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Die Erfindung bezieht sich auf einen netzfrequenzgespeisten Asynchronmotor
hoher Drehzahl mit einem durch Sättigung. von Polzähnen des Ständers mit Sättigungsspulen
erzielten Drehfeld, dessen Synchrondrehzahl gleich einem Vielfachen der der Netzfrequenz
entsprechenden Drehzahl ist.
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Die Motoren kleiner Leistung, die am meisten für Antriebe hoher Drehzahlen
(über 3000 U/min) angewandt werden, und zwar für verschiedene gebräuchliche Anwendungen
wie Staubsauger, Mixer usw:, sind einphasige Reihenschlußmotoren mit Kollektor.
Das Vorhandensein eines Kollektors, der wegen der hohen Drehzahl sehr -große mechanische
Beanspruchungen aushalten muß,-bildet den wichtigsten Nachteil dieser Motoren,,
einerseits wegen der Betriebsstörungen, die durch das orhandensein des Kollektors
auftreten (Abnützung- der Bürsten usw.), des Lärms: und der Rundfunkstörungen; und
andererseits wegen der technologischen -Schwierigkeiten, die bei der Herstellung
der Läufer mit Kollektor auftreten und den damit verbundenen erhöhten Kosten dieser
Läufer im Verhältnis zu denen der Induktionsmotoren (Asynchrönmotoren). Da die angeführten
Geräte für allgemeinen Gebrauch immer vom Netz mit 50 bis 60 Hz gespeist werden,
können sie bei Drehzahlen über 3000 U/min nicht mit Induktionsmotoren angetrieben
werden, die wegen ihrer einfachen und widerstandsfähigen-Läufer für Antriebe mit
hohen Drehzahlen sehr geeignet wären.
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Andererseits sind statische Frequenzvervielfacher ; für einen Vervielfachungsfaktor
von m = 3; 5, 7 bekannt, die aus m Einphasentransformatoren mit stark gesättigtem
Kern -bestehen und deren Primärwicklungen mit um den Winkel.27c/m zueinander verdrehten
Spannungen gespeist werden und deren Sekun- 2 därwicklungen in Reihe geschaltet
sind, so daß die m-te Überwelle der induzierten Spannung aus allen addiert wird
(vergleiche z. B. die USA.-Patentschriften 2 470 975, 2 517 396 und die deutsche
Patentschrift 916 781 usw.).
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Für einige industrielle Anwendungen., wo hohe Drehzahlen nötig sind;
werden von statischen Frequenzvervielfachern gespeiste Induktionsmotoren verwendet.
Dieses System hat Nachteile, da einerseits zwei Bauelemente in Reihe geschaltet
sind (der Motor und der Frequenzvervielfacher) und andererseits die hohe induktive
Reaktanz des Sekundärkreises des Vervielfachers eine kapazitive Kompensierung benötigt;
wodurch die Anlage verteuert wird.
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Nach der deutschen Patentschrift 657 060 ist ein netzfrequenzgespeister
Asynchronmotor bekannt, bei dem durch Sättigung der Pole eine Drehzahl erhalten
wird, welche ein Vielfaches der höchsten; der Netzfrequenz entsprechenden Synchrondrehzahl
ist. Die Sättigung der Pole wird dabei stets durch jeweils nur einen Ständerzähn
umfassende Sättigungsspulen bewirkt. Da bei Netzanschluß der Maschine dabei die
zwischen den Flüssen zweier Polpaare zur Erzeugung eines Drehfeldes erforderliche
Phasenverscbiebung von 30°, bezogen auf die Grundwelle, mittels zusätzlicher Sättigungsspulen
erzeugt werden muß, deren Flüsse sich geometrisch addieren, bedingt diese Ausführungsform
einen großen Kupferaufwand: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen großen
Kupferaufwand zu verringern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß Pole des Motors mit Sättigungsspulen versehen sind, die mehrere Polzähne umfassen.
Durch die Verteilung einzelner Sättigungsspulenflüsse auf mehrere Ständerzähne wird
eine beachtliche Ersparnis an Kupferaufwand bei den Spulenseiten erzielt im Vergleich
zu der bekannten Ausführungsform, bei welcher der erforderliche Fluß in jedem Zahn
von einer nur diesem Zahn zugeordnete Spule aufzubringen ist: Demgegenüber tritt
der geringe Mehraufwand bei den beim Erfindungsgegenstand etwas vergrößerten Wickelkopflängen
der Spulen zurück, insbesondere nachdem es sich hier um Motoren hoher Drehzahl handelt,
bei denen bekanntlich der Durchmesser verhältnismäßig klein gegenüber der Motorlänge
ist.
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Nacheiner weiteren Ausbildung der Erfindung wird dies in Maschinen
mit Sättigungsspulen auf Schenkelpolen mit vier oder drei Zähnen für eine Drehzahl
von 3 - 3000 U/min beim Betrieb der Maschine mit 50 Hz erreicht und für Maschinen
ohne Schenkelpole (verteilte Polwicklung) mit einer Zahnzahl m = 3 oder 5 oder 7
je Pol und Drehfeldern einer Drehzahl von 3000 - m, also 9000 U/min, oder 15 000
U/min, oder 21000 U/min beim Anschluß an ein 50-Hz-Netz erreicht.
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Bei Maschinen mit Sättigungsspulen und Schenkelpolen mit vier Zähnen
wird die Sättigung des Ständereisens zum Erzielen eines Drehfeldes für 3 - 3000
U/min (3 - 3600 U/min für 60 Hz) durch Überlagerung der Magnetflüsse von den Sättigungsspulen
für zwei Nachbarpole und von den Sättigungsspulen der Polzähne in diesen Polzähnen
erreicht: Die Sättigungsspulen sind untereinander so geschaltet, daß ihre Durchflutungen
(Amperwindungszahl) sich in benachbarten Zähnen addieren, und zwar in den Zähnepaaren
der beiden Außenseiten der Pole; die Sättigungsspulen sind so an die Spannungsquellen
angeschlossen, daß die Grundwelle der Durchflutung bei den Zähnepaaren eines Endes
senkrecht zu derjenigen des Zähnepaares vom anderen Ende jeden Pols ist. Die Grundwelle
der Gesamtdurchflutung je Zahn in bezug auf die Durchflutung der Sättigungsspulen,
die mit 0°/180° angenommen wird, ist für ein gegenüberliegendes Polpaar 0° (bzw.
180° für den Paarzahn) und 90° (bzw. 270°), während für das andere gegenüberliegende
Polpaar die Werte +45° (bzw. 225') und -45' (bzw. 135') betragen. Die Sättigungsspulen
sind untereinander so verbunden, daß ihr magnetischer FluB im Luftspalt den Wert
Null hat.: Unter diesen Bedingungen entsteht in den Zähnen eine kräftige Oberwelle
dritter Ordnung des Flusses, und zwar in gleicher Richtung für alle vier Zähne der
Pole. Diese Oberwelle erzeugt den Nutzfluß der Maschine, der zwischen den entgegengesetzten
Polen fließt: und zu den entgegengesetzten Polen verschoben ist, wobei die Sättigungsspulen
so gespeist werden; daß die Grundwelle der Gesämtdurchflutung +45° (225°) und -45°
(135°) ist, mit 90° der Oberwelle, in bezug auf die entgegengesetzten Pole, für
die die Durchflutungen 0° (180°) und 90° (270°) sind, aus denen das Drehfeld der
Maschine mit einer Drehzahl von 3 - 3000 U/min entsteht.
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Bei Maschinen ohne Sättigungsspulen für die Erzeugung eines Drehfeldes
mit der Drehzahl 3000 - m U/min im Luftspalt (also 9000 U/min oder 21000 U/min usw.)
beim Anschluß an das 50-Hz-Netz oder 3600 # m U/min beim Anschluß der Maschine an
ein 60-Hz-Netz wird jeder Ständerpol mit m = 3, 5,7... gesättigten Zähnen ausgeführt,
durch die um 2n/m verschobene Flüsse fließen, deren Grundwellen sich
in
den Ständerjochen vollständig schließen, und zwar durch das äußere, allen Polen
gemeinsame Joch, das das Ständerjoch des Motors ist und durch das Joch neben dem
Luftspalt, das für jeden Pol getrennt ist, durch das auch die Oberwelle m-ter Ordnung
des Magnetflusses (für alle Zähne des gleichen Pols gleichphasig) zum Luftspalt
fließt. Die Maschine besitzt vier Pole mit gemeinsamen Sättigungsspulen für alle
Zähne eines Pols mit gemeinsamen Sättigungsspulen für die Zähne benachbarter Pole
und Sättigungsspulen für einen einzigen Zahn, wobei alle Sättigungsspulen mit Drehstrom
oder Zweiphasenstrom (Wechselstrom mit Kondensator) gespeist werden und ihre Windungszahl
so ausgewählt ist, daß die Gesamtdurchflutung in den Zähnen aller Pole einen gesättigten
Fluß gleicher Größe erzeugt und seine Grundwelle folgende Richtungen hat: Pol 1:
0, 2nlm; 2 - 2z/m; ...
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Pol 2: -Enlm; 21c/m; 2nlm + nl2m; 2 - 2n/m ± 7c/2m Pol 3: z;
27rlm + n; 2 # 2 aslm -f- n; ...
Pol 4: zL n/2 m + -r; 27tlm
+ z/2 m -f- z; 2 # 2 n/m + z/2m + n; ...
wobei m = 3,
5, 7... ist. Die Reihenfolge der Phasen für die Polzähne kann in bezug auf
die angegebene geändert werden, so daß eine maximale Kupferersparnis durch Umschließen
mehrerer Zähne mit der gleichen Sättigungsspule erreicht wird.
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Unter diesen Bedingungen gehen durch den Läufer zwei Wechselstromflüsse
einer Frequenz von m - 50Hz, die um 90° gegeneinander verschoben sind, also ein
Drehfeld bilden, und sich durch die entgegengesetzten mit 1-3 und 2-4 bezeichneten
Pole schließen. Die gesättigten Zähne der Pole 2-4 werden von Flüssen der Grundwelle,
die um +n/2m in bezug auf die Zähne der Pole 1-3 verschoben sind, durchflossen,
also mit einer Verschiebung von #-ir/2 für die m-te Oberwelle.
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Die Drehzahl des Drehfeldes von 3 - 3000 U/min (ausschließlich) kann
auch für Maschinen mit Sättigungsspulen und Polen mit drei Zähnen erreicht werden,
die Sättigungsspulen nur für ein Zahnpaar haben, wobei der dritte Zahn keine Sättigungsspule
hat, da er vom Fluß der Sättigungsspule selbst gesättigt wird (gemeinsam für zwei
benachbarte Pole). In diesem Fall sind die Sättigungsspulen so an das Drehstromnetz
angeschlossen, das die Phasenverschiebung der Gesamtdurchflutung in den Zähnen für
ein gegenüberliegendes Polpaar um -f-90° in bezug auf die Durchflutung der Sättigungsspule
verschoben ist und um + 45° für das andere Polpaar, das zum ersten Polpaar senkrecht
steht. Auch bei diesem Motortyp sind die Sättigungsspulen so angeschlossen, daß
die Grundwellen ihrer Flüsse (von 50 Hz) nicht durch den Luftspalt treten.
