DE2206232C3 - Elektrischer Drehstrommotor mit einem Ständer, der eine im Verhältnis 1 zu 2 polumschaltbare Ständerwicklung aufweist - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Drehstrommotor mit einem Ständer, der eine im Verhältnis 1:2 polumschaltbare Ständerwicklung aufweist, und mit einem mit Nuten versehenen gewickelten Läufer. Ein derartiger elektrischer Drehstrommotor ist aus der DT-PS 4 83 288 bekannt.

Es sind bereits Asynchronmotoren mit polumschaltbarer Ständerwicklung bekannt. Im häufigsten Fall ist die Ständerwicklung so umschaltbar, daß die Polzahlen der beiden möglichen Schaltungen sich wie 1:2 verhalten, womit sich Betriebsdrehzahlen ergeben, die sich umgekehrt verhalten wie die Polzahlen. Als Läufer dient ein normaler Käfigläufer mit Kurzschlußringen, dessen Käfigwicklung so ausgelegt ist, daß bei beiden Polzahlen ausreichende Drehmomente vorhanden sind.

Nachteilig bei diesen bekannten Maschinen ist, daß das Losbrechmoment bei der höheren Polzahl relativ klein ist, womit diese Maschinen vorzugsweise für leichte Anläufe benutzt werden. Es ist zwar möglich, durch Erhöhung des Widerstandes der Läuferstäbe oder durch Stäbe mit Stromverdrängungsprofil oder durch einen Doppelkäfigläufer u.dgl. das Losbrechmoment zu erhöhen, jedoch erhöht sich dann meist der Schlupf und damit die Verluste, oder der Einschaltstrom wird höher oder beides.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten kann der Läufer als Schleifringläufer mit getrennten Wicklungen oder mit umschaltbarer Wicklung für die beiden Pohlzahlen ausgebildet sein. In beiden Fällen sind jedoch 6 Schleifringe erforderlich, wodurch die Baulänge nachteilig vergrößert wird und die Bürstenabnutzung sowie die Bürstenreibungsverluste gegenüber einem normalen Schleifringmotor verdoppelt werden (siehe Bödefeld-Sequenz, »Elektrische Maschinen«, Springer-Verlag, Wien 1949, Seite 198).

Es ist bereits bekannt, eine spezielle Schaltung der Läuferwicklung anzuwenden, die es erlaubt, mit 3 Schleifringen auszukommen; jedoch ist der Wickelfaktor bei dieser bekannten Ausführung schlecht, so daß die Typengröße der Maschine merklich vergrößert werden muß (Richter, »Lehrbuch der Wicklungen elektrischer Maschinen«, Verlag Braun, Karlsruhe 1952, Seite 225 bis 226).

Es ist fernerhin ein Dreiphasen-Induktionsmotor für Bergbahnlokomitiven mit einer im Polzahlverhältnis von 1:2 umschaltbaren Ständerwicklung bekannt (DT-PS 4 83 228), bei welchem der Läufer zwei voneinander getrennte Wicklungen aufweist. Dabei ist die Läuferwicklung mi( der großen Polzahl als Schleifringwicklung und die Läuferwicklung für die kleine Polzahl als Kurzschlußläuferwicklung ausgebildet. Bei dieser bekannten Motoranordnung ist jedoch jeweils bei den beiden Drehzahlen nur eine der Läuferwicklungen stromdurchflossen, wodurch die Nut

schlecht ausgenutzt ist

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Drehfeldmaschine zu schaffen, die bei einer im Verhältnis 1:2 polumschaltbaren Statorwicklung zwei Drehzahlen aufweist, ein großes Losbrechmoment besitzt und nur drei Schleifringe benötigt und deren Typengröße nicht größer ist als die einer entsprechenden Asynchronmaschine mit einem Kurzschlußläufer vergleichbarer Bauart

