der Drähte, der Isolierungen oder der Ausführung der Spulenanordnung
unterworfen ist. Die zulässige Toleranz kann auf etwa ± 100/9 des Wertes
von a festgelegt werden.
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Beispielsweise kann man festsetzen, daß die bevorzugten Maße der Abstände
zwischen den verschiedenen Spulen, ausgedrückt in bezug auf den Wert a der Seite
der inneren Spulen 1 und 3, die folgenden sind: Der Abstand c, der
die beiden inneren Spulen 1
und 3 voneinander trennt, ist gegeben durch
die Formel c = 0,25 a.
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Der Wert des mittleren Wicklungsradius d der äußeren Spule
2 ist gegeben durch die Formel d = 2,55 a.
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Die vorliegende Erfindung zeigt den wesentlichen Vorteil, daß um etwa
2011/o das Gewicht des Kupfers herabgesetzt werden kann, das notwendig ist, um einen
Ständeranlasser zu konstruieren, der drei isolierte Spulen besitzt, welche voneinander
entfernt angeordnet sind, wie es dem eingangs erwähnten Vorschlag entspricht.
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Als praktisch durchgeführtes Beispiel kann erwähnt werden, daß an
Stelle von 4 kg Kupfer, die notwendig gewesen sind, um die Induktionsspulenanordnung
eines Ständeranlassers für einen Käfig-Ankermotor von 100 PS unter den Bedingungen
des eingangs erwähnten Vorschlages herzustellen, eine unter den Bedingungen der
vorliegenden Erfindung hergestellte Induktionsspulenanordnung für einen Anlasser
des gleichen Motors von 100 PS nur 3,2 kg Kupfer benötigt.
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Außerdem ist es möglich, bei der Anordnung der drei Selbstinduktionsspulen
nach der Erfindung eine sehr wesentliche Minderung des Raumbedarfs zu erzielen,
da im Gegensatz zur Anordnung einzelner Selbstinduktionsspulen die Lufträume hier
vermieden werden können.
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Die praktische Ausführung der Induktionsspulenanordnung eines Ständeranlassers
nach der Erfindung kann, wie nachstehend beschrieben, erfolgen.
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Die maximale Erwärmung ist nach dem eingangs erwähnten Vorschlag bestimmt;
es ist noch notwendig, daß die Spulenanordnung, die durch Aussetzen die Zahl der
festgesetzten Anlaßvorgänge bewirkt hat, sich möglichst rasch abkühlt, um eine neue
Inbetriebnahme zu ermöglichen. Hierfür ist es erforderlich, möglichst weitgehende
Entlüftungskanäle anzuordnen. Für diese Wirkung sind die beiden inneren Spulen
1 und 3 mittels Zwischenlagen zentriert, die besonders an ihrer Peripherie
derart justieren, daß die innere Oberfläche völlig frei liegt.
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Dieses Resultat kann in einer Weise erhalten werden, wie es die Ausführungsbeispiele
nach den Fig. 2, 3 und 4 zeigen. Gemäß dieser Ausführungsform sind die inneren
Spulen 1 und 3 durch vier obere Zwischenlagen4A, 4B, 4C, 4D
und vier untere Zwischenlagen5A, 5B, 5C, 5D zentriert, welche paarweise
angeordnet sind, die einen oberhalb der anderen zu beiden Seiten der Spulen1 und
3, wobei die Zwischenlagen selbst diametral zu je zwei entsprechend
zwei senkrechten Achsen diametral gegegenüberliegen. Alle diese Zwischenlagen bestehen
aus einem Isoliermaterial und weisen eine allgemein rechtwinkelige Form auf, deren
Längsschnitt einem L entspricht, derart gekrümmt, daß eine seitliche Auflage an
der Peripherie der Spulen 1
und 3 erfolgt, wie dies am besten aus Fig.
4 ersichtlich ist.
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Diese Zwichenlagen werden zu je zwei an ihrem Platz gehalten
mittels der Isolierrohre 6A, 6B, 6C,
6D, in welchen
Gewindebolzen 7A, 7B, 7C, 7D gelagert sind, welche es gestatten, das Ganze
zu be-
festigen und die Spulen zwischen einer unteren Platte 8 und
einer oberen Platte 9 zu spannen, welche beide aus einem Isoliermaterial
bestehen. Es wird bemerkt, daß die Rohre 6A, 6B, 6C
und 6D derart vorgesehen sind, daß sie die äußere Zwischenlage, der Spule
größten Durchmessers 2 sichern, welch letztere andererseits durch die beiden Sätze
der vorerwähnten Zwischenlagen seitlich gestützt wird, wie dies aus den Fig.
3 und 4 ersichtlich ist.
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Die inneren Spulen 1 und 3 sind in die richtige Mittellage
gebracht mittels eines vierarmigen Kreuzes aus einem Isoliermaterial 10,
welches seitlich unterstützt wird durch jeden dieser Arme auf den Ab-
schnitten
der korrespondierenden Zwischenlagenpaare4A, 5A, 4B, 5B, 4C, 5C und
4D, 5D.
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Die Platten 8 und 9 sind mit Entlüftungslöchern zu versehen,
z. B. mit den in Fig. 2 gezeigten Löchern 11, 12, 13 und 14 der unteren
Platte 8, welche die Luftzirkulation im Innern der Spulen 1 und
3 sowie quer durch den Raum c, der die beiden Spulen 1
und
3 trennt, ermöglichen.
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Die Spulen werden vor der Montage mit Aralditharz imprägniert, um
einen besseren Halt der Drähte untereinander sicherzustellen. Auf der unteren Platte
8 ist eine Klemmplatte 15 angeordnet, welche drei Eingangsklemmen
SI, S2' S3 für den Anschluß der Netzphasen und drei Ausgangsklemmen
e" e., e#. für den Anschluß des anzulassenden Motors trägt. Die Spulen
1, 2, 3 selbst sind geschaltet und gewickelt, wie oben auseinandergesetzt
wurde.
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Die ganze so hergestellte Induktionsspulenanordnung für Ständeranlasser
wird durch eine untere Platte 8 auf einer Konsole 16 befestigt, die
vorzugsweise aus Aluminium besteht und eine leichte Befestigung der ganzen Anordnung
im Inneren eines Kastens ermöglicht.
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Im Rahmen der durch die Ansprüche gegebenen Grenzen kann die Erfindung
auch noch in anderer Weise ausgeführt werden, als sich aus den dargestellten und
beschriebenen Ausführungsbeispielen ergibt.