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Bei den Motoren mit Sättigungsspulen auf Polen mit drei Zähnen und
einer .Drehzahl von 3 # 3000 U/ min kann das Feld aus dem Luftspalt auch dann erhalten
werden, wenn die Sättigungsspulen für zwei gegenüberliegende Pole gemeinsam sind,
die mit um 90° versetzte Spannungen gespeist werden. Wenn in diesem Falle das erste
gegenüberliegende Polpaar mit einer Spannung, deren Phase Nullage hat, gespeist
wird, werden ihre Sättigungsspulen an eine um 90° verschobene Spannung angeschlossen
und das andere gegenüberliegende Polpaar an eine um 90° verschobene Spannung und
ihre Sättigungsspule an 0° Spannung angeschlossen.
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Bei allen Motoren mit Sättigungsspulen auf Polen mit vier oder drei
Zähnen und einer ausschließlichen Drehzahl von 3 - 3000 U/min des Drehfeldes ist
es notwendig, den Restfluß der 50-Hz-Frequenz aus dem Luftspalt zu kompensieren,
der (mit Ausnahme des Motors mit um 90° versetzte Spannungen gespeisten Durchmesserspulen)
sehr kleinen Wert hat. In allen Fällen wird die Kompensierung durch Kompensationsspulen,
die auf allen vier Polen in unmittelbarer Nähe des Luftspaltes montiert sind, erhalten,
wobei ihre Speisespannung entsprechend verschoben ist, um den Restfluß aufzuheben.
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Bei allen diesen Motorarten wird zum Erniedrigen der Dämpfung für
den Nutzfluß der Oberwelle beim Durchgang durch das äußere Joch jenes letztere im
Bereich der Pole verdickt, so daß dieser Teil möglichst wenig gesättigt wird.
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Nachstehend werden vier Beispiele zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen
Motoren an Hand der F i g. 1, 2, 3, 4, 5, 6 ... beschrieben. Es zeigt F i
g. 1 einen Querschnitt durch einen Pol eines Motors für (ausschließlich) 3 - 3000
U/min bei 50 Hz mit Sättigungsspulen auf Polen mit vier Zähnen, F i g. 2 einen Schaltplan
des Motors aus F i g. 1, F i g. 3 eine schematische Darstellung eines Motors ohne
Sättigungsspulen und einer Drehzahl von 3000 - m U/min bei 50 Hz mit
m = 3,
F i g. 4 ein Vektordiagramm der Spannungen des Motors aus F i g. 3,
F i g. 5 eine vereinfachte Darstellung eines Motors ohne Sättigungsspulen und einer
Drehzahl von 3000 m U/min bei 50 Hz und m = 5,
F i g. 6 ein Vektordiagramm
der Spannungen des Motors aus F i g. 5, F i g. 7 einen Querschnitt durch einen Pol
der Maschine aus F i g. 3 (für m = 3) und verdickter Schwelle im Bereich des Pols,
F i g. 8 einen Querschnitt durch einen Pol eines Motors für (ausschließlich) 3 -
3000 U/min bei 50 Hz und Polen mit drei Zähnen und Sättigungsspulen kleiner als
der Durchmesser, F i g. 9 einen Schaltplan des Motors aus F i g. 8, F i g. 10 eine
vereinfachte Darstellung des Motors für (ausschließlich) 3 # 3000 U/min bei 50 Hz
mit aus drei Zähnen gebildeten Polen mit Sättigungsspulen, die einen Durchmesser
umfassen.
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In der F i g. 1 sieht man die Sättigungsspule 1, die für zwei benachbarte
Pole gemeinsam ist und die Sättigungsspulen 2; 3, 4 und 5 auf den Zähnen 6, 7, 8
und 9 des Pols. Das magnetische Feld der Sättigungsspule schließt sich durch die
Zähne auf dem mit gestrichelter Linie angegebenen Weg. Auf dieses Feld überlagert
sich in den Zähnen das Feld der Sättigungsspulen, das sich durch die Zahnpaare aus
dem rechten Ende und denen aus dem linken Ende schließt und durch die Strichpunktlinie
dargestellt ist. Unter diesen Bedingungen wird die dritte Oberwelle der Flüsse aus
den Zähnen, da sie gleichphasig sind, auch im Luftspalt auftreten. Der Rest der
Grundwelle wird mit Hilfe der Spule 10 kompensiert und wird mit einer entsprechenden
Phasenverschiebung an das 50-Hz-Netz angeschlossen. An Stelle der Spule 10 kann
man gegebenenfalls zwei Kompensationsspulen verwenden, die an die phasenverschobene
Spannung angeschlossen werden und sich so zusammensetzen, daß ihr Gesamtfeld das
50-Hz-Restfeld aufhebt.
In der F i g. 2 sieht man die Sättigungsspulen
11 und 12 und die übrigen Sättigungsspulen; neben den Sättigungsspulen sind die
Phasen der Durchflutung aus den Zähnen angegeben und in der Klammer die Phasenlage
des geschlossenen Flusses.
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In F i g. 3 sieht man für den Motor für m = 3 ohne Sättigungsspulen
den Anschluß der Sättigungsspulen. Auf den Polen 13; 14, 15 und 16 befinden sich
die Sättigungsspulen, und zwar die für die Zähne von zwei Polen gemeinsamen Spulen,
wie z. B. 17, Spulen für mehrere Zähne des gleichen Pols, wie z. B. 18, auf einen
Pol beschränkte Spulen, wie z.. B. 19. Alle haben eine entsprechend gewählte Windungszahl
und so ausgewählte Phasenlage, daß die Gesamtflüsse aus den Zähnen um 2z/3 -verschoben
sind, laut Diagramm aus F i g. 4, wo x, y, z bzw. -x, -y, -z die Vektoren für ein
Polpaar sind und x', y'; z' bzw. -x', -y', -z' für das andere Paar.
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In F i g: 5 ist ein ähnliches Beispiel für m = 5 wiedergegeben; das
Vektordiagramm für diesen Fall ist in F i g. 6 wiedergegeben.
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In F i g. 7 sieht man die Verdickung des Ständer-Joches 20 im Bereich
des Pols 21. Gleichzeitig sieht man auch, daß die Pole mit dem Joch in den geschliffenen
Bereichen 22; 23; 24 befestigt sind, wobei das Schleifen nach dem Zusammenstellen
des Blechpaketes sowohl für die Pole 21 als auch für das Joch 20
ausgeführt
wird. Auf diese Weise wird die Durchflutung, die zur Erzeugung eines Feldes hoher
Induktion in den technologischen Luftspalten (18 000 bis 22 000 Gauß) notwendig
ist, stark herabgesetzt. Die Pole werden am äußeren ringförmigen Joch mit vier magnetischen
(nicht dargestellten) Keilen befestigt, die zwischen die Pole im Abschnitt 25 eingetrieben
werden.
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In F i g. 8 sieht man einen Pol 28 mit drei Zähnen, die Sättigungsspule
27, die nicht den Durchmesser überspannt, die Sättigungsspulen 28 und 28', die Kompensationsspule
29 und die Befestigungskeile 30 und 30'.
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Der elektrische Schaltplan für diesen Motor ist in F i g. 9 dargestellt.
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In F i g. 10 sieht man die über einen Durchmesser gewickelten Sättigungsspulen
31 und 32, die Sättigungsspulen 33, 34, 35 und 36 und die Kompensationsspulen
37, 38, 39 und 40. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Maschine sind: Die Maschine
besitzt keinen Stromwender (Kommutator) und keine Bürsten, also hat sie eine große
Betriebssicherheit. Der Läufer der Maschine wird aus Aluminium gegossen, ist also
einfach herzustellen und benötigt keine teuren Werkstoffe (Glimmer; Kupfer usw:).
Die Maschine hat keine Verschleißteile (Bürsten usw:).
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Die Maschine läuft lärmarm und erzeugt keine Rundfunkstörungen, benötigt
also keine Funkentstörung.
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Der Ständer der Maschine ist einfach herzustellen; die auf Schablonen
gefertigten Spulen werden von außen auf die Pole aufgebracht.