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht erHndungsgemäß bei dem eingangs genannten Drehstrommotor darin, daß eine einzige Läuferwicklung sowohl eine Kurzschlußwicklung für die kleinere Polzahl als auch eine Schleifringwicklung für die größere Polzahl bildet, daß die Kurzschlußwicklung aus einzelnen, in sich geschlossenen gleichweiten Spulen ohne Kurzschlußring besteht, daß zur Bildung der Schleifringwicklung mit der Mitte der A-seitigen Stirnverbindung der in sich geschlossenen Spulen jeweils ein in der gleichen Nut verlegter, zusätzlicher Leiterstab in Verbindung steht, der jeweils mit der Mitte der B-seitigen Stirnverbindung der nächsten Spule verbunden ist, und daß das eine Ende des letzten zusätzlichen Leiters einer Spulengruppe mit dem Ende des letzten zusätzlichen Leiters der nächsten Spulengruppe auf der gleichen Spulenseite verbunden ist.

Bei einer Ausführung des elektrischen Drehstrommotors mit mehr als einem Polpaar für die niedrigpolige Wicklung ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, daß jeweils die Mitte der B-seitigen Stirnverbindung der ersten Spule der zweiten Spulengruppe mit der Mitte der Stirnverbindung der ersten Spule der nächsten Spulengruppe verbunden ist.

In zweckmäßiger Weise können die in sich geschlossenen Spulen als Zweischichtwicklung mit unverkürztem oder verkürztem Wickelschritt der kleineren Polzahl ausgebildet sein.

Weiter kann der zusätzliche Leiterstab sowohl oberhalb als auch unterhalb der beiden Leiterstäbe der in sich geschlossenen Spule in der Nut angeordnet sein.

Der zusätzliche Leiterstab kann einen größeren Querschnitt als ein Leiterstab einer in sich geschlossenen Spule aufweisen. Es ist ferner zweckmäßig den zusätzlichen Leiterstab mit dem doppelten Querschnitt eines Leiterstabes einer in sich geschlossenen Spule auszubilden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der zusätzliche Leiterstab auf der einen Maschinenseite um eine Nutteilung abgebogen. Auf diese Weise können die Stirnverbindungen der Leiterstäbe der in sich geschlossenen Spulen symmetrisch ausgeführt werden.

Die Leiterstäbe der in sich geschlossenen Spulen können in zweckmäßiger Weise übereinander in der Nut angeordnet sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform d;r Erfindung sind die beiden Leiterstäbe der in sich geschlossenen Spulen in der Nut nebeneinander angeordnet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Spulen vor dem Einbau fertig gebogen und isoliert und dann durch den Schlitz der halbgeschlossenen Läufernuten radial eingelegt werden können.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß mindestens ein Teil der Leiterstäbe innerhalb einer Nut als Hohlleiter ausgeführt und von einem gasförmigen oder flüssigen Kühlmittel durchströmt sind. Eine solche Alisführungsform kommt nur bei sehr großen Leistungen in Frage, gestattet aber die Ausnutzung der Maschine meiklich zu steigern.

Auch kann in zweckmäßiger Weise jeweils das eine Ende jeder Phase der Schleifringwicklung an einen Schleifring geführt sein, während die anderen Enden aller Phasen zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet sind. Schließlich kann aber auch jeweils das eine Ende jeder Phase der Schleifringwicklung mit einem mitrotierenden Zentrifugalanlasser verbunden sein, während die anderen Enden zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet sind. Elektrische Drehfeldmaschinen mit Zentrifugalschalter sind bereits aus der DT-PS 6 75 138 bekannt

Bei der Drehfeldmaschine nach der Erfindung rotiert bei der niedrigpoligen Schaltung der Ständerwickiung ein Drehfeld entsprechend der höheren Nenndrehzahl der Maschine. Dieser entspricht eine Polteilung entsprechend der Polteilung der geschlossenen Spulen. Bei Stillstand des Läufers wird jeweils in den beiden Stäben der in sich geschlossenen Spulen je eine um 180° elektrisch phasenverschobene Spannung induziert Durch die Reihenschaltung der Stäbe in umgekehrter Richtung der induzierten Spannung addieren sich die Spannungen und es fließt ein Strom in der Spule, während in dem an der einen Stirnverbindung der Spule mittig angeschlossenen Leiterstab kein Strom der Grundwelle fließen kann.

