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Als Mehrphasen-Wechselstrom-Induktionsmotor mit Käfiganker und verteilter
Wicklung ausgebildeter Stellmotor Die Erfindung betrifft einen als Mehrphasen-Wechselstrom-Induktionsmotor
mit Käfiganker und verteilter Wicklung ausgebildeten Stellmotor mit Mitteln zur
Verkürzung der Auslaufzeit im einphasigen Betrieb nach Abschaltung des Steuersignals.
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Es sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, um die Auslaufzeit eines
Stellmotors nach Abschaltung des Steuersignals zu verkürzen. Dazu gehören die Anwendung
einer Gegenkopplung, eine geschwindigkeitsabhängige Magnetbremsung und die Erzeugung
einer Reibung durch Verwendung geteilter Zahnräder. Derartige Hilfsmaßnahmen verschlechtern
aber den Wirkungsgrad des Stellmotors und sollten deshalb wenn möglich vermieden
werden. Die bisher bekannten Stellmotoren dieser Art sind aber gegen Temperaturschwankungen
und sonstige Änderungen der Umgebungsbedingungen empfindlich und müssen an die Art
der mit ihnen verbundenen Steuerschaltung (z. B. ein Transformatorkreis, ein Kreis
mit hohem Ausgangswiderstand oder ein abgestimmter Kreis) angepaßt werden, wenn
sichergestellt sein soll, daß der Stellmotor nach Abschaltung des Steuersignals
nicht einphasig weiterläuft. Es ist bekannt, bei einem Antriebsmotor mit Käfiganker
und verteilter Wicklung durch Einfügen eines oder mehrerer Kurzschlußringe in der
Achsrichtung eine Verbesserung des Anlaufes und eine Verringerung der Rüttelkräfte
zu bewirken, Diese bekannte Maßnahme wurde bisher bei Stellmotoren nicht angewandt,
da hier wegen des höheren Läuferwiderstandes der Anlauf sowieso leichter ist und
bei den geringen Drehzahlen die Rüttelkräfte keine wesentliche Rolle spielen. Dies
gilt um so mehr, als Stellmotoren grundsätzlich anders als normale Antriebsmotoren
für die Kraftübertragung konstruiert sein müssen. So müssen Stellmotoren ein möglichst
kleines Trägheitsmoment haben, damit sie rasch anlaufen und anhalten und ihre Umlaufrichtung
wechseln können. Da das Trägheitsmoment bekanntlich proportional zur vierten Potenz
des Läuferdurchmessers ist, haben Stellmotoren grundsätzlich einen möglichst schlanken
Läufer, während der Durchmesser von Antriebsmotorläufern weit größer ist. Antriebsmotoren
haben auch einen sehr niedrigen ohmschen Widerstand, um den Wirkungsgrad zu verbessern;
dagegen ist der ohmsche Widerstand von Stellmotoren größer, damit sie nicht so leicht
einphasig laufen. Wegen des kleinen Durchmessers haben Stellmotoren im allgemeinen
nur zwei Nuten je Pol, während die Antriebsmotoren sechs oder mehr Nuten je Pol
aufweisen. Infolgedessen werden bei Stellmotoren sehr starke Oberwellen erzeugt,
die umgekehrt wie die Drehrichtung des Läufers umlaufen. Überraschenderweise wurde
nun gefunden, daß das gefürchtete einphasige Weiterlaufen eines Stellmotors der
eingangs genannten Art sehr wirksam bekämpft werden kann, wenn erfindungsgemäß mindestens
ein zusätzlicher Kurzschlußring, durch den die Wicklungsstäbe zwischen den zwei
Kurzschlußringen an den Enden des Läufers miteinander verbunden sind, in der Nähe
eines Läuferendes angeordnet ist.
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Durch diese Maßnahme wird nämlich eine wesentliche Erhöhung der Dämpfung
bewirkt, und zwar rührt die Dämpfungserhöhung hauptsächlich von den kurzgeschlossenen
Oberwellen (insbesondere der dritten und fünften Oberwelle) her.
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Infolge der verbesserten Dämpfung kann bei einem Stellmotor gemäß
der Erfindung auf die Anwendung der obenerwähnten Hilfsmaßnahmen, die eine Verschlechterung
des Wirkungsgrades bewirken, verzichtet werden.
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Vorzugsweise ist die Anordnung so getroffen, daß die Läufer- und Ständerpole
schräg zueinander verlaufen.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben.
Hierin ist F i g. 1 ein Schrägbild des erfindungsgemäßen Motorläufers mit weggebrochenen
Teilen,
F i g. 2 die schematische Darstellung einer typischen Schaltung
unter Verwendung des erfindungsgemäßen Stellmotors, F i g. 3 ein Längsschnitt des
erfindungsgemäßen Stellmotors, F i g. 4 eine Darstellung des Drehmomentes von Stellmotoren
in Abhängigkeit von der Drehzahl, F i g. 5 eine Darstellung des Stromverlaufes im
Kurzschlußläufer eines bekannten Induktionsmotors und F i a. 6 eine Darstellung
des Stromverlaufes im Kurzschlußläufer des erfindungsgemäßen Induktionsmotors.
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F i g. 2 zeigt das Schaltbild einer typischen Stellvorrichtung mit
einem Geber 11, z. B. einem Synchrongeber, und einem Empfänger 12, z. B. einem Drehtransformator.
Geber und Empfänger können als Drehtransformatoren, Potentiometer, Variometer usw.
ausgebildet sein.
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Der Geber 11 ist beispielsweise in einem Rechenwerk untergebracht
und sendet Signale zum Empfänger 12, der an einer entfernten Stelle aufgestellt
sein kann.
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Ein Verstärker 13 ist über eine Leitung 14 mit dem Geber 12 verbunden
und speist die Steuerphasenwicklung 16 eines Stellmotors 17, der einen Läufer 18
und eine Bezugsphasenwicklung 21 aufweist. Zwischen dem Läufer 18 des Motors 17
und dem Empfänger 12 besteht eine mechanische Verbindung 22, so daß der Stellmotor
17 den Empfänger 12 hinsichtlich des vom Geber 11 ausgehenden Signals auf Null zurückstellt.
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Das Problem einer solchen Stellvorrichtung besteht darin, daß unter
gewissen Bedingungen der Läufer 18 des Stellmotors 17 durchdreht, d. h. weiterläuft,
anstatt stehenzubleiben, wenn der Drehtransformator 12 mit dem Geber 11 in der Stellung
übereinstimmt. Dieses einphasige Weiterlaufen wird durch zu geringe Dämpfung verursacht.
Mögliche Ursachen hierfür sind: 1. Der Ausgangswiderstand des Verstärkers 13 hinsichtlich
der Steuerphasenwicklung 16, 2. ein Leerlaufzustand in der Speiseleitung für die
Steuerwicklung 16, 3. Temperaturänderungen, welche die elektrischen Eigenschaften
des Läufers 18 ändern, 4. zu hoher Wirkungsgrad des Stellmotors, so daß er sich
den Betriebsbedingungen eines einphasigen Induktionsmotors nähert.
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Bei vielen Induktionsmotoren für Antriebszwecke ist ein Kondensator
zur Steuerwicklung parallel geschaltet, um das Anlaufen des Motors zu ermöglichen.
Nach dem Anlaufen wird der Kondensator mittels eines Zentrifugalschalters abgeschaltet,
und der Motor läuft einphasig weiter.
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Der Wirkungsgrad dieser Induktionsmotoren liegt normalerweise bei
50 bis 90 %, während der Wirkungsgrad eines Stellmotors gewöhnlich etwa 6 bis 12
% beträgt. Mit dem erfindungsgemäßen Stellmotor sind dagegen Wirkungsgrade von etwa
15 bis 18 % erreichbar, ohne daß die unerwünschten Begleiterscheinungen der zu geringen
Dämpfung auftreten.
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Wichtig ist auch die Unabhängigkeit von Temperaturschwankungen. Stellmotoren
werden vielfach in Luft- und Raumfahrzeugen verwendet, und bei größeren Höhen wird
die Temperatur stark verringert. Wenn bei zu großer Kälte der Stellmotor durchgeht,
kann die Rechenanlage nicht einwandfrei funktionieren.
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Im allgemeinen kommt man der zu geringen Dämpfung dadurch bei, daß
durch entsprechende Auslegung des Verstärkers die Dämpfung erhöht wird. Diese Lösung
hat aber verschiedene Nachteile, und die Erfindung führt zu einer Lösung, bei der
eine Änderung des Verstärkers überhaupt nicht nötig ist.
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Ferner hat man die Dämpfung dadurch erhöht, daß der elektrische Widerstand
des Läufers vergrößert wird. Werden die Nuten des Läufers enger gemacht, so wird
auch der Querschnitt der in diesen Schlitzen untergebrachten Käfigstäbe verringert
und der elektrische Widerstand dieser Stäbe entsprechend erhöht. Diese Lösung des
Problems führt aber zu einer Verringerung des Wirkungsgrades des Motors.
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Man hat auch Generatoren mit umgekehrter Kennlinie verwendet, die
so geschaltet sind, daß sie der Läuferbewegung entgegenwirken, wenn dieser eine
Gleichgewichtsstellung erreicht. Der Nachteil liegt hier darin, daß ein zusätzlicher
Bauteil erforderlich ist, wodurch Gewicht und Raumbedarf erhöht werden. Der erfindungsgemäße
Motor benötigt dagegen kein Zusatzgewicht und keinen zusätzlichen Raum und hat doch
die gleiche Wirkung.
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Erfindungsgemäß wird das Problem der zu geringen Dämpfung durch Einführung
eines Nebenschlusses im Läufer gelöst, wobei der Wirkungsgrad trotzdem hoch bleibt.
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Der in F i g. 1 und 3 dargestellte erfindungsgemäße Stellmotor besitzt
einen Ständer 23 und einen Läufer 25, dessen Eisenkern 26 aus Eisenblechen 27 mit
auf dem Umfang verteilten Zähnen 28 besteht. Die Zähne 28 bilden die Läuferpole,
zwischen denen sich Nuten 31 befinden. In den Läufernuten 31 verlaufen Leitungsstäbe
32, die an den Stirnseiten des Eisenkerns 26 mittels Kurzschlußringen 33 verbunden
sind. So ergibt sich die bekannte Anordnung des Käfigläufers.
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Erfindungsgemäß ist ein weiterer Kurzschlußring 34 vorgesehen, der
die Stäbe 32 in den Nuten 31 verbindet.
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Der Ständer 23 besteht gemäß F i g. 3 aus einem Blechpaket 35 mit
nach innen weisenden Zähnen, welche die Ständerpole bilden. In den dadurch gebildeten
Nuten liegt die Ständerwicklung 36, die an den Stirnseiten mit einer Isolierung
37 versehen ist. Die Ständerwicklungsanschlüsse 38 sind an Klemmen 41 angelötet.
Der Ständer 23 befindet sich in einem topfförmigen Gehäuse 42, dessen eine Stirnseite
mit einer Stirnplatte 43 verschlossen ist.
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Der Läufer 25 besitzt eine Welle 44 mit Schultern 45 bis 48. Eines
der Läuferbleche, das in F i g. 3 mit 51 bezeichnet ist, hat einen geringeren Durchmesser
als die übrigen Bleche 27, beispielsweise durch Ausbrechen eines, mehrerer oder
aller Zähne, so daß an dieser Stelle ein Spalt zwischen benachbarten Läufernuten
31 frei bleibt. In diesem Spalt befindet sich ein Sektor- oder ringförmiger Leiter
34, der die benachbarten Stäbe 32 verbindet. Die Läuferbleche 27 und 51 werden durch
Bunde 52 und 53 zusammengehalten. Die Käfigstäbe bestehen vorzugsweise aus Aluminium,
das im Schleudergußverfahren in den Eisenkern gegossen wird. Natürlich können die
Käfigstäbe auch auf andere Weise eingebracht werden, beispielsweise durch Druckguß
oder Kaltpressen.
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Die Läuferwelle 44 wird am einen Ende in einem Kugellager 54 geführt,
das von einem Haltering 55 festgehalten wird. Eine Unterlegscheibe 56 befindet
sich
zwischen dem Kugellager 54 und dem Bund 52. Das andere Ende der Welle 44 ist in
einem Kugellager 57 gelagert, das von einer Abdeckscheibe 58 verdeckt wird und mittels
eines Klemmrings festgehalten wird. Eine Unterlegscheibe 62 befindet sich zwischen
dem Kugellager 57 und der Schulter 48.
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Die Bleche 51 mit geringerem Durchmesser, von denen nur eines in F
i g. 3 gezeigt ist, können aus Edelstahl oder einem anderen Material bestehen. Vorzugsweise
bestehen sie aber aus dem gleichen ferromagnetischen Werkstoff wie die übrigen Bleche
27, so daß sie den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und auf Temperaturschwankungen
in gleicher Weise reagieren.
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In F i g. 4 sind die Drehmomentverläufe verschiedener Stellmotoren
mit der Drehzahl aufgezeichnet. Hierbei bedeutet NS die Synchrondrehzahl in der
einen Richtung und -NS die Synchrondrehzahl in der anderen Richtung. Ein richtig
ausgelegter Stellmotor hat einen linearen Drehmomentverlauf gemäß Kurve 63. Wenn
also z. B. eine Spannung von 10 Volt an der Steuerwicklung des Stellmotors liegt,
so dreht sich dieser mit einer bestimmten Drehzahl. Bei Anlegung der doppelten Spannung
von 20 Volt dreht sich der Stellmotor mit der doppelten Drehzahl usw.
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Wenn aber nun der Speisestromkreis für die Steuerphasenwicklung ein
abgestimmter Schwingkreis ist, um eine höhere Leistungsübertragung zu erzielen,
oder wenn er einen hohen Ausgangswiderstand aufweist, so sinkt der Drehmomentverlauf
gemäß Kurve 64 ab. Das ist schlecht, weil nunmehr der Zusammenhang zwischen Steuerspannung
und Drehzahl nicht mehr linear ist und der Motor nur wenig gedämpft ist und damit
leicht durchdrehen oder jedenfalls die Gleichgewichtsstellung überfahren kann.
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Es wurde gefunden, daß der erfindungsgemäß gebaute Stellmotor eine
bessere Linearität der Abhängigkeit der Drehzahl von der Steuerspannung ergibt.
Der Drehmomentverlauf wird selbst dann abgeflacht, wenn der Speisestromkreis für
die Steuerwicklung abgestimmt ist oder einen hohen Widerstand aufweist.
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F i g. 5 zeigt den Stromverlauf in dem Käfigläufer eines Stellmotors
üblicher Bauart. Die Pfeile 65 bedeuten den Stromverlauf im Läufer. Der Strom fließt
am rechten Ende durch den Kurzschlußring nach oben, dann durch einen Käfigstab nach
links, am linken Ende durch den Kurzschlußring nach unten und dann durch einen anderen
Käfigstab in einer Nut wieder zum Ausgangspunkt zurück.
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Demgegenüber zeigt F i g. 6 den Stromverlauf im Läufer eines Motors
gemäß der Erfindung. Die Pfeile 66 deuten an, wie der Strom von unten rechts nach
oben durch den Kurzschlußring 33 verläuft, dann nach links durch einen Käfigstab
32, durch den Kurzschlußring 33 am anderen Ende nach unten und durch einen anderen
Käfigstab wieder zurück. Ein Teil dieses Stromes fließt aber gemäß Pfeil 67 nach
unten durch den Kurzschluß 34, der gemäß F i g. 1 aus einer Aluminiumrippe bestehen
kann, die alle oder einige benachbarte Nuten verbindet. Die Anordnung verhält sich
also so, als ob zwei Läufer vorhanden wären, der eine links von dem Kurzschluß 34
und der andere rechts vom Kurzschluß 34. Die Umlaufströme im gemeinsamen Kurzschlußring
34 zerstören sich gegenseitig und ergeben so eine Bremswirkung auf den ganzen Läufer
bei einphasigem Antrieb. Dadurch, daß der Kurzschluß 34 näher am einen Ende der
Läuferwelle angeordnet ist, hat der kleinere Läuferabschnitt einen verhältnismäßig
geringen Bremseffekt auf den größeren Läuferabschnitt. Soll also die Bremswirkung
verstärkt werden, so kann der Kurzschluß 34 um ein gewisses Maß in Richtung auf
die Mitte des Blechpaketes verschoben werden. Ferner kann die Bremswirkung durch
Vergrößerung oder Verkleinerung des Durchmessers der Bleche 51 verändert werden,
wodurch sich der Querschnitt des Kurzschlusses 34 ebenfalls entsprechend
verändert.
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Statt eines Bleches 51 können mehrere Verwendung finden. Es wurde
in der Praxis gefunden, daß bei höheren Frequenzen von z. B. 800 bis 1000 Hz oder
bei Stellmotoren hoher Drehzahl (z. B. vierpolige Motoren) die zu geringe Dämpfung
stärker ausgeprägt und schwerer zu bekämpfen ist.
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Demgemäß sind bei solchen Motoren gute Ergebnisse bei Verwendung von
zwei kürzeren Blechen 51 erzielt worden, die je in der Nähe der Läuferstirnfläche
in einem Abstand von etwa drei oder vier Blechen von der Stirnfläche angebracht
waren. Bei dem erfindungsgemäßen Motor ist aber nicht nur die Gefahr des einphasigen
Weiterlaufens ausgeschaltet, sondern es ist auch die Zeit zwischen dem Abschalten
der Steuerphase und dem Stillstand des Läufers verkürzt. Infolgedessen muß nach
abermaliger Betätigung der Stellvorrichtung der Läufer einen geringeren Weg zurücklegen,
um wieder in Synchronismus zu kommen.
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Im allgemeinen werden Stellmotoren mit sechs Polen ausgeführt, so
daß beim Abschneiden aller Zähne eines Bleches 27 zur Bildung des Bleches 51 eine
sechspolige Bremse gegen das Durchgehen entsteht. Unter gewissen Umständen ist aber
auch schon eine einpolige Bremse ausreichend, so daß je nach Wunsch ein, zwei oder
drei Zähne ausgebrochen werden können.