DE1563288C - Netzfrequenzgespeister Asynchronmotor hoher Drehzahl - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen netzfrequenz- Durch die Verteilung einzelner Sättigungsspulengespeisten Asynchronmotor hoher Drehzahl mit flüsse auf mehrere Ständerzähne wird eine beachtliche einem durch Sättigung von Polzähnen des Ständers Ersparnis an Kupferaufwand bei den Spulenseiten ermit Sättigungsspulen erzielten Drehfeld, dessen Syn- zielt im Vergleich zu der bekannten Ausführungsform, chrondrehzahl gleich einem Vielfachen der der Netz- 5 bei welcher der erforderliche Fluß in jedem Zahn von frequenz entsprechenden Drehzahl ist. einer nur diesem Zahn zugeordnete Spule aufzubringen Die Motoren kleiner Leistung, die am meisten für ist. Demgegenüber tritt der geringe Mehraufwand bei Antriebe hoher Drehzahlen (über 3000 U/min) ange- den beim Erfindungsgegenstand etwas vergrößerten wandt werden, und zwar für verschiedene gebrauch- . Wickelkopflängen der Spulen zurück, insbesondere liehe Anwendungen wie Staubsauger, Mixer usw., i'o nachdem es sich hier um Motoren hoher Drehzahl sind einphasige Reihenschlußmotoren mit Kollektor. handelt, bei denen bekanntlich der Durchmesser ver-Das Vorhandensein eines Kollektors, der wegen der haltnismäßig klein gegenüber der Motorlänge ist. hohen Drehzahl sehr große mechanische Beanspru- Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird chungen aushalten muß, bildet den wichtigsten Nach- dies in Maschinen mit Sättigungsspulen auf Schenkelteil dieser Motoren, einerseits wegen der Betriebs- 15 polen mit vier oder drei Zähnen für eine Drehzahl von Störungen, die durch das Vorhandensein des Kollek- 3 · 3000 U/min beim Betrieb der Maschine mit 50 Hz tors auftreten (Abnützung der Bürsten usw.), des erreicht und für Maschinen ohne Schenkelpole (verLärms und der Rundfunkstörungen, und andererseits teilte Polwicklung) mit einer Zahnzahl m = 3 oder 5 wegen der technologischen Schwierigkeiten, die bei oder 7 je Pol und Drehfeldern einer Drehzahl von der Herstellung der Läufer mit Kollektor auftreten 20 3000 · m, also 9000 U/min,, oder 15 000 U/mim oder und den damit verbundenen erhöhten Kosten dieser 21 000 U/min beim Anschluß an ein 50-Hz-Netz Läufer im Verhältnis zu denen der Induktionsmotoren erreicht. ..■'■·. (Asynchronmotoren). Da die angeführten Geräte für Bei Maschinen mit Sättigungsspulen und Schenkelallgemeinen ^Gebrauch immer vom Netz mit 50 bis polen mit vier Zähnen wird die Sättigung des Ständer-60 Hz gespeist werden, können sie bei Drehzahlen 25 eisens zum Erzielen eines Drehfeldes für 3 · 3000 U/min über 3000 U/min nicht mit Induktionsmotoren ange- (3 · 3600 U/min für 60 Hz) durch Überlagerung der trieben werden, die wegen ihrer einfachen und wider- Magnetflüsse von den Sättigungsspulen für zwei Nachstandsfähigen Läufer für Antriebe mit hohen Dreh- barpole und vpn den Sättigungsspülen der Polzähne zahlen sehr geeignet wären. in diesen Polzähnen erreicht. . ,

Andererseits sind statische Frequenzvervielfacher 30 Die Sättigungsspulen sind untereinander so ge-

für einen Vervielfachungsfaktor von m = 3, 5, 7 be- schaltet, daß ihre Durchflutungen (Amperwindungs-

kannt, die aus m Einphasentransformatoren mit stark zahl) sich in benachbarten Zähnen addieren, und zwar

gesättigtem Kern bestehen und deren Primärwick- in den Zähnepaaren der beiden Außenseiten der Pole;·

Jungen mit um den Winkel 2π/ιη zueinander ver- die Sättigungsspulen sind so an die Spannungsquellen

drehten Spannungen gespeist werden und deren Sekun- 35 angeschlossen, daß die Grundwelle der Durchflutung

därwicklungen in Reihe geschaltet sind, so daß die bei den Zähnepaaren eines Endes senkrecht zu der-

«j-te Überwelle der induzierten Spannung aus allen jenigen des Zärinepaares vom anderen Ende jeden

^! addiert wird (vergleiche z. B. die USA.-Patentschriften Pols ist. Die Grundwelle der Gesamtdurchflutung je

2 470 975, 2 517 396 und die deutsche Patentschrift Zahn in bezug auf die Durchflutung der Sättigungs-

916 781 usw.). . . 40 spulen, die mit 0°/180° angenommen wird, ist für ein

Für einige industrielle Anwendungen, wo. hohe gegenüberliegendes Polpäar 0°. (bzw. 180° für den

Drehzahlen nötig sind, werden von statischen Fre- Paarzahn) und 90° (bzw. 270°), während für das

quenzvervielfachern gespeiste Induktionsmotoren ver- andere gegenüberliegende Polpaar die Werte +45°

wendet. Dieses System hat Nachteile, da einerseits (bzw. 225°) und —45° (bzw. 135°) betragen. Die

zwei Bauelemente in Reihe geschaltet sind (der Motor 45 Sättigungsspulen sind untereinander so verbunden,

und der Frequenzvervielfacher) und andererseits die daß ihr magnetischer Fluß im Luftspalt den Wert Null

hohe induktive Reaktanz des Sekundärkreises des hat.

Vervielfachers eine kapazitive Kompensierung be- Unter diesen Bedingungen, entsteht in den Zähnen

nötigt, wodurch die Anlage verteuert wird. ",:■ ■.·.'■ eine kräftige Oberwelle dritter Ordnung des Flusses,

Nach der deutschen Patentschrift 657 060 ist ein 50 und zwar in gleicher Richtung für alle vier Zähne der

ne'tzfrequenzgespeister Asynchronmotor bekannt, bei Pole. ,Diese. Oberwelle- erzeugt den Nutzfluß der

dem durch Sättigung der Pole eine Drehzahl erhalten Maschine, der zwischen den entgegengesetzten Polen

wird, welche· ein Vielfaches der höchsten, der Netz- fließt und zu den entgegengesetzten Polen verschoben

frequenz entsprechenden Synchrondrehzahl ist. Die ist, wobei die Sättigungsspulen so gespeist werden, daß

Sättigung der Pole wird dabei stets durch jeweils hur 55 die Grundwelle der Gesamtdurchflutung +.45° (225°)

einen Ständerzahn umfassende Sättigungsspulen be- und —45° (135°) ist, mit 90° der Oberwelle, in bezug

wirkt. Da bei Netzanschluß der Maschine dabei die auf die entgegengesetzten, Pole, für die die Durch-

zwischen den Flüssen zweier Polpaare zur Erzeugung flutungen 0° (180°) und 90° (270°) sind, aus denen das

eines Drehfeldes erforderliche Phasenverschiebung Drehfeld der Maschine mit einer Drehzahl von

von 30°, bezogen auf die Grundwelle, mittels zusatz- 60 3 · 3000 U/min entsteht.

licher Sättigungsspulen erzeugt werden muß, deren Bei Maschinen ohne Sättigungsspulen für die Erzeu-

Flüsse sich geometrisch addieren, bedingt diese Aus- ... gung eines Drehfeldes mit der Drehzahl 3000 ·ιη U/min

führungsform einen großen Kupferaufwand. im Luftspalt (also 9000 U/min oder 21 000 U/min

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen, usw.) beim Anschluß an das 50-Hz-Netz oder

großen Kupferaufwand zu verringern. Diese Aufgabe 65 3600 -m U/min beim Anschluß der Maschine an ein

wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Pole des 60-Hz-Netz wird jeder Ständerpol mit m = 3,5,7...

Motors mit Sättigungsspulen versehen sind, die gesättigten Zähnen ausgeführt, durch die um. 2π\ηχ

mehrere Polzähne umfassen. verschobene Flüsse fließen, deren Grundwellen sich

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in den Ständerjochen vollständig schließen, und zwar Spannung und ihre Sättigungsspule an 0° Spannung

durch das äußere, allen Polen gemeinsame Joch, das angeschlossen.

das Ständerjoch des Motors ist und durch das Joch Bei allen Motoren mit Sättigungsspulen auf P_rolen

neben dem Luftspalt, das für jeden Pol getrennt ist, mit vier oder drei Zähnen und einer ausschließlichen

durch das auch die Oberwelle m-ter Ordnung des 5 Drehzahl von 3 · 3000 U/min des Drehfeldes ist¹, es

Magnetflusses (für alle Zähne des gleichen.Pols gleich- notwendig, den Restfluß der 50-Hz-Frequcnz aus dem

phasig) zum Luftspalt fließt. Die Maschine besitzt vier Luftspalt zu kompensieren, der (mit Ausnahme des

Pole mit gemeinsamen Sättigungsspulenfür alle Zähne Motors mit Um 90° versetzte Spannungen gespeisten

eines Pols mit gemeinsamen Sättigungsspulen für die Durchmesserspulen) sehr kleinen Wert hat. In allen

Zähne benachbarter Pole und Sättigungsspulen für io Fällen wird die Kompensierung durch Kompen-

einen einzigen Zahn, wobei alle Sättigungsspulen mit sationsspulen, die auf allen vier Polen in unmittelbarer

Drehstrom oder Zweiphasenstrom (Wechselstrom Nähe des Luftspaltes montiert sind, erhalten, wobei

mit Kondensator) gespeist werden und ihre Windungs- ihre Speisespannung entsprechend verschoben ist, um

zahl so ausgewählt ist, daß die Gesamtdurchflutung den Restfluß aufzuheben.

in den Zähnen aller Pole einen gesättigten Fluß gleicher 15 Bei allen diesen Motorarten wird zum Erniedrigen

Größe erzeugt und seine Grundwelle folgende Rieh- der Dämpfung für den Nutzfluß der Oberwelle beim

tungen hat: Durchgang durch das äußere Joch jenes letztere im

Bereich der Pole verdickt, so daß dieser Teil möglichst

Pol 1: 0, 2n\m; 2· 2n\m; ... . ■ wenig gesättigt wird. '

■ Pol 2: ±n/m; 2n/m; Injm + nßm; ²⁰ .. Nachstehend werden vier Beispiele zur Verwirk-

? Wmi-W)», lichung der erfindungsgemaßen Motoren an Hand der

L m\m±n\lm ■ ..- F i g. 1,2,3, 4, 5, 6 ... beschrieben.. Es zeigt

Pol 3: n;2njm + π; 2 · 2 n/m + η; ■::: Fi g.' 1 einen Querschnitt .durch einen Pol eines

Pol 4: ± nßm + η; 2π/ιη ± nl2m. + π; Motors für (ausschließlich) 3 · 30Ö0 U/min bei 50 Hz

2 · 2 π/m ± nßm + n; ' 25 mit Sättigungsspulen auf Polen mit vier Zähnen_s

. ■ ' ■■.·'.■ . F i g. 2 einen Schaltplan des Motors aus F ig. 1,

wobei m =. 3, 5, 7... ist. Die Reihenfolge der Phasen F i g. 3 eine schematische Darstellung eines Motors

für die Polzähne kann in bezug auf die angegebene ohne Sättigungsspulen und einer Drehzahl von

geändert werden, so daß eine maximale Kupfererspar- 30CO · m U/min bei 50 Hz mit m'= 3,

nis durch Umschließen mehrerer Zähne mit der 3° Fig. 4. ein Vektordiagramm der Spannungen des

gleichen Sättigungsspule erreicht wird. Motors aus F r g. 3,

Unter diesen Bedingungen gehen durch den Läufer F i g. 5 eine vereinfachte Darstellung eines Motors

zwei Wechselstromflüsse einer Frequenz von m- 50Hz, ohne Sättigungsspulen und einer Drehzahl von

die um 90° gegeneinander verschoben sind, also ein 3000 m U/min bei 50 Hz und m = 5,

Drehfeld bilden, und sich durch die entgegengesetzten 35 F i g. 6 ein Vektordiagramm der Spannungen des

mit 1-3 und 2-4 bezeichneten Pole schließen. Die ge- Motors aus F i g. 5,

sättigten Zähne der Pole 2-4 werden von Flüssen der F i g. 7 einen Querschnitt durch einen Pol der

Grundwelle, die um ±nßm in bezug auf die Zähne Maschine aus F ig. 3 (für m == 3) und verdickter

der Pole 1-3 verschoben sind, durchflossen, also, mit Schwelle im Bereich des Pols, "

einer Verschiebung von'±π/2 für die «Me Oberwelle. 4° F i g. 8 einen Querschnitt durch einen Pol eines

Die Drehzahl des Drehfeldes von 3 · 3CCO U/min Motors für (ausschließlich) 3 · 3CCO U/min bei 50 Hz (ausschließlich) kann auch für Maschinen mit Sätti- und Polen mit drei · Zähnen und Sättigungsspulen gungsspulen und Polen mit drei Zähnen erreicht kleiner als der Durchmesser,
werden, die Sättigungsspulen nur für ein Zahnpaar F i g. 9 einen Schaltplan des Motors aus F i g. 8,
haben, wobei der dritte Zahn keine Sättigungsspule 45 F i g. 10 eine vereinfachte Darstellung des Motors hat, da er vom Fluß der Sättigungsspule selbst ge- für (ausschließlich) 3-3CCO U/min bei 50 Hz mit aus sättigt wird (gemeinsam für zwei benachbarte Pole). drei Zähnen gebildeten Polen mit Sättigungsspulen, In diesem Fall sind die Sättigungsspulen so an das die einen Durchmesser umfassen.
Drehstromnetz angeschlossen, das die Phasenver- In der Fi g. 1 sieht man die Sättigungsspule 1, die Schiebung der Gesamtdurchflutung in den Zähnen für 50 für zwei benachbarte Pole gemeinsam ist und die ein gegenüberliegendes Polpaär um" -f 90° in bezug Sättigurigsspulen 2, 3, 4 und 5 auf. den Zähnen 6, 7, 8 auf die Durchflutung der Sättigüngsspule verschoben und 9 des Pols. Das magnetische Feld der Sättigungsist und um ± 45° für das andere Polpaar,.das zum spule schließt sich durch die Zähne.auf dem mit geersten Polpaar senkrecht steht. Auch bei diesem strichelter Linje angegebenen Weg. Auf dieses Feld Motortyp sind die Sättigungsspülen so angeschlossen, 55 überlagert sich in den Zähnen das Feld der Sättigungsdaß die Grundwellen· ihrer Flüsse (von 50 Hz) nicht spulen, das sich durch die Zahnpaare aus dem rechten durch den Luftspalt treten. ^: . „ Ende und denen aus dem linken Ende schließt und

Bei den Motoren mit Sättigungsspulen auf Polen durch die Strichpunktlinie dargestellt ist. Unter diesen mit drei Zähnen und einer Drehzahl.von 3 · 3CCO U/ Bedingungen wird die dritte Oberwelle der Flüsse aus min kann das Feld aus dem Luftspalt auch dann er- 60 den Zähnen, da sie gleichphasig sind, auch imTLüfthalteh werden, wenn die Sättigüngsspulen für zwei spalt auftreten.-Der Rest der Grundwelle wird mit gegenüberliegende Pole' gemeinsam sind, die mit um Hilfe der Spule 10 kompensiert und wird mit einer 90° !versetzte Spannungen gespeist werden. Wenn in entsprechenden Phasenverschiebung an das 50-Hzdiesem, Falle das erste gegenüberliegende Polpaär mit Netz angeschlossen. An Stelle der Spule 10 kann man einer Spannung, deren Phase Nullage hat, gespeist 65 gegebenenfalls zwei Kompensationsspulen verwenden, wird, werden ihre Sättigungsspulen an eine um 90° -> die an die phasenverschobene Spannung angeschlossen verschobene Spannung angeschlossen und das andere werden ur.d sich so zusammensetzen, daß ihr Gesamtgegenüberliegende Polpaar an eine um 90° verschobene feld 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.

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 2.τ/3 verschoben sind, laut Diagramm aus F i g. 4, wo .v, y, ζ bzw. —x, —y, —z die Vektoren für ein Polpaar sind und .v', y', z' bzw. —x', —/, —z' für das andere Paar.

In F i g. 5 ist ein ähnliches Beispiel für in = 5 wiedergegeben; das Vektordiagramm für diesen Fall ist in F i g. 6 wiedergegeben.

In F i g. 7 sieht_Nman die Verdickung des Ständerjoches 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.

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'. '...'"■■

Der elektrische Schaltplan für diesen Motor ist in F i g. 9 dargestellt.

In F i g. 10 sieht man die über einen Durchmesser gewickelten Sättigungsspulen 31 und 32, die Sätti-. gungsspülen 33, 34, 35 und 36 und die Kompensationsspulen 37, 38, 39 und 40.

Die Vorteile der erfihdungsgemäßen Maschine sind:

Die Maschine besitzt keinen Stromwender (Korn-. mutator) 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.).

Die Maschine läuft lärmarm und erzeugt keine RundfunkstÖi-ungen, benötigt also keine Funkentstörung.

Der Ständer der Maschine ist einfach herzustellen; die auf Schablonen gefertigten Spulen werden von. außen auf die Pole aufgebracht.

Claims (4)

Patentansprüche: .

1. Netzfrequenzgespeister 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, dadurchgekennzeichnet, daß Pole des Motors mit Sättigungsspulen versehen sind, die mehrere Polzähne umfassen.

2. Asynchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet; daß vier Pole mit je vier Polzähnen, ferner Sättigungsspulen, welche Polzähne benachbarter Pole umfassen, ferner ausgeprägte, nur einen Polzahn umfassende Sättigungsspulen vorgesehen sind, wobei die Sättigungsspulen derart angeordnet· sind, daß die Phasenlage der Grundwellen der. Magnetflüsse des einem Wicklungsende einer Sättigungsspule entsprechenden Polzahnpaars um 90° von jener des dem anderen Wicklungsende entsprechenden abweicht, wobei ferner die Sättigungsspulen im Gegensinn geschaltet sind, so daß sich deren Magnetflüsse im Luftspalt aufheben.

3. Asynchronmotor nach Anspruch 1, mit Polen mit drei, fünf oder sieben Zähnen, dadurch gekennzeichnet, daß für die Polzähne des gleichen Pols gemeinsame Sättigungsspulen vorgesehen sind und ferner für die Polzähne zweier benachbarter Pole gemeinsame Sättigungsspulen und auch nur einen Polzahn umfassende Sättigungsspulen vorgesehen sind. .

4. Asynchronmotor nach Anspruch 1 mit Polen mit je drei Polzähnen, dadurch gekennzeichnet, daß von diesen drei Polzähnen nur zwei mit ausgeprägten Sättigungsspulen versehen sind, während der dritte Polzahn unbewickelt ist, und daß auch Sättigungsspulen vorgesehen sind, die zwei.benachbarte Polzähne umfassen, wobei diese Sättigungsspulen, derart angeordnet sind, daß deren Seiten zwischen einer bewickelten und einer unbewickelten Seite jedes Pols liegen.

.5. Asynchronmotor entsprechend Anspruch 1, mit Polen mit drei Polzähnen, dadurch gekennzeichnet, daß Sättigungsspulen vorgesehen sind, die zwei diametral entgegengesetzte Pole umfassen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen