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Die Erfindung betrifft einen Induktionsmotor mit ebenem Luftspalt
und einem scheibenförmigen, im wesentlichen unmagnetischen Läufer sowie mit zwei
den Luftspalt begrenzenden Ständerkernen, in deren radialen Nuten gleichmäßiger
Winkelteilung mehrphasige Wicklungen zum Erzeugen von Drehfeldern gleicher Umlaufrichtung
liegen, die jeweils als überlappt ,gewickelte, aus einer Anzahl von Phasensträngen
benachbarter Spulen bestehende Sehnenwicklungen ausgebildet sind, in denen alle
Spulen eines Stranges Strom der gleichen Phase führen.
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Ein bekannter Motor mit zwei axialen, ebenen Luftspalten arbeitet
mit einem Kurzschlußläufer. Der das Feld liefernde Stator besteht dabei aus zwei
ringförmigen, radial genuteten Statoreinh.eiten mit einer mehrphasigen Wicklung,
die konzentrisch zur Achse der Motorwelle angeordnet ist. Der Rotor ist scheibenförmig
und mit speichenartigen Zähnen versehen (USA: Patentschrift 2 550 571).
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Es ist weiterhin eine Drehfeldmaschine mit scheibenförmigem Läufer
bekannt, bei dem Pole gleicher Phase, aber entgegengesetzter Polarität um 180° der
Polteilung gegeneinander versetzt sind und bei dem die Pole zur Drehzahlregelung
tangential und radial verstellbar sind (deutsche Patentschrift 855 427). Zur Unterdrückung
eines Teiles der höheren Harmonischen ist bei dieser bekannten Maschine vorgesehen,
den Läufer mit einem Kurzschlußkäfig zu versehen und die Läufernuten zu schrägen.
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Des weiteren ist ein Induktionsmotor mit einem Scheibenläufer und
einem oder zwei Statoren bekannt, welche mit mehrphasigen überlappten Wicklungen
versehen sind, wobei allerdings je Pol und Phase nur eine ungesehnte, jeweils zwei
Polzähne umfassende Spule vorgesehen .ist (USA.-Patentschrift 1737128).
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Durch die Erfindung soll ein möglichst verlustarmer Motor mit axialem
Luftspalt angegeben werden, bei welchem die unerwünschte Wirkung von Oberwellen
wesentlich wirksamer unterdrückt wird als bei bekannten Maschinen.
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Die Erfindung besteht darin, daß bei einem Induktionsmotor der eingangs
genannten Art die in den radialen, auf beiden Ständerkernen in gleicher Anzahl vorhandenen
Nuten liegenden Wicklungen beider Ständerkerne aus -.einer genau gegenphasigen Lage
relativ zueinander um einen Winkel, welcher kleiner ist als der von einer Spulenseitengruppe
eines Phasenstranges .eingenommene Winkel, derart versetzt sind, daß die durch die
Nut-Diskontinuitäten induzierten Oberwellen des Magnetfeldes beträchtlich verringert
werden.
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Durch die Erfindung ergibt sich vor allem der Vorteil, daß die verfügbare
Leistung eines Motors bestimmter Größe wesentlich erhöht wird.
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Die Erfindung soll anschließend an Hand der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in F i g. 1 eine Schnittansicht einer
Hälfte eines zur Wellenachse symmetrischen Motors mit doppeltem axialem Luftspalt,
F i g. 2 eine Ansicht der Stirnseite des einen bewickelten Stators des in F i g.1
dargestellten Motors, F i g. 3 eine erfindungsgemäß ausgebildete, abgewickelte,
schematische Darstellung der Bewicklung und Schaltung der beiden Statoren des in
F i g.1 dargestellten Motors für den Fall, daß die relative Versetzung der Statoren
eine ganze Zahl von Nutteilungen beträgt, so daß sich die einzelnen Nuten
genau gegenüberstehen, F i g. 4 eine vereinfachte Seitenansicht der beiden Statoren
des in F i g.1 dargestellten Motors, die hier so zueinander verdreht sind, daß ihre
Nuten sich nicht mehr genau gegenüberstehen, F i g. 5 eine graphische Darstellung
der Verringerung der Leistungsverluste, die durch eine Verdrehung der Statoren erzielt
werden kann, F i g. 6 eine Teilansicht eines Rotors für .den Motor gemäß F i g.1.
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Die Statoranordnung des in F i g. 1 dargestellten Motors 35 besteht
aus einem linken und einem rechten ringförmigen Statur 70, 70', die koaxial
zur Welle 63 liegen und in Achsrichtung voneinander durch einen zwischen ihnen befindlichen
Luftspalt oder Zwischenraum 71 (F i g. 4) getrennt werden. Beide Statoren sind gleich
aufgebaut.
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Der Stator 70 enthält einen Kern 72 aus Stahlband, welcher,
wie Fig.2 zeigt, ringförmig ist und eine ringförmige, ebene Stirnfläche 75 aufweist,
die die linke Seite des Zwischenraumes 71 zwischen den beiden Statoren begrenzt.
In diese Stirnfläche 75 sind in Abständen von 12° dreißig radial verlaufende Nuten
76 eingefräst.
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F i g. 3 zeigt schematisch .eine abgewickelte radial von innen gesehene
Ansicht der Wicklungen der Statoren 70, 70' und der elektrischen Verbindungen
dieser Wicklungen. Die dreißig Nuten im Stator 70
und die entsprechenden dreißig
Nuten im Stator 70'
(jeder Nut im einen Stator entspricht eine bestimmte Nut
im anderen) sind in F i g. 3 in. waagerechter Richtung von 1 bis 30 durchnumeriert.
Die Nuten enthalten jeweils innen eine aktive Seite einer ersten Wicklungsspule
und außen eine aktive Seite einer anderen Wicklungsspule.
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Die dreißig innenliegenden Spulenhälften des Stators 70 werden durch
jeweils eine der Phasen a, b, c einer dreiphasigen Stromquelle über Kabel
85, 86 bzw. 87 gespeist. Die letztgenannten Spulenseiten sind in sechs Gruppen unterteilt,
die jeweils aus fünf aufeinanderfolgenden Spulenseiten und in der Zeichnung von
links nach rechts als Spulenseitengruppen uni, bsi, Cni, asi, bni und csi
bezeichnet sind. Der Bezugsbuchstabe .dieser Spulengruppen .gibt die Phase an, mit
der die Spulenhälften dieser Gruppe gespeist werden. Die Indizes n und
s geben die momentane Stromüußrichtung durch die Spulenhälften der angegebenen
Gruppe an, und zwar die Richtung radial nach innen bzw. radial nach außen durch
die Nuten, in denen die Spulenhälften der betreffenden Gruppe liegen. Der zweite
Index i bedeutet, daß die Spulenhälften dieser Gruppen innen in den Nuten liegen.
Die Spulenhälften, die sich in der äußeren Hälfte der Nut befinden, sind im Gegensatz
dazu mit dem zweiten Index o bezeichnet.
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Die aktiven Spulenhälften in den Nuten der beiden Statoren gehören
zu jeweils dreißig Statorspulen, von denen .eine einzige, nämlich die Spule
90, beispielsweise in F i g. 3 schematisch dargestellt ist. Die Spule wird
durch Wickeln eines durchgehend isolierten Drahtes 91 in drei gebündelte Schleifen
oder Windungen .einer solchen Form gebildet, daß zwei getrennte geradlinige Spulensegmente
a1, a1', und zwei zwischen diesen an radial gegenüberliegenden Enden der Spule liegende
Wicklungsköpfe 92, 93 gebildet werden. Die Nuten 1, 13, in denen die Spule
90 liegt, sind weniger als 180 elektrische Grade voneinander
entfernt.
Hierdurch lassen, sich bekanntlich Oberwellen in der durch die Wicklung erzeugten
Flußvertei.lung verringern.
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F i g. 2 zeigt die Form und gegenseitige Lage der dreißig Spulen des
Stators 70. Die radial innen- und außenliegenden Wicklungsköpfe der verschiedenen
Spulen sind zu ringförmigen inneren bzw. äußeren Bändern 95 bzw. 96 zusammengebunden.
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Aus F i g. 3 geht auch hervor, wie die Wicklungen der Statoren
70,70' elektrisch mit der dreiphasigen Stromquelle und untereinander verbunden
sind.
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Die Kabel 101, 102, 103 sind mit den Spulengruppen der entsprechenden
Phasen a, b, c des Stators 70' im wesentlichen in der gleichen Weise verbunden
wie die Spulengruppen des Stators 70, jedoch sind alle Ströme in den Wicklungen
des Stators 70' zu einem gemeinsamen Verbindungspunkt 104 geführt.
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Zusammenfassend kann also bezüglich F i g. 3 festgestellt werden,
daß die Statoren 70,70' jeweils mit einer mehrphasigen, überlappt gewickelten,
verteilten Wicklung mit Bruchteilstei:gung, die im inneren Statorluftspalt 71 (vgl.