Ist die Ständerwicklung hochpolig geschaltet, rotiert ein Drehfeld mit der halben Nenndrehzahl. Die Polteilung dieses Drehfeldes ist halb so groß wie die der geschlossenen Spule. In den Leiterstäben der geschlossenen Wicklung werden dann Spannungen gleicher Phasenlage induziert. Da die Leiterstäbe entgegengesetzt in Reihe geschaltet sind, kann in der geschlossenen Spule kein Strom fließen. In dem zwischen den Leiterstäben, an der Mitte ihrer Stirnverbindung angeschlossenen zusätzlichen Leiterstab wird ebenfalls eine Spannung induziert, die deij in den Leiterstäben induzierten Spannungen entgegengesetzt gerichtet ist. Da der zusätzliche Leiterstab gewissermaßen den gemeinsamen Rückschluß der Leiterstäbe der in sich geschlossenen Spule bildet, addieren sich die Spannungsvektoren der Leiterstäbe der in sich geschlossenen Spule und des zusätzlichen Leiterstabes. Da der zusätzliche Leiterstab an der Mitte der Stirnverbindung der nächsten geschlossenen Spule angeschlossen ist, addiert sich auch die Summe der Spannungsvektoren zu der Summe der Spannungsvektoren der nächsten geschlossenen Spule und dem entsprechenden zusätzlichen Leiterstab usw., so daß sich wie bei einer normalen Schleifringwicklung die Spannungsvektoren der einzelnen Leiterstäbe addieren und einen entsprechenden Strom durch die Wicklung treiben, falls die Enden der Spulen miteinander verbunden sind. Bei der Schaltung nach der Erfindung ist das eine Spulenende mit dem der beiden anderen zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet. Die hochpolige Wicklung des Läufen: ergibt somit eine Schleifringläuferwicklung, die, wie oben ausgeführt, über drei Schleifringe herausgeführt und über Widerstände kurzgeschlossen werden kann, womit der Anlauf des Motors bis zur kleineren Nenndrehzahl beginnend mit einem hohen Losbrechmoment und weiterhin hohem Drehmoment ermöglicht ist.

Der weitere Hochlauf bei Umschaltung der Ständerwicklung auf die niedrige Polzahl ist auch für einen Kurzschlußläufer problemlos, da der Läufer nur noch von der halben auf die volle Drehzahl beschleunigt weraen muß, kein Losbrechmoment zu überwinden ist und das Drehmoment über der Drehzahl bei abnehmenden Schlupf bis zum Kippmoment ansteigt.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor,

daß für die niedrigpoilige Wicklung keine Kurzschlußringe benötigt werden. Infolge des bei beiden Polzahlen vollen oder nahezu vollen Wickelschrittes ergeben sich optimale Wickelfaktoren. Bei der größeren Polzahl wird das gesamte Rotorkupfer voll ausgenutzt. Durch die Wahl des Querschnittverhältnisses der Stäbe einer Nut kann bei gegebenem Nutraum und Belastungspiel bei den beiden Polzahlen die gesamte Verlustarbeit zu einem Minimum gemacht werden. Die Ausführung als Stabwicklung erlaubt auch die Anwendung von Hohlleitern, durch die gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel strömt.

Die Drehfeldmaschine nach der Erfindung läßt sich ohne weiteres bei konventioneller Speisung des Motors direkt aus dem Netz anwenden. Sie bringt aber auch Vorteile bei von Umrichtern gespeisten Asynchronmaschinen. Bei solchen Maschinen ist wohl ein Frequenzhochlauf möglich, jedoch ist es erforderlich, um ein großes Losbrechmoment zu realisieren, mit einem entsprechend hohen Ständerstrom zu arbeiten. Da Thyristoren wegen ihrer geringen Maße nur geringfügig überlastbar sind, ist es daher notwendig, für einen von einem Umrichter gespeisten Motor mit Schweranlauf die Thyristoren des Umrichters wesentlich größer zu dimensionieren als dies für den Normalbetrieb erforderlieh ist. Bei der Verwendung eines Asynchronmotors nach der Erfindung steht bei niedrigen Anlaufströmen ein hohes Anlaufmoment bzw. Losbrechmoment zur Verfügung, so daß eine Überdimensionierung der Thyristoren nicht erforderlich ist. Die Ersparnis, die sich durch die kleinere Dimensionierung des Umrichters und der Thyristoren ergibt, ist größer als der gegenüber einem konventionellen Kurzschlußläufermotor etwas erhöhte Aufwand für die spezieile Wicklung des Läufers des Asynchronmotors.

Da bei einem drehzahlgeregelten Antrieb die Anlage- und Betriebs- bzw. Verlustkosten der konventionellen oder elektronischen Stell- und Regeleinrichtung vom Umfang des Drehzahl- und Drehmomentstellbereichs abhängen, ergeben sich bei großem Drehzahlstellbereich weitere Ersparnisse durch die Anwendung eines Motors mit der beschriebenen Wicklung. Der speisende Umrichter braucht nur für den halben sekundären Frequenzbereich ausgelegt zu werden; der Aussteuerungsgrad kann etwa halbiert werden.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigt

F i g. 1 a, 1 b einen Ausschnitt aus einer Läuferwicklung nach der Erfindung,

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung einer Läuferwicklung und

Fig.3, 4 und 5 einen Querschnitt durch eine Läufernut

Das in F i g. 1 im Ausschnitt dargestellte Wickelschema eines Läufers ist für 96 Nuten und eine 4/8-polige Wicklung bestimmt Die Nuten des nicht dargestellten Läuferblechpaketes sind mit 1 bis 96 bezeichnet Für die in den Nuten liegenden Leiterstäbe wurden folgende Bezeichnungen gewählt:

Für die in Fig.2 oberen Leiterstäbe, also die zusätzlichen Leiterstäbe der Verbindung der Stirnmitten zweier Spulen, die Bezeichnung al bis a96. Diese Leiterstäbe sind im Schema ausgezogen dargestellt.

Für die mittleren, zur geschlossenen Spule gehörigen Leiterstäbe die Bezeichnung 61 bis 696. Diese Leiterstäbe sind im Wickelschema strichpunktiert dargestellt.

Aus dem Wickelschema ist zu ersehen, daß die in sich geschlossenen Spulen z. B. aus den Leiterstäben 61 und c25, 62 und c26, 63 und c27 sowie 64 und c28 usw. bestehen, die jeweils durch getrennte Stirnverbindungen an der Α-Seite sl.25, s2.26 und auf der B-Seite sl.25' und s2.26' untereinander verbunden sind. Diese Spulen sind voneinander unabhängig und bilden zusammen eine vierpolige Kurzschlußwicklung.

An der Mitte der Stirnverbindung auf der A-Seite si.25 ist der zusätzliche, in der Nut oben liegende Leiterstab al3 angeschlossen. Er weist, wie oben ausgeführt, den doppelten Querschnitt auf wie die beiden unteren Leiterstäbe. Sein anderes Ende ist an der B-Seite mit der Stirnverbindung s2.26' der beiden unteren Leiterstäbe 62 und c26 verbunden. Die Verbindung der Stirnverbindungen der übrigen Leiterstäbe erfolgt in analoger Weise.

