DE143069C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT,

Es ist bekannt, daß die asynchronen Wechselstrommotoren für ein- oder mehrphasigen Wechselstrom zu ihrer Felderregung dem Stromkreis, an den sie angeschlossen sind, immer einen gewissen wattlosen Magnetisierungsstrom entnehmen und hierdurch eine Phasenverschiebung des Stromes gegen die Spannung, einen Mehrverbrauch an Strom und Spannungsabfall im Netze hervorrufen, was die unangenehmste Eigenschaft dieser Motoren ist.

Gegenstand der Neuerung, die hier beschrieben werden soll, ist das interessante und erwünschte Resultat, diese Phasenverschiebung, die wattlosen Magnetisierungs- und Leerströme und alle die bekannten Folgen des Luftzwischenraumes zwischen Stator und Rotor dieser Motoren zu kompensieren.

Erreicht ist dies hier dadurch, daß das Drehfeld nicht vom Primäranker aus erzeugt wird, sondern im Sekundäranker unmittelbar, und zwar mit Hülfe einer höchst einfachen Anordnung, die an jeder Motortype ohne große Schwierigkeiten angebracht werden kann.

Eine Bestrebung, die Phasenverschiebung zu kompensieren, ist schon von Leblanc ausgegangen. Er benutzt hierzu einen Hülfsmotor, welchen er in den Stromkreis des Kurzschlußankers schaltet. Durch das Hinzukommen eines derartigen Hülfsmotors wird jedoch seine Anordnung sehr verwickelt.

Im Prinzip stellt sich der Gegenstand der vorliegenden Erfindung in der folgenden Form dar:

Die Figur in der beiliegenden Zeichnung sei ein dreiphasiger Induktionsmotor mit einfachem Kurzschlußanker, einem sogen. Käfiganker. A sei der Stator oder Primäranker des Motors, B der Rotor oder Sekundä'rkurzschlußanker mit in Löchern oder Nuten auf dem Umfange verteilten Kupferstäben, die an jeder der beiden Stirnflächen des Ankers durch einen Schlußring K unter sich geschlossen sind. Ein dreiphasiger Wechselstrom erzeugt dann in bekannter Weise in dem Stator A ein Drehfeld, welches beide Anker, den Stator A und Rotor B, gleichmäßig durchsetzt und zwischen den Statorwindungen und der geschlossenen Ankerwickelung des Rotors ein Drehmoment ausübt.

Das Feld wird vom Stator aus erzeugt (im Gegensatz zum Synchronmotor, den man hier z. B. erhielte, wenn der Kurzschlußanker durch ein Polrad ersetzt würde). Die Erregerströme des Stators, die das Feld erzeugen, sind Wechselströme der vollen Periodenzahl und entsprechen deshalb nicht, wie bei Gleichstrom oder auch bei Wechselstrom niederer Periodenzahl, der erforderlichen Felderregung, sondern sind bedeutend größer. Bekanntlich tritt in Stromkreisen höherer Wechselzahl eine bedeutende sogen. Gegen-EMK. auf, und der Magnetisierungsstrom wird erzeugt durch das kleine Restglied, welches die Differenz bildet zwischen der Klemmenspannung und dieser Gegen-EMK. Diese Ströme erhalten dadurch die bekannte große Phasenverschiebung gegen die Spannung. Die im Kupfer wirklich in Wärme umgesetzte Arbeit dieser Ströme hingegen ist sehr klein. Sie liegt in der Regel noch weit unterhalb ι Prozent ihres scheinbaren Wertes.

Alles dieses wird vermieden, wenn wir das Drehfeld nicht im Stator, sondern im Kurzschlußanker unmittelbar erzeugen. Im Kurzschlußsekundä'ranker, dem Rotor B, existiert während des Laufes die Gegen-EMK. nicht oder doch nur in ganz untergeordnetem Maße. Die Wechselzahl des Feldes ist hier nur sehr klein und unmittelbar gegeben durch die Schlüpfung des Motors. Der Anker rotiert bekanntlich mit dem Drehfelde. Seine Geschwindigkeit unterscheidet sich von der des Drehfeldes nur um einen kleinen Betrag, die Schlüpfung, welche gerade genügt, die zur Drehung nötigen Ströme im Anker zu induzieren. Im Gegensatz zu der hohen EMK. des Stators ist deshalb die EMK. des Rotors sehr klein und deckt gerade die im Kupfer in Wärme umgesetzten Ohm'sehen Verluste der induzierten Kurzschlußströme. Schicken wir nun die zur Erzeugung des gemeinsamen Drehfeldes nötigen Magnetisierungsströme, anstatt durch den Primäranker, durch den Sekundäranker, so umgehen wir die unangenehme Gegen-EMK., die sich ihnen im Stator entgegenstellte. Die ganze für die Magnetisierungsströme erforderliche Spannung fällt auf den kleinen Betrag, der zur Deckung der Ohraschen Verluste im Kupfer erforderlich ist. Die einzige Aufgabe ist nur die, die Ströme in die in sich geschlossene Wickelung des Rotors einzuführen, und zwar so, daß sie genau die gleiche Richtung und Phase erhalten, wie die Magnetisierungsströme des Stators, die sie kompensieren sollen.

Dies geschieht hier in einfachster Weise, wie die Figur schematisch darstellt, durch drei Bürsten b b b, welche auf dem Schlußring K des Ankers schleifen und deren Stellung zum Stator so geregelt wird, daß die zugeführten Ströme im Anker genau dieselbe Richtung erhalten, wie die Magnetisierungsströme des Stators hatten. Die Spannung dieser Ströme braucht nur sehr niedrig zu sein (auch wenn man ungefähr gleiche Windungszahl auf Stator und Rotor annimmt) und sie können einigen wenigen Windungen des Stators entnommen werden.

Es findet hierbei eine Ümrichtung des Stromes aus hoher Periodenzahl (Primäranker) in niedere Periodenzahl (Kurzschlußanker) statt, jedoch haben wir zu dieser Ümrichtung nicht einen Kommutator in gewöhnlichem Sinne nötig, sondern die Ümrichtung kann, wie in der Figur gezeichnet ist, durch einen geschlossenen Ring geschehen. Man wird zwar im allgemeinen keinen sogen. Käfiganker verwenden, weil die Ströme unter den Bürsten zu groß würden, dagegen kann man z. B. einen gewickelten Anker durch einen Ring schließen, dessen Widerstand zu dem der Wickelung in einem gewissen Verhältnisse steht. Auf den Wirkungsgrad ist dies ohne großen Einfluß. Einmal brauchen die Verluste in diesem Ringe nur gering zu sein, zweitens aber kann man die Verluste in der Wickelung verringern, indem man die Nuten tiefer macht und etwas mehr Kupfer auf den Anker legt. Die hierdurch bewirkte Vergrößerung der Streuung ist unbedenklich, da ja die Phasenverschiebung des Stromes durch die vorliegende Anordnung aufgehoben ist. Nötig ist dies übrigens nicht, wie untenstehendes Beispiel zeigen wird.

Ein Einwand, der nahe liegt, ist der, daß ein Teil des Erregerstromes in dem Nebenschluß, den der Ring zur Wickelung bildet, verloren gehen muß. Dies ist richtig, jedoch wird durch die beschriebene Anordnung der Erregerstrom an sich bereits so verkleinert, daß dieser Verlust keine Rolle spielt.

Angenommen, der Kupferverlust in einem derartigen Anker sei = 3 Prozent, 2 Prozent in der Wickelung und 1 Prozent in dem Ringe. Der Widerstand des Ringes sei also Y₀ des Widerstandes der Wickelung. Der Magnetisierungsstrom sei Y₃ des Vollstromes, der Magnetisierungsverlust also Y₀ des vollen Kupferverlustes, d. i. ²/9 Prozent in der Wickelung. Hierzu kommen dann noch */,, Prozent, die in dem Nebenschluß, den der Ring bildet, verloren gehen. Zusammen erhalten wir also ^e/₉ = ²/₃ Prozent Magnetisierungsverlust, also trotz des Nebenschlusses und Stromverlustes in dem Ringe immer noch so wenig, daß er keine Bedeutung gewinnt.

Ein gewisses Analogon findet man in der Gleichstromtechnik im Ersatz der Kupferbürsten durch die Kohlenbürsten. Auch dort werden durch den größeren Übergangswiderstand an den Bürsten die Verluste an einer Stelle künstlich vergrößert, in der Regel weit beträchtlicher als hier. Trotzdem nimmt man sie gerne in den Kauf und sie werden durch andere Vorteile bei weitem aufgewogen.

In der praktischen Ausführung ist es zweck¹-mäßig, anstatt eines einzigen Ringes aus Wider-Standsmaterial einen Kommutator anzuwenden, dessen Segmente durch elektrische Leiter von geringem' Widerstände unter sich verbunden sind. Grundsätzlich ändert dies natürlich nichts und auch hier wird durch den Nebenschluß no der Verbindungen ein Feuern an den Bürsten vermieden.

Schließlich kann man auch gleichzeitig eine Kurzschlußwickelung und eine zweite Erregerwicklung mit Kommutator anbringen. Die Selbstinduktion der Kommutatorwickelung wird dann durch die Kurzschluß Wickelung aufgehoben und auch hier würde so ein Feuern an den Bürsten vermieden sein.

Die Ausführungsform ist nicht zu verwechseln mit einer äußerlich ähnlichen Anordnung zur Vermeidung der Funkenbildung an Kommuta-

toren, wo ein Kommutator gleichzeitig in sich geschlossene Windungen trägt, zu dem Zwecke, die durch die Stromunterbrechungen erzeugten Extraströme in sich aufzunehmen und so die Funkenbildung am Kommutator zu vermeiden. Wenn auch rein äußerliche Merkmale übereinstimmen und die Anordnungen gewisse Wirkungen gemeinsam haben, so erfüllt doch die vorliegende Erfindung einen ganz anderen

ίο Zweck, welcher mit den früheren Anordnungen nicht erstrebt war.

Bei Motoren mit gewickeltem Schlußanker und Schleifringen zum Anlassen legt man den Erregerring zweckmäßig in den neutralen Punkt der drei Ankerphasen.

Der Vorgang im Betriebe ist dann also der folgende: Die augenblickliche Lage und synchrone Drehung des Feldes zum Erregeranker ist durch die Stellung der Bürsten festgelegt

(s. Figur) und unabhängig von der Geschwindigkeit des Ankers. Der durch die Bürsten zugeführte Strom erzeugt im Kurzschlußanker ein mit demselben umlaufendes Feld. Dreht sich der Anker bei Leerlauf synchron, so ist das Feld im Anker konstant und der Strom vollkommen umgerichtet, Gleichstrom. Wird der Anker belastet, so wird durch die Rückwirkung des Erregerankers das Feld im Kurzschlußanker langsam gedreht, es schlüpft und erzeugt hierbei in der geschlossenen Wickelung des Kurzschlußankers Arbeitsströme, welche es festzuhalten suchen. Die durch die Bürsten zugeführten Ströme erzeugen dann in jeder Stellung immer wieder das Feld und die durch die Schlüpfung induzierten Arbeitsströme suchen es mit einer gewissen Zähigkeit in der jedesmaligen Lage gegen die Drehung festzuhalten und übertragen die Arbeit bezw. das Drehmoment vom Erreger- auf den Kurzschlußanker. Dieselben Arbeits- oder Wattströme, wie im Schlußanker, natürlich entgegengesetzt gerichtet, fließen im Primäranker, dagegen keinerlei Magnetisierungsstrom.

Um die Phasenverschiebung genau aufzuheben, muß natürlich der Strom, der zu den Bürsten fließt, reguliert werden. Dies geschieht durch Regulierwiderstände, die man in die Stromzuführungen legt, oder durch Bürstenverstellung oder durch sonstige Reguliervorrichtungen. Man kann dann noch weiter gehen und schließlich durch Übererregung ähnlich wie bei Synchronmotoren eine Phasenvoreilung erzeugen.

Welche Vorteile beim Motor die Kompensierung der Phasenverschiebung bedeutet, braucht wohl kaum erwähnt zu werden. Die Phasenverschiebung ist die bekannte unangenehme Eigenschaft des sonst in jeder Hinsicht so vorzüglichen asynchronen Drehstrommotors.

Sie verbietet es in der Regel überhaupt, die Motoren unmittelbar an Niederspannungsbeleuchtungsnetze anzuschließen. In reinen Kraftübertragungsanlagen bewirkt sie, daß außerhalb des Vollbetriebes die wattlosen Ströme häufig größer werden als der eigentliche Arbeitsstrom selbst. Noch bei einem mittleren cos φ = o,7 sind die wattlosen Ströme, die gleich sin φ sind, ebensogroß wie der wirkliche Arbeitsstrom. Selbst beim vollbelasteten Motor, dessen cos φ = 0,9 sei, sind die wattlosen Ströme noch gleich der Hälfte des Arbeitsstromes. Dazu kommt noch, daß man selbst jene Resultate nur mit Hülfe des bekannten minimalen Luftzwischenraums erhält, den man bei diesen Motoren anwendet, während aus mechanischen Gründen und der Betriebssicherheit wegen größere Luftzwischenräume zwischen Stator und Rotor, wie z. B. beim Gleichstrommotor, vorzuziehen wären.

Die Neuerung kann auch für sogen. Kornmutatormotoren benutzt werden. Der Motor erhält dann außer den Bürsten, die den Hauptstrom zuführen, noch einen zweiten Bürstensatz zur Erregung des Feldes, der zur Kompensierung der Phasenverschiebung dient und zweckmäßig im Nebenschluß zum Motor liegt, wobei zur Regulierung der Erregung ein Regulierwiderstand eingeschaltet werden kann.

Bekannt ist schließlich die Eigenschaft der Asynchronmotoren, daß sie auch als Generatoren Strom liefern können, aber nur dann, wenn sie mit einem anderen auf Spannung erregten Synchrongenerator parallel geschaltet sind.

Der hier beschriebene Asynchronmotor kann in der gleichen Weise aber auch unabhängig von anderen Generatoren als Generator Strom liefern.

Als Generator ist er selbsterregend, wie eine Gleichstrommaschine, und jede Erregermaschine kommt in Fortfall. Die Wechselzahl ist hierbei nicht (wie bei der normalen Wechselstrommaschine) starr an die Tourenzahl gebunden, sondern bleibt je nach der Belastung etwas hinter der Geschwindigkeit des Rotors zurück. Seine Tourenzahl und Wechselzahl sind im Gegensatz zur normalen Wechselstrommaschine asynchron und er kann mit anderen Generatoren parallel geschaltet werden, ohne vorher genau auf Synchronismus gebracht zu sein. Parallelschaltung und Parallelbetrieb derartiger Generatoren gestalten sich genau so einfach wie bei Gleichstrommaschinen, und alle die verschiedenen Schwierigkeiten, die im Parallelbetrieb von Wechselstrommaschinen, infolge des Ungleichförmigkeitsgrades der Antriebmaschine oder beim Antrieb durch Explosionsund Gasmotoren vorkommen, fallen hier fort. Es können deshalb auch besonders große, langsam laufende Maschinen mit direkter Dampfmaschinenkupplung, deren Ungleichförmigkeitsgrad bekanntlich große Schwierigkeiten im

Parallelbetriebe bietet und schwere Schwungmassen vorschreibt, nach vorliegender Erfindung gebaut werden.

Es ist vorauszusehen , daß die Versuche noch weitere Resultate zu Tage fördern werden. Wahrscheinlich werden derartige Generatoren durch eine ähnliche Anordnung auch leicht kompoundierbar gemacht werden können auf konstante Spannung, bei veränderlicher Belastung, wie eine Gleichstromkompoundmaschine und schließlich gegen Phasenverschiebungen im Netze.

Eine äußerlich ähnliche Ausführungsform ist in der Patentschrift 61951 beschrieben, jedoch ist der Motor nicht von der Type der Induktionsmotoren, sondern ein Konduktionsmotor von der Gattung der Kollektionsmotoren, die bekanntlich ähnlich wie Gleichstrommotoren in jeder Drehrichtung und mit ganz variabler Geschwindigkeit arbeiten können, jedoch wegen anderer übler Eigenschaften (Feuern an den Bürsten, Pulsationen des Feldes usw.) keine nennenswerte praktische Verwendung gefunden haben.

Claims (4)

1. Patent-Ansprüche:

   ι . AsynchronerWechselstrommotorbezw. Erzeuger mit in sich geschlossener Läuferwickelung (Kurzschlußwickelung) und Stromwendevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß auf letzterer eine Anzahl Bürsten schleifen, denen Ein- oder Mehrphasenstrom von der Wechselzahl des Betriebsstromes zugeführt wird, zu dem Zwecke, die Phasenverschiebung zwischen Stromstärke und Spannung im Ständer zu regeln oder aufzuheben bezw. ein Feld im Läufer zu erregen.
2. 2. Ausführung der Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten nur an eine beschränkte Anzahl Windungen der Ständerwickelung angeschlossen sind, zu dem Zwecke, die Spannung des den Läufer erregenden Stromes zu vermindern.
3. 3. Ausführung der Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in die Bürstenstromkreise Regulierungswiderstände, Transformatoren oder dergl. Vorrichtungen geschaltet sind, zum Zwecke, die Bürstenspannung zu regeln.
4. 4. Ausführung der Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferwickelung mit dem einen Ende der einzelnen Phasen zu Schleifringen, mit dem anderen Ende zu einem Stromwender geführt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.