F i g. 4) zwischen den beiden Staturen ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen vermag,
versehen sind. Die Verteilung der Spulengruppen in den beiden Statorwicklungen ist
so gewählt, daß die beiden von den Statoren erzeugten Felder die folgenden Eigenschaften
besitzen. Beide Felder sind Zweipolfelder, doch können die Statoren natürlich auch
so bewickelt sein, daß Felder mit einer größeren, geraden und gleichen Polzahl entstehen,
wie vier oder sechs Pole. Ferner sind die Statoren so gewickelt, daß bei Betrachtung
in einer Richtung längs der Achse der Motorwelle beide Felder .dieselbe Drehrichtung
um die Achse haben. Bei .der in F i g. 3 dargestellten Lage liegen sich die Nuten
des Stators 70 und des Stators 70' direkt gegenüber, doch sind beide Statorfelder
räumlich nicht genau gegenphasig, sondern um drei Nuten gegeneinander versetzt,
wie an Hand der Spule an!-as" :des Statorteils 70' und der gegenphasigen Spule t#"
-an, des Statorteils 70 ersichtlich ist. Es ist jedoch noch vorteilhafter,
wenn die beiden Statoren winkelmäßig so zueinander stehen, daß die relative Versetzung
keine ganze Zahl von Nutteilungen beträgt, wie weiter unten noch erläutert werden
wird.
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F i g. 1 zeigt ferner, daß axial zwischen den Statoren 70, 70' eine
Rotorscheibe 110 angeordnet ist, die aus einem unmagnetischen Metall mit niedrigem
spezifischem elektrischem Widerstand und ausreiIchender mechanischer Festigkeit
besteht. Die Scheibe 110 kann beispielsweise aus hartgezogenem Kupfer, einer Chrom-Kupfer-Legierung,
Aluminium, Messing oder Titan bestehen. Ein Nabenteil 111 des Rotors sitzt auf einem
etwas verjüngten freien Ende der Welle 63. Die Nabe 111 ist in axialer Richtung
etwas breiter als der Zwischenraum 71 zwischen den Statoren 72, 72' (vgl. F i g.
4).
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Die beiden Statorkerne 72,72' sind getrennte Teile eines einzigen
Magnetkreises, da die beiden Felder räumlich entgegengesetzte Phasenlage haben.
Der vom oberen Teil der Stirnfläche 75 des Kerns 72 in den Zwischenraum 71 zwischen
den Stato:ren austretende Fluß verläuft beispielsweise folgendermaßen: vom oberen
Teil der Stirnfläche 75 nach rechts durch den Rotor-Stator-Luftspalt 131, den Rotorsteg
130 und den Rotor-Stator-Luftspalt 131' in den oberen Teil des ringförmigen Statorkernes
72', in diesem Kern an beiden Seiten der Mittelöffnung vorbei zu seinem unteren
Teil, von dort nach links durch den Rotor-Stator-Luftspalt 131', den Rotorsteg 130
und den Rotor-Stator-Luftspalt 131 in den unteren Teil des Kerns 72 und von dort
im Kern bei:dseits der Mittelöffnung zurück zum Ausgangspunkt im oberen Teil des
Kernes. Der Fluß durchsetzt also beide Statorkerne und beide Rotor-Stator-Kerne
131,131'.
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Wie F i g. 4 zeigt, sind die Stirnflächen 75, 75' der Statorkerne
durch die Nuten und die dazwischenliegenden Zähne aufgeteilt, und in; den durch
die Kerne erzeugten Feldern werden daher durch die Nut-Diskontinuitäten Oberwellen
induziert. Solche Oberwellen sind unerwünscht, da sie zu beträchtlichen Leistungsverlusten
im Rotor führen können. Es hat sich jedoch gezeigt, daß solche Oberwellen beträchtlich
verringert werden können, wenn man die beiden Statoren von der in Fig.3 dargestellten
Winkellage, in der gleich bezifferte Nuten in den beiden Statoren einander direkt
gegenüberliegen, in die in F i g. 4 dargestellte Lage verdreht, in der sich die
Nuten winkelmäßig nicht mehr decken und .die von den Statoren erzeugten Felder dementsprechend
verschoben sind.
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In F i: g. 4 beträgt die Winkelversetzung zwischen den beiden Statoren
einen halben Nutenabstand, d. h. also, daß Nut Nr.1 im Stator 70' winkelmäßig bezüglich
Nut Nr.1 im Stator 70 um den halben Winkelabstand zwischen den Mitten zweier
benachbarter Nuten versetzt ist. Wie F i g. 5 zeigt, wird der durch Oberwellen verursachte
Leistungsverlust durch eine Winkelversetzung von einem ;halben Nutenabstand um etwa
30% verringert. Man kann für diese Abnahme der Oberwellenverluste .geometrische
Gründe angeben, da die beiden Nutanordnungen der Statoren bei einer Verdrehung um
die Hälfte .des Winkelabstandes zweier Nuten den größtmöglichen Winkelabstand besitzen.
Dies ist jedoch nicht d!ie einzige mögliche Erklärung, da auch noch eine beträchtliche
Verringerung der Oberwellenverluste eintritt, wenn die beiden Statoren um einen
ganzen Winkelabstand zweier Nuten gegeneinander verdreht sind und die Nuten sich
,dann wieder decken, d. h. also wenn Nut Nr. 1 des Stators 70' direkt gegenüber
einer anderen Nut, z. B. der Nut Nr. 2 des Stators 70 liegt (F i. g. 5).
Die Herabsetzung der Oberwellenverluste beruht also mindestens zum Teil, wenn nicht
ganz auf einer Abweichung von einer genau gegenphasigen Lage der von den beiden
Statoren erzeugten Magnetfelder. F i g. 5 zeigt, daß sich die Oberwellenverluste
in einem beträchtlichen Verdrehungsbereich herabsetzen lassen, dieser Bereich ist
jedoch kleiner als der von einer Spulenseitengruppe eingenommene Winkelbereich,
da bei einer diesen Winkelbereich überschreitenden Verdrehung überhaupt keine überlappung
komplementärer Spulengruppen eintreten würde, also beispielsweise der Spulenseitengruppe
uni im Stator 70' und ihrer komplementären Spulenseitengruppe ag im Stator 70.
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Die Oberwellenverluste im Rotor lassen sich durch die in F i g. 6
dargestellte Rotorform weiter verringern. Der Stegteil 130 des Rotors 110 wird von
einer Anzahl schmaler Schlitze 150 durchsetzt, deren radial innere Enden in Umfangsrichtung
des ganzen Stegteils :gleiche Winkelabstände voneinander besitzen. Wie dargestellt,
verlaufen die Schlitze schräg, also vom inneren Ende in einem Winkel zu dem
durch
das Innenende gehenden Radius des Rotors nach außen. Der Neigungswinkel ist bei
allen Schlitzen gleich. Bei manchen Anwendungsgebieten erübrigt sich eine Schrägstellung
der Schlitze, die dann genau radial verlaufen können. Die Schlitze können offen
bleiben, urigefüllte Schlitze verringern jedoch etwas die Ringspannungsfestigkeit
des Stegteils. Die Schlitze 150 werden daher vorzugsweise mit Einsätzen 151
gefüllt oder ausgegossen.
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Wie bereits erwähnt wurde, verringert eine Verdrehung der beiden Statoren
gegeneinander beträchtlich die Rotorverluste, welche durch Intensitätsschwankühgen
des Hauptfeldes infolge der Statornuten verursacht werden. Diese Felder enthalten
jedoch noch Oberwellen der magnetomotorischen Kraft, deren Amplitude, bezogen auf
die Grundwelle, im allgemeinen mit der Ordnungszahl abnimmt. Bezüglich solcher Oberwellen
wirkt der Rotor als elektromagnetische Abschirmung, -und die Statoren, verursachen
unabhängig voneinander Verluste in-den jeweils gegenüberliegenden Oberflächenschichten
des Rotors. Die Oberwellen der magnetomotorischen Kraft können dadurch verringert
werden, daß- man die Gesamtwicklung der einzelnen Statoren .in zwei mehrphasige,
verteilte Wicklungen mit Bruchteil-Steigung aufteilt, .die beide von .denselben
Phasen gespeist werden und einander über den gesamten Winkelbereich von 360° überlappen;
- die beiden Teilwicklungen auf einem Stator werden gegeneinander winkelmäßig entsprechend
einem Bruchteil einer Spulenbreite versetzt. Bei so gewickeltem Stator wird die
Stärke jeder einzelnen Oberwelle der magnetomotorischen Kraft bezüglich der Grundwelle
vom ursprünglichen Wert um einen Faktor verringert; der kleiner als eins und gleich
dem Produkt des Schrittfaktors des Spulenschrittes der einzelnen Wicklung und des
Schrittfaktors entsprechend der Winkelversetzung der beiden Wicklungen ist. Durch
geeignete Wahl des Spulenabstandes oder -Schrittes und eine geeignete Winkelversetzung
zwischen den beiden Wicklungen können die zugehörigen Schrittfaktoren so bemessen
werden, daß die auf die Grundwelle bezogene Stärke von Oberwellen niedrigerer Ordnung
(beispielsweise der fünften, siebten, elften, dreizehnten), die die hauptsächliche
Verlustursache bilden; weitgehend herabgesetzt werden können.