Bei achtpoliger Schaltung der Ständerwicklung ergib! sich unter der Wirkung des rotierenden Drehfeldes und der Phasenlage der in den einzelnen Leiterstäben induzierten Spannungen dann für die Pole, unter denen die Nuten 1 bis 4, 13 bis 16 und 25 bis 28 liegen, eine Summenspannung, die sich durch Addition der in der folgenden Leiterstäben induzierten Spannungsvektorer ergibt, und aus folgender Schaltung resultiert: AnschluC U Stirnverbindung s85.13', Leiterstab cl3, 585.13, al 586.14', cl4, s86.14, a2, s87.15', cl5, s87.15, a3,588.16', cl6 s88.16, a4, dann weiter über die Schaltverbindung si zum Leiterstab al6 in analoger Weise zur nächster Spulengruppe. Der Leiterstab c25 der letzten Spulen gruppe ist dann über die nächste Schaltverbindung mi dem Anfang der nächsten Spulengruppe verbunden. Die jeweils parallel zu dem Leiterstab cl3, c!4 usw geschalteten Leiterstäbe 685, 686 usw. wurden nich genannt, da diese die Spannung nicht erhöhen, sonderr nur eine Parallelschaltung gleichphasiger Spannungs vektoren darstellen.

Die genannten Spulengruppen sind, wie ober angedeutet, durch Schaltverbindungen mit entsprechen den zu den anderen Polen gehörigen Spulengruppen ir Reihe geschaltet. Zu diesem Zweck ist bei der hiei gewählten Nuten- und Polzahl jeweils der vierte dei oberen zusätzlichen Leiterstäbe mit dem vierten oberei zusätzlichen Leiterstab des nächsten Poles umgekehrte] Polarität an der B-Seite der Maschine verbunden, mi diesen also umgekehrt in Reihe geschaltet Auf diesi Weise ergibt sich, wie oben ausgeführt, eine geschlosse ne Schleifringläuferwicklung, deren eine Enden ai Schleifringe angeschlossen, und deren andere Enden mi den beiden freien Enden der anderen Spulengruppe zi einem Sternpunkt zusammengeschaltet sind.

Bei der in Fig.2 perspektivisch dargestellte! Läuferwicklung sind die Leiterstäbe in der in Fig. angedeuteten Reihenfolge in der Nut angeordnet Di Leiter können aber auch in der in den Fig.4 und angegebenen Weise in der Nut angeordnet sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Drehstrommotor mit einem Ständer, der eine im Verhältnis 1:2 polumschaltbar Ständerwicklung aufweist, und mit einem mit Nuten versehenen gewickelten Läufer, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Läuferwicklung sowohl eine Kurzschlußwicklung für die kleinere Polzahl als auch eine Schleifringwicklung für die größere Polzahl bildet, daß die Kurzschlußwicklung aus einzelnen, in sich geschlossenen, gleichweiten Spulen (z. B. 61, d25; 62, c26) ohne Kurzschlußring besteht, daß zur Bildung der Schleifringwicklung mit der Mitte der A-seitigen Stirnverbindungen der in sich geschlossenen Spulen jeweils ein in der gleichen Nut verlegter, zusätzlicher Leiterstab (z. B. al3, al4,...) in Verbindung steht, der jeweils mit der Mitte der B-scitigen Stirnverbindung der nächsten Spule (z.B. (26; b3, c27;...) verbunden ist, und daß das eine Ende des letzten zusätzlichen Leiters (z. B. a4) einer Spulengruppe mit dem Ende des letzten zusätzlichen Leiters (z. B. alb) der nächsten Spulengruppe auf der gleichen Spulenseite verbunden ist.

2. Elektrischer Drehstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ausführung des elektrischen Drehstrommotors mit mehr als einem Polpaar für die niedrigpolige Wicklung jeweils die Mitte der B-seitigen Stirnverbindung (z. B. 51.25') der ersten Spule (z. B. b\, c25) der zweiten Spulengruppe mit der Mitte der Stirnverbindung (z. B. S13.37') der ersten Spule (z. