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Induktionsmotor mit axial verschiebbarem Magnetanker Die Erfindung
betrifft einen Induktionsmotor mit einem mit dem Rotor des Motors rotierenden und
axial verschiebbaren Magnetanker, der durch den vom Stator des Motors erzeugten
magnetischen Fluß gegen eine Stirnseite des Rotors angezogen wird und z. B. zur
Betätigung einer Bremse dient.
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Es ist bei Induktionsmotoren der oben angegebenen Art bekannt, das
Rotorpaket etwas kürzer als das Statorpaket auszubilden und das eine Ende des Rotorpaketes
mit einem Polkörper zu versehen, der sowohl von dem Rotorpaket als auch von der
Rotorachse magnetisch getrennt und weiter in magnetisch getrennte Segmente geteilt
ist, so daß er den radial gerichteten Statorfluß in axialer Richtung zu einem Magnetanker
ablenkt, der auf der Rotorachse axial beweglich angeordnet und mit einer ringförmigen,
der Stirnseite des Polkörpers zugewandten Polfläche versehen ist.
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Motoren dieser Art haben den Nachteil, daß sie ein beträchtlich geringeres
Anlaufmoment und eine geringere Maximalleistung als normale Induktionsmotoren entsprechender
Größe haben. Der Wirkungsgrad ist auch schlechter als bei einem normalen Motor,
besonders bei Nennbelastung und darüber. Dies hängt davon ab, daß der Magnetanker
so ausgeführt ist, daß die bei Belastung zunehmende magnetomotorische Kraft des
Stators einen immer größeren Fluß durch den Magnetanker treibt, einen Fluß, der
also keinen Zuschuß zu der abgegebenen Leistung des Motors, sondern nur einen unnötigen
Zusehuß zur Anziehungskraft des Ankers gibt. In derselben Weise treibt die sehr
große magnetomotorische Kraft des Stators, die beim Anlauf des Motors entsteht,
einen kräftig erhöhten Fluß durch den Magnetanker, sobald der Magnetanker gegen
den Polkörper angezogen und damit der Luftspalt zwischen der Polfläche des Ankers
und der Stirnseite des Polkörpers vermindert wird. Das hat eine entsprechende Abnahme
des nützlichen Flusses durch das Rotorpaket und folglich eine Verminderung des Anlaufmomentes
zur Folge.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, einen Teil
des Rotorpaketes selbst als Polkörper zu verwenden, indem das Rotorpaket ebenso
lang wie der Stator ausgeführt, aber ein Teil des einen Endes des Rotorpaketes sowohl
von dem übrigen Rotorpaket als auch von der Rotorachse magnetisch getrennt und außerdem
in magnetisch getrennte Segmente unterteilt wird, so daß der Statorfluß in axialer
Richtung zum Magnetanker abgelenkt wird, der vor der Stirnseite des Rotors angeordnet
ist. Der Anker hat dabei zwei der Stirnseite des Rotors zugewandte Polflächen, die
eine außerhalb der Rotorstäbe und die andere innerhalb der Rotorstäbe. Beim Anlauf
des Motors, dient dabei der äußere Teil des Magnetankers als magnetischer Kurzschluß
für die magnetomotorisehe Kraft des Stators, so daß ein Fluß durch die äußere Polfläche
des Ankers getrieben und eine genügende Anziehungskraft erhalten wird. Beim Betrieb
ist die Absicht die, daß die magnetomotorische Kraft des Stators einen Fluß durch
den als Polkörper dienenden Teil des Rotorpaketes treiben soll, da der Rotorstrom
und damit die entgegengerichtete magnetomotorische Kraft des Rotors klein sind,
und daß dieser Fluß sich durch die innere Polfläche des Ankers schließen, dabei
eine genügende Haltekraft geben und gleichzeitig auch ein nützliches Drehmoment
erzeugen soll. Bei den bisher vorgeschlagenen Konstruktionen dieser Art ist aber
der Magnetanker so ausgeführt, daß bei zunehmender Belastung des. Motors und damit
zunehmender magnetomotorischer Kraft des Stators und zunehmender gegengerichteter
magnetomotorischer Kraft des Rotors die magnetomotorische Kraft des Stators nach
wie vor einen zunehmenden Fluß durch die äußere Polfläche des Ankers treibt. Das
hat die nicht gewünschte Verminderung des nützlichen Flusses zur Folge, und es wird
keine nennenswerte Verbesserung der Maximalleistung und des Wirkungsgrades des Motors
erreicht. Auch beim Anlauf des Motors wird die große magnetomotorische Kraft
des
Stators wie bei den zuvor erwähnten Konstruktionen einen kräftig erhöhten Fluß durch
die äußere Polfläche treiben, sobald der Magnetanker gegen die Stirnfläche des Rotors
gezogen wird, was eine entsprechende Verminderung des Anlaufmomentes des Motors
bewirkt.
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Die genannten Nachteile der vorbeschriebenen Konstruktion bestehen
auch dann, wenn nach einer bekannten Ausführung das beim Einschalten des Motors
in den Kurzschlußringen entstehende Kurzschlußfeld zum Anziehen des Magnetankers
benutzt wird. Auch bei dieser Konstruktion kann nicht vermieden werden, daß sich
vom Stator her ein Streufeld ausbildet, das zunächst in axialer Richtung den außerhalb
der Nutenstäbe liegenden Teil des Rotors, den Luftspalt zwischen den Stirnkanten
des Polkörpers und des Magnetankers durchsetzt und sich dann in der Umfangsrichtung
des Magnetankers in einem anderen Pol des Motors auf einem gleichen Wege wie dem
zuvor genannten, aber in umgekehrter Richtung über den Stator schließt. Es entsteht
so ein Streufeld, das mit wachsender Belastung des Motors zunimmt und zu einer Minderung
der Motorleistung führt.
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Die Erfindung betrifft einen Induktionsmotor mit einem mit dem Rotor
des Motors rotierenden, axial verschiebbaren und - vorzugsweise zur Betätigung einer
Bremse dienenden Magnetanker, der durch den von dem Stator des Motors erzeugten
magnetischen Fluß gegen eine Stirnseite des Rotorblechpaketes angezogen wird, und
mit einem am Ende des Rotorblechpaketes angebrachten Polkörper oder einem als Polkörper
ausgebildeten Teil des Rotorblechpaketes, der sowohl von dem Rotorpaket oder dem
übrigen Teil dieses Paketes als auch von der Rotorachse magnetisch getrennt und
außerdem in magnetisch getrennte Segmente unterteilt ist, wobei der Magnetanker
eine ringförmige, der Stirnseite des Polkörpers zugewandte Polfläche aufweist, die
radial außerhalb der Rotorwicklung angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist der beschriebene
Induktionsmotor so ausgebildet, daß der Magnetanker"aus einem ringförmigen, aus
magnetisierbarem Material bestehenden, die Polfläche bildenden Teil und aus einem
ringförmigen nichtmagnetisierbaren Teil starr zusammengesetzt ist, der den magnetisierbaren
Teil magnetisch von dem übrigen Teil des Magnetankers trennt, und daß der magnetisierbare
Teil eine so geringe Querschnittsfläche hat, daß die durch diese Fläche in Umfangsrichtung
verlaufenden magnetischen Flüsse beim An- ; laufen und beim Lastlauf des Motors
eine Sättigung des magnetisierbaren Magnetankerteiles bewirken.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung hat der Anker nur eine ringförmige
Polfläche, die radial außerhalb des Kurzschlußringes liegt. Bei einer Ab- ; wandlung
ist der Induktionsmotor so ausgebildet, daß der Magnetanker aus zwei konzentrischen
Ringen aus magnetisierbarem Material zusammengesetzt ist, die durch einen Zwischenring
aus nichtmagnetisierbarem Material getrennt sind, und zwei ringförmige, der Stirnseite
des Rotors zugewandte Polflächen bilden, von denen die eine radial außerhalb des
Kurzschlußringes der Kurzschlußwicklung des Rotors und die andere radial innerhalb
dieses Ringes angeordnet ist. t Mit einem Magnetkern nach der Erfindung wird bei
Belastung des Motors der für die Leistungserzeugung des Motors wertlose Fluß durch
den Magnetanker wegen der schnellen Sättigung des Flußweges auf einen Betrag beschränkt,
der für die Anziehungskraft des Ankers erforderlich ist und bei zunehmender Belastung
nur in geringem Ausmaß zunimmt, weshalb der Motor eine höhere Maximalleistung als
bisher bekannte Konstruktionen abgeben kann. Gleichzeitig wird auch der Wirkungsgrad
verbessert, insbesondere bei Nennbelastung und darüber. In derselben Weise wird
beim Anlauf der für die Momenterzeugung des Motors wertlose Fluß durch den Magnetanker
auf den Teil beschränkt, der für die Anziehung des Magnetankers gegen die Stirnseite
des Polkörpers erforderlich ist, so daß nur eine geringe Erhöhung dieses Flusses
erhalten wird, wenn der Luftspalt zwischen der Polfläche des Ankers und der Stirnseite
des Polkörpers vermindert wird. Der Motor kann daher ein höheres Anlaufmoment als
bisher bekannte Konstruktionen entwickeln.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung und ihre grundsätzliche Wirkungsweise
sind im folgenden an Hand der Zeichnung, die zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
zeigt, näher beschrieben.
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F i g. 1 zeigt schematisch im Längsmittelschnitt einen Induktionsmotor
nach der Erfindung, F i g. 2 einen Schnitt durch den Rotor längs der Linie
A -A in F i g. 1 und F i g. 3 im Längsmittelschnitt einen Induktionsmotor,
der größtenteils identisch mit dem in F i g. 1 dargestellten Motor ist, dessen Anker
aber zwei Polflächen hat.
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Mit Hinweis auf F i g. 1 bezeichnet 1 das Statorgehäuse des Motors,
das einen normal ausgeführten Stator 2 mit Statorwicklung 3 trägt.
4 bezeichnet den Rotor des Motors, der auf der Rotorachse 5 befestigt ist.
Der Rotor hat eine Kurzschlußwicklung, und die Kurzschlußringe sind mit 6 und 7
bezeichnet. Der Rotor 4 ist in magnetischer Hinsicht in zwei Teile
8
und 9 geteilt, zwischen denen ein Blech 10 aus nichtmagnetisierbarem Material
liegt. Der größere Rotorteil 8 ist in normaler Weise ausgeführt, während der kleinere
Teil 9 von der Achse 5 dadurch magnetisch getrennt ist, daß er einen größeren lichten
Durchmesser hat, so daß ein Luftspalt zwischen den Rotorblechen und der Achse 5
entsteht. Weiter sind in diesem Teil 9 die Nuten 11 für die Rotorstäbe in radialer
Richtung verlängert, wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, so daß sie bis zu oder beinahe
bis zu dem inneren Umkreis der Rotorbleche reichen, wodurch der Rotorteil9 in magnetisch
getrennte Segmente unterteilt wird. 12 bezeichnet einen ringförmigen Magnetanker,
der auf der Achse 5 axial beweglich angeordnet ist. Der Magnetanker 12 besteht
aus einem konzentrischen Ring 26 aus weichmagnetischem Material und einem
Ring 28 aus nichtmagnetisierbarem Material, die z. B. mittels Schrumpfung zusammengefügt
sind. Der Magnetanker 12 hat folglich eine ringförmige, der Stirnseite des
kleineren Rotorteils 9 zugewandte Polfläche 13, die radial außerhalb des Kurzschlußringes
6 liegt. Der Magnetanker 12 ist so angeordnet, daß er beim Schließen des Statorstromes
gegen die Stirnseite des Rotors angezogen wird. Die axiale Bewegung wird durch einen
Stift 15 und einen axial beweglichen Bolzen 16, der in einer Bohrung in der Achse
5 angeordnet ist, auf eine Bremsscheibe 17 übertragen, so daß diese von einem Bremsschild
18
gelüftet wird. Wenn der Statorstrom abgeschaltet wird und die Anziehungskraft
auf den Magnetanker 12 aufhört, wird die Bremsscheibe 17 von der Feder
19
wieder gegen den Bremsschild 18 gedrückt, wobei das Bremsmoment auf die Rotorachse
5 durch Stifte 20 übertragen wird, die die Bremsscheibe 17 mit einer Nabe 21 vereinigen,
die mit Nut und Feder 22 auf der Achse 5 befestigt ist. Der Abstand zwischen dem
Bremsschild 18 und der Bremsscheibe 17 bei gelüfteter Bremse kann mittels einer
Mutter 23 geändert werden. 24 bezeichnet ein Lagerschild und 25 ein Kugellager für
die Achse 5.
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Die Anziehungskraft des Magnetankers 12 wird in folgender Weise erzeugt.
Unmittelbar nach dem Anschluß der Statorwicklung an die Spannungsquelle des Motors
entsteht eine dem Kurzschlußstrom der Statorwicklung entsprechende magnetomotorische
Kraft. Da aber der Rotor stillsteht, wird gleichzeitig ein Strom in den Rotorstäben
induziert, der eine magnetomotorische Kraft erzeugt, die beinahe ebenso groß wie
die magnetomotorische Kraft des Stators, aber gegengerichtet ist. Normalerweise
würde deshalb der resultierende Fluß durch den Stator und den Rotor ganz klein sein.
Bei der Erfindung dient indessen der Magnetanker 12 als ein magnetischer Kurzschluß,
so daß die magnetomotorische Kraft des Stators einen Fluß erzeugt, der sich hauptsächlich
durch den äußeren Teil des Rotorteiles 9 und durch die Polfläche 13 und den Ring
26 des Magnetankers 12 schließt. Dadurch, daß der Querschnitt des Ringes 26 so bemessen
ist, daß der Ring wenigstens an einem Teil seines Umfanges gesättigt wird, wird
der Fluß durch die Polfläche 13 auf gerade den Betrag beschränkt, der für die gewünschte
Anzugskraft erforderlich ist, weshalb das Anlaufmoment des Motors beträchtlich höher
wird als bei bisher bekannten Konstruktionen, bei denen der Magnetanker ganz und
gar aus magnetisierbarem Material besteht und keine Beschränkung des Flusses durch
die Polfläche möglich ist.
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Der Motor nach F i g. 3 ist in jeder Hinsicht identisch mit dem in
F i g. 1 dargestellten Motor, mit Ausnahme davon, daß der Magnetanker aus zwei Ringen
26, 27 aus weichmagnetischem Material besteht, die durch einen Zwischenring aus
nichtmagnetisierbarem Material getrennt sind. Der Magnetanker 12 hat folglich zwei
ringförmige, der äußeren Stirnseite des als Polkörper dienenden Teiles des Rotorkernes
zugewandte Polfläche 13, 14, von denen eine außerhalb, die andere innerhalb des
Kurzschlußringes 6 angeordnet ist. Der Magnetring 26 ist auch bei dieser Ausführungsform
mit einem solchen Querschnitt ausgeführt, daß er wenigstens teilweise gesättigt
wird, wenn der Motor anläuft und wenn er belastet wird.
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Wenn der Motor seine Leerlaufdrehzahl erreicht hat, werden die Verhältnisse
verändert, da der Rotorstrom auf einen niedrigen Wert sinkt, so daß die magnetomotorische
Kraft des Rotors klein wird. Die magnetomotorische Kraft des Stators kann deshalb
auch einen Fluß durch den Rotorteil 9 treiben. Wegen der radial verlängerten Rotornuten
in diesein Teil wird dieser Fluß gezwungen, sich durch den Magnetanker 12 über die
innere Polfläche 14 und den inneren Ring 27 zu schließen. Die Haltekraft wird deshalb
zum großen Teil an dieser inneren Polfläche erzeugt. Der Teil des Statorflusses,
der durch den Rotorteil 9 und den inneren Ring 27 fließt, erzeugt dabei auch ein
nützliches Drehmoment, weil er die Rotorwicklung durchsetzt. Es ist aber klar, daß
fortwährend ein Teil des verfügbaren Statorflusses sich durch die äußere Polfläche
13 und den äußeren Ring 26 schließt.
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Bei bisher bekannten Konstruktionen mit einem Magnetanker ganz aus
magnetisierbarem Material ist dies besonders der Fall, wenn der Motor belastet wird,
da dabei genau wie beim Anlauf ein Rotorstrom und eine der magnetomotorischen Kraft
des Stators entgegengerichtete magnetomotorische Kraft des Rotors entstehen, so
daß, je größer die Belastung wird, ein immer größerer Teil des verfügbaren Statorflusses
sich durch die äußere Polfläche 13 schließen wird, was eine erhebliche Verschlechterung
der Maximalleistung des Motors und auch des Wirkungsgrades, besonders bei höherer
Belastung, bewirkt.
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Nach der Erfindung wird eine Vergrößerung des Flusses durch die äußere
Polfläche 13 bei zunehmender Belastung dadurch vermieden, daß die Querschnittsfläche
des äußeren Ringes 26 so bemessen ist, daß das magnetische Material schnell gesättigt
wird, wenn der Motor belastet wird. Durch diese Sättigung wird der nutzlose Fluß
durch die äußere Polfläche 13 auf einen geringen und von der Belastung verhältnismäßig
unabhängigen Betrag wirksam beschränkt, weshalb die Maximalleistung des Motors beträchtlich
höher als bei bisher bekannten Konstruktionen wird. Auch der Wirkungsgrad wird :verbessert,
besonders bei Nennbelastung und darüber. Natürlich ist es beim Betrieb ein Vorteil,
wenn der Querschnitt des äußeren Ringes 26 so klein wie möglich ist, so daß
nur ein sehr geringer Fluß für die Sättigung des Ringes erforderlich ist. Die praktische
Grenze der Verminderung des Querschnittes. des äußeren Ringes 26 wird indessen davon
bestimmt, daß der Ring beim Anlauf des Motors einen für die gewünschte Anzugskraft
genügend großen :.Fluß durchlassen muß.
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Bei der in F i g. 3 dargestellten Konstruktion ist es indessen schwer,
eine kurze Abfallzeit für den Magnetanker zu erhalten. Wenn der Statorstrom abgeschaltet
wird und die magnetomotorische Kraft des Stators damit verschwindet, entstehen nämlich
aus bekannten Gründen in der geschlossenen Rotorwicklung ein Strom und eine magnetomotorische
Kraft, die den von der magnetomotorischen Kraft des Stators früher erzeugten Fluß
aufrechtzuerhalten bestrebt ist. Diese magnetomotorische Kraft des Rotors wird dabei
einen Fluß erzeugen, der sich durch die äußeren und inneren Polflächen schließt
und folglich eine nicht gewünschte Anziehungskraft des Magnetankers erzeugt. Diese
Schwierigkeiten können dadurch vermieden werden, daß der Magnetanker so ausgeführt
wird, daß ein Restluftspalt zwischen der inneren Polfläche und der Stirnseite des
Rotors bleibt, wenn der Magnetanker angezogen ist. Hierdurch wird die Reluktanz
des Weges des Flusses durch die innere Polfläche erhöht, weshalb es für die magnetomotorische
Kraft des Rotors schwerer wird, einen Fluß, der sich durch den Magnetanker schließt,
zu erzeugen, d. h., die Abfallzeit des Ankers wird kürzer.
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Der Ring 26 wird vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material
mit einer ausgeprägten rechteckigen Magnetisierungskurve hergestellt. Hierdurch
wird Sättigung und damit maximaler Fluß durch den Ring 26 schon bei einer sehr geringen
magnetomotorischen Kraft des Stators, d. h. schon beim Leerlauf, erhalten, und die
Zunahme der magnetomotorischen Kraft des Stators, die bei Belastung des
Motors
erhalten wird, wird nur eine sehr geringe Zunahme des für die Leistungsabgabe des
Motors wertlosen Flusses durch die Polfläche 13 bewirkt. Der Ring 26 kann zu diesem
Zweck z. B. aus einem kreisförmigen Bandkern aus magnetisch orientiertem Material
bestehen.
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Die Merkmale der Unteransprüche sind nur im Zusammenhang mit dem Gegenstand
des Hauptanspruches als Erfindung zu werten.