DE1788045B1

DE1788045B1 - Einphasen asynchronmotor

Info

Publication number: DE1788045B1
Application number: DE19681788045
Authority: DE
Inventors: Alwin Borchers
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1968-09-21
Filing date: 1968-09-21
Publication date: 1971-11-25
Also published as: GB1289717A; SE353992B; DK130378B; FR2018593A1; DK130378C

Description

1 2

Die Erfindung bezieht sich auf einen Einphasen- Grad, durch ein Windungszahlverhältnis der beiden

Asynchronmotor, insbesondere mit kurzgeschlossenem Wicklungsabschnitte zwischen 0,6 : 0,4 und 0,77: 0,23

Rotor, aus zwei gegeneinander um einen beliebigen sowie durch eine solche Abstimmung zwischen dem

Winkel versetzten und in Reihe liegenden Wicklungs- Windungszahlverhältnis und der Impedanz, daß das abschnitten bestehender Statorwicklung, wobei parallel 5 Verhältnis der Absolutwerte der Ströme in beiden

zu dem einen Wicklungsabschnitt eine Impedanz liegt, Wicklungsabschnitten annähernd gleich dem rezi-

die nach dem Hochlaufen stark vergrößert oder ab- proken Verhältnis der jeweiligen Produkte aus Win-

geschaltet wird. dungszahl und Wicklungsfaktor für die dritte Ober-

Die üblichen Einphasen-Asynchronmotoren be- welle der Wicklungsabschnitte ist.
sitzen im Stator eine dickdrähtige Hauptwicklung io Durch die angegebene Versetzung der beiden Wick- und eine dazu um 90° versetzte dünndrähtige Hilfs- lungsabschnitte wird das Anlaufmoment angehoben, wicklung. Der Hilfswicklungsstrom ist gegenüber dem Die beanspruchten Werte des Windungszahlverhält-Hauptwicklungsstrom in der Phase verschoben und nisses und dessen Abstimmung der Impedanz führen wird nach dem Hochlaufen des Motors abgeschaltet dazu, daß der Sattel in der Drehmomentkurve im oder stark reduziert. Die Hilfswicklung erfordert 15 Bereich eines Drittels der Synchrondrehzahl volleinen erheblichen Aufwand an Wicklungskupfer und ständig oder weitgehend aufgehoben wird. Jeder ein-Wicklungsarbeit, ihre Nuten vermindern im normalen zelne der beiden Wicklungsabschnitte kann so aus-Betrieb die wirksame Eisenfläche am Luftspalt, und gelegt werden, daß sein Wicklungsfaktor der Grundhäufig ist sie durch Durchbrennen gefährdet. welle möglichst groß wird, was auch zu einem guten

Derartige Einphasen-Asynchronmotoren sind auch 20 Wicklungsfaktor der Grundwelle für die Hintereinanmit Kondensator-Hilfsphase bekannt, wobei ein Be- derschaltung führt, und zwar unabhängig davon, ob triebskondensator und ein Anlaufkondensator vor- diese Auslegung größere Wicklungsfaktoren der dritten gesehen ist. Der Anlauf kondensator kann durch einen Oberwelle ergibt; denn diese spielen wegen der Satteltemperaturabhängigen PTC-Widerstand abgeschaltet kompensation während des Hochlaufs keine wesentwerden. 25 liehe Rolle.

Es sind ferner Einphasen-Asynchronmotoren be- Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Impedanz

kannt, bei denen auf eine Hilfsphase verzichtet wird. dem Wicklungsabschnitt mit der größeren Windungs-

Vielmehr sind lediglich zwei um 60° elektrisch gegen- zahl parallel liegt. Diese Maßnahme bietet die Möglich-

einander versetzte, einander gleiche Wicklungsab- keit, den Sattel in der Hochlauf-Drehmomentkurve

schnitte vorhanden. Sie entsprechen den Strängen 30 noch weiter zu reduzieren oder vollständig zu kom-

zweier Phasen einer normalen im Stern geschalteten pensieren. Darüber hinaus läßt sich die Phasenver-

Drehstrommaschine und bedecken zwei Drittel der Schiebung zwischen den Strömen in den beiden Wick-

Polteilung. Zur Erzeugung eines Startmoments kann lungsabschnitten und damit auch das Start- und Hoch-

dem einen Wicklungsabschnitt eine Impedanz parallel laufmoment vergrößern. Sodann kann auf diese Weise

geschaltet werden, die zwischen den Strömen in den 35 der Wicklungsfaktor der Grundwelle für die Hinter-

Wicklungsabschnitten eine Phasenverschiebung her- einanderschaltung der beiden Wicklungsabschnitte

vorruft. Allerdings ist bei derartigen Motoren das erhöht werden.

Anlaufmoment relativ klein. Außerdem hat die Hoch- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die lauf-Drehmomentkurve besonders im Bereich eines Impedanz so gewählt, daß die Phasenverschiebung ψ Drittels der Synchrondrehzahl einen stark ausgepräg- 40 der Ströme in den beiden Wicklungsabschnitten derart ten Sattel, der den Motor für viele Anwendungs- mit Bezug auf die Versetzung Θ gewählt ist, daß zwecke unbrauchbar macht. Dies ist hauptsächlich ψ = 30 — 180° — 15° gilt, wobei jedoch die Phasender Einfluß der dritten Harmonischen, die zwar bei verschiebung ψ zwischen 30 und 60' liegt. Dies führt reinem Einphasenbetrieb keine Rolle spielt, weil der zu einem sehr guten Startmoment und gleichzeitig Wickelfaktor der dritten Oberwelle für die Hinter- 45 zu der Möglichkeit, den Sattel in der Hochlauf-Dreheinanderschaltung der beiden Wicklungen gleich Null momentkurve nahezu vollständig zu kompensieren, ist, die aber beim Hochlauf sehr ausgeprägt ist, weil Zur Erzielung einer ausreichend großen Phasenhierbei die Wickelfaktoren der dritten Oberwelle für verschiebung sollte der Wirkwiderstand der paralleldie beiden einzelnen Wicklungsabschnitte gesondert liegenden Impedanz etwa so groß wie der Blindwiderzu betrachten sind. 50 stand des zu dieser Impedanz parallelen Wicklungs-

Es ist auch schon ein Motor der letztgenannten abschnittes oder kleiner sein.

Art beschrieben worden, bei dem in der Zeichnung Eine Möglichkeit zur Erhöhung des Wicklungsschematisch ein Versetzungswinkel zwischen den beiden faktors der Grundwelle für jeden Wicklungsabschnitt Wicklungsabschnitten dargestellt ist, der zwischen 67 und damit auch gleichzeitig zur Erhöhung des Wick- und 68° liegt (französische Patentschrift 345 997). 55 lungsfaktors der Grundwelle für die Hintereinander-Nach dem Hochlaufen kann ein parallel zu dem einen schaltung besteht darin, daß jeder der beiden Wick-Wicklungsabschnitt liegender Kondensator abgeschal- lungsabschnitte in weniger als zwei Drittel der Statortet werden. Dies soll sich für einen Motor mit einer nuten untergebracht ist. Am günstigsten ist es, wenn großen Nutenzahl pro Pol eignen. überhaupt keine Überlappung der Wicklungsabschnitte

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen 60 auftritt. Zwar wird hierbei auch der Wicklungsfaktor Einphasen-Asynchronmotor der eingangs beschrie- der dritten Oberwelle für jeden Wicklungsabschnitt benen Art anzugeben, der die Vorteile eines Motors erhöht; dies ist aber wegen der oben geschilderten ohne spezielle Hilfsphase hat, aber ein großes Anlauf- Kompensationsmöglichkeit ohne Bedeutung,
moment und eine sattelfreie bzw. sattelarme Hochlauf- Des weiteren ist es zweckmäßig, wenn die Stator-Drehmomentkurve besitzt. 65 wicklung weniger als zwei Drittel der Polteilung ein-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- nimmt. Dies ist bei der beanspruchten Versetzung der

löst, daß eine Versetzung der beiden Wicklungsab- Wicklungsabschnitte dadurch zu erreichen, daß die

schnitte um einen Winkel von 67,5 bis 75 elektrische Nuten bezüglich der Mittelachse des jeweiligen Wick-

3 4

lungsabschnittes stärker konzentriert sind als üblich. der im Primärkreis beim Anlauf fließenden Ströme /

Insbesondere sollte der Wicklungsabschnitt mit der und

größeren Wicklungszahl in enger benachbarten Nuten F i g. 4 einen Statorblechschnitt für den erfindungs-

als der Wicklungsabschnitt mit der kleineren Windungs- gemäßen Motor.

zahl angeordnet sein. Auf diese Weise läßt sich eben- 5 In F i g. 1 zeigt die voll ausgezogene Kurve I den falls der Wicklungsfaktor der Grundwelle für jeden Drehmonentenverlauf für einen erfindungsgemäß auseinzelnen Wicklungsabschnitt und damit auch der gelegten Motor im Vergleich mit einer gestrichelt ge-Wicklungsfaktor der Grundwelle für die Hintereinan- zeichneten Kurve II, die für einen üblichen Einphasenderschaltung verbessern. Außerdem steht dem Kraft- Asynchronmotor mit zwei gleichen um 60° versetzten fluß ein sehr breiter Zahn zur Verfügung, was den io Wicklungsabschnitten typisch ist. Man erkennt, daß Kupferbedarf für die magnetische Erregung herabsetzt. sich erfindungsgemäß ein wesentlich höheres Start-

Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn die parallel- moment erzielen läßt und daß der Sattel, der im

liegende Impedanz wenigstens zum Teil aus einem Bereich eines Drittels der Synchron-Drehzahl wegen

PTC-Widerstand besteht. Beispielsweise kann ein der dritten Harmonischen auftritt, wesentlich weniger

ohmscher Widerstand mit einem PTC-Widerstand in 15 ausgeprägt ist.

Reihe liegen. Bei einer anderen Schaltung besteht die Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, besitzt die Stator-Impedanz aus einem ersten PTC-Widerstand, der mit wicklung zwei Wicklungsabschnitte 1 und 2, die miteinem ohmschen Widerstand in Reihe liegt, wobei einander in Reihe liegen. Sie sind um den Winkel Θ diese Reihenschaltung durch einen zweiten PTC- gegeneinander versetzt. Der Wicklungsabschnitt 1 ist Widerstand überbrückt ist. 20 durch eine Impedanz 3 überbrückt. Die Impedanz

Der PTC-Widerstand wirkt als Anlaßschalter, der kann nach dem Hochlaufen mittels eines Schalters 4

den Strom durch die parallelgeschaltete Impedanz oder einer anderen Schaltvorrichtung abgeschaltet

nach einer vorgegebenen Zeit auf einen unbeacht- werden. In der Regel hat diese Impedanz überwiegend

liehen Wert absenkt. Außerdem kann die PTC-Eigen- ohmschen Charakter.

schaft dazu benutzt werden, die Werte der Impedanz 25 Bei offenem Schalter 4 fließt durch die Wicklungs-

während des Hochlaufs zu verändern und dadurch abschnitte 1 und 2 der Strom I₀, der gegenüber der

noch weiter auf den Sattel in der Drehmomentkurve Spannung U eine Phasenverschiebung ψ einnimmt,

einzuwirken. Wird der Schalter 4 geschlossen, so fließt zusätzlich

Da der PTC-Widerstand während des Hochlaufs der Strom I₃ durch die Impedanz 3 und den Wick-

den mit ihm in Reihe liegenden, stärker belasteten 30 lungsabschnitt 2. Da die beiden Wicklungsabschnitte

Wicklungsabschnitt vor einer übermäßigen Erwär- transformatorisch verkettet sind, induziert der durch

mung schützt, genügt es für einen vollständigen Wick- den Abschnitt 2 fließende Strom I₃ im Abschnitt 1

lungsschutz, wenn der mit der Impedanz in Form einen Strom von der Größe -I₃ · cos Θ. Als wirk-

eines PTC-Widerstands parallelgeschaltete Wicklungs- samer Stromanteil verbleibt daher im Abschnitt 2

abschnitt durch einen Wicklungsthermostaten über- 35 der Strom I₃ (1 — cos Θ). Infolgedessen fließen in

wacht ist. den Wicklungsabschnitten 1 und 2 die aus F i g. 3

Mit Hilfe der Erfindung ist es sogar möglich, einen ersichtlichen, vektoriell zusammengesetzten Ströme I₁

Motor anzugeben, dessen Statornutenzahl pro Pol und I₂. Diese beiden Ströme haben eine Phasenver-

kleiner als 6 ist und bei dem die Statornuten offen Schiebung ψ. Für das Diagramm der F i g. 3 war

sind. Damit ergibt sich ein äußerst einfacher Aufbau. 40 vorausgesetzt, daß die Impedanz 3 ein ohmscher

Die Nuten können offen sein, weil ein recht großer Widerstand ist.

Bereich des Statorumfangs nutenfrei ist. Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Möglich-

Eine Einsparung an magnetischem Material ergibt keiten dienen die nachstehenden Gleichungen. Das

sich, wenn die Wicklungsabschnitte in Nuten von Startmoment beträgt bei einem Einphasen-Asynchron-

Statorblechen liegen, die annähernd den Umriß eines 45 motor

Parallelogramms haben, dessen Ecken durch paar- _Mgf ₌ 4 . _K. j j _sin y_Rvn .„ . _sm<9, ₍₁₎

weise ungleiche Bogenabschnitte eines Kreises gebildet ^^-1

sind. wobei die Summation für alle Oberwellen η durch-

Die Erfindung wird nachstehend im Zusammen- geführt werden muß, die im Luftspaltfeld vorhanden

hang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt 50 sind. Beispielsweise gilt für die Grundwelle

F i g. 1 in einem Diagramm das Drehmoment M

eines Asynchronmotors über der Drehzahl n, ^M*n = 4 · K ■ I₁ ■ I₂ ■ sin γ · R_V1 ■ sin Θ . (1 a)

F i g. 2 ein schematisches Schaltbild des erfindungsgemäßen Motors, Ferner gilt für das Vorwärtsmoment beim Anlauf

F i g. 3 das Vektordiagramm der Spannung U und 55 für jede Oberwelle

M_Vn = η [Z₁ ² + K^% · Z₂ ² + 2- K-I₁-I₂-cos(y> — n0)]-R_v„. (2)

Hierbei bedeutet w₂ = Windungszahl des Wicklungsabschnittes 2,

_Λ , ,. , „, „ fm = Wicklungsfaktor der «-ten Oberwelle des

η = Ordnungszahl der Oberwelle Wicklungsabschnitts 1,

1₁ = Strom im Wick ungsabschmtt 1, _f ^ Wicklungsfaktor der «-ten Oberwelle des

1₂ = Strom im Wicklungsabschnitt 2, ₆₅ Wicklungsabschnitts 2,

_K _ W₂-J_2n ^ _R^ _ _reejj_{er Tei}j _der Vorwärtsfeldimpedanz bei

Wi · fm Hintereinanderschaltung beider Wick-

W₁ = Windungszahl des Wicklungsabschnittes 1, lungsabschnitte,

ψ — zeitliche Verschiebung zwischen I₁ und I₃,, Θ = räumliche Versetzung zwischen beiden

Wicklungsabschnitten in elektrischen

Graden.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Vergrößerung des Winkels Θ auf 67,5 bis 75 elektrische Grade läßt sich unter sonst gleichen Umständen das Startmoment erhöhen. Ferner wird das Startmoment durch Erhöhung der Phasendifferenz ψ zwischen den Strömen I₁ und I₂ größer. Eine solche Maßnahme stieß aber bei den bekannten Motoren, bei denen die Wicklungsabschnitte um 60° gegeneinander versetzt sind, auf Schwierigkeiten, weil dann der Sattel in der Hochlauf-Drehmomentkurve noch stärker ausgeprägt wurde.

Der von der dritten Oberwelle herrührende Sattel wird um so kleiner, je kleiner der Klammerausdruck in Gleichung (2) ist, wenn diese auf die dritte Oberwelle bezogen wird. Eine vollständige Kompensation des Sattels ist vorhanden, wenn das Verhältnis der Ströme I₁ und I₂ gleich dem Faktor K, also dem reziproken Verhältnis des Produkts von Windungszahl w und Wicklungsfaktor/ für die dritte Oberwelle, ist und wenn der cos-Ausdruck den Wert —1 annimmt.

Eine solche Wahl der Ströme bereitet keine Schwierigkeiten, wenn erfindungsgemäß die Windungszahl der Wicklungsabschnitte 1 und 2 unterschiedlich gemacht wird. Da im Wicklungsabschnitt 2 beim Anlauf ein größerer Strom V₂ fließt als im Wicklungsabschnitt 1, wird das Ziel erreicht, indem die Windungszahl des Abschnittes 1 größer gemacht wird als diejenige des Abschnittes 2. Diese Maßnahme führt außerdem zu einer Vergrößerung des Winkels y.

Der Ausdruck cos (ψ —η Θ) wird —1, wenn

ψ = 30-180°

gewählt wird, wobei Schwankungen von ±15° das Ergebnis noch nicht wesentlich beeinträchtigen. Bei Θ = 67,5° kann daher eine Phasenverschiebung ψ von 22,5° im Idealfall und bis 37,5° zugelassen werden. Bei Θ = 75° kann eine Phasenverschiebung ψ = 45° im Idealfall und sogar über 50° gewählt werden.

Die beiden geschilderten Eingriffsarten zur Sattelkompensation sind bei den bekannten Motoren nicht möglich, da eine Versetzung der Wicklungsabschnitte von 60° im Idealfall gerade eine Phasenverschiebung ψ = 0° erfordern würde. Da zwei gleiche Wicklungsabschnitte vorhanden sind, müßten die Ströme I₁ und I₂ beim Anlauf gleich groß gehalten werden; das Zuschalten der Impedanz 3 führt aber zwangsweise dazu, daß die Ströme I₁ und I₂ unterschiedlich sind.

Durch entsprechende Wahl der Impedanz 3 hat man es außerdem in der Hand, die Phasenverschiebung ψ so zu wählen, daß sich ein optimales Anlaufmoment ergibt.

F i g. 4 zeigt einen Blechschnitt mit insgesamt fünf Nuten 5 bis 9 pro Polteilung. Durch unterschiedliche Schraffur ist angedeutet, daß die Nuten 5 bis 7 dem Wicklungsabschnitt 1 und die Nuten 8 und 9 dem Wicklungsabschnitt 2 zugeordnet sind. Die Nuten bis 7 haben eine Nutteilung α, die Nuten 8, 9 eine größere Nutteilung β. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel beträgt der Versetzungswinkel Θ = 70°, der Winkel « = 15° und der Winkel β = 20°. Die beiden Wicklungsabschnitte nehmen daher weniger als zwei Drittel der Polteilung ein. Es verbleiben relativ große Statorabschnitte 10, die nicht durch Nuten unterbrochen sind und einen guten Weg für den Hauptfluß darstellen. Außerdem ergibt sich zwischen den beiden Wicklungsabschnitten ein breiterer Umfangsbereich 11. Es ist daher möglich, das Blech 12 an vier Seiten paarweise parallel längs der Kanten 13, und 15,16 zu beschneiden, so daß sich ein Parallelogramm ergibt, dessen abgerundete Ecken 17 bis 20 paarweise unterschiedlich lange Bögen eines gemeinsamen Kreises sind. Das Ausstanzen kann beispielsweise aus einem Band erfolgen, dessen Längsseiten die Kanten 13, 14 bilden, während die Kanten 15, durch Trennschnitte erzeugt werden.

Ein Motor nach der Erfindung ist besonders gut für Anwendungszwecke geeignet, bei denen ein häufiger Anlauf unter Belastung notwendig ist, insbesondere zum Antrieb von Kleinkältemaschinen und Ölbrennern. Er stellt auch einen idealen Antrieb für Pumpen dar.

Claims

Patentansprüche:

1. Einphasen-Asynchronmotor, insbesondere mit kurzgeschlossenem Rotor, aus zwei gegeneinander um einen beliebigen Winkel versetzten und in Reihe liegenden Wicklungsabschnitten bestehender Statorwicklung, wobei parallel zu dem einen Wicklungsabschnitt eine Impedanz liegt, die nach dem Hochlaufen stark vergrößert oder abgeschaltet wird, gekennzeichnet durch eine Versetzung (Θ) der beiden Wicklungsabschnitte um einen Winkel von 67,5 bis 75 elektrische Grad, durch ein Windungszahlverhältnis der beiden Wicklungsabschnitte zwischen 0,6:0,4 und 0,77:0,23 sowie durch eine solche Abstimmung zwischen dem Windungszahlverhältnis und der Impedanz, daß das Verhältnis der Absolutwerte der Ströme in beiden Wicklungsabschnitten annähernd gleich dem reziproken Verhältnis der jeweiligen Produkte aus Windungszahl und Wicklungsfaktor für die dritte Oberwelle der Wicklungsabschnitte ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz dem Wicklungsabschnitt mit der größeren Windungszahl parallel Hegt.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz so gewählt ist, daß die Phasenverschiebung (ψ) der Ströme in den beiden Wicklungsabschnitten derart mit Bezug auf die Versetzung (0) gewählt ist, daß

= 3 0-180° ±15°

gilt, wobei jedoch die Phasenverschiebung (ψ) zwischen 30 und 60° liegt.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirkwiderstand der parallelliegenden Impedanz etwa so groß wie der Blindwiderstand des zu dieser Impedanz parallelen Wicklungsabschnitts oder kleiner ist.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Wicklungsabschnitte in weniger als zwei Drittel der Statornuten untergebracht ist.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung weniger als zwei Drittel der Polteilung einnimmt.

7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsabschnitt mit der größeren Windungszahl in enger benachbarten Nuten als der Wicklungsabschnitt mit der kleineren Windungszahl angeordnet ist.

8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelliegende Impedanz ganz oder wenigstens zum Teil aus einem PTC-Widerstand besteht.

9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz aus einem ersten PTC-Widerstand, der mit einem ohmschen Widerstand in Reihe liegt, besteht, wobei diese Reihenschaltung durch einen zweiten PTC-Widerstand überbrückt ist.

10. Motor nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Impedanz in Form eines PTC-Widerstands parallelgeschaltete Wicklungsabschnitt durch einen Wicklungsthermostaten überwacht ist.

11. Motor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Statornutenzahl pro Pol kleiner als 6 ist und die Statornuten offen sind.

12. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsabschnitte in Nuten von Statorblechen liegen, die annähernd den Umriß eines Parallelogramms haben, dessen Ecken durch paarweise ungleiche Bogenabschnitte eines Kreises gebildet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

COPY

109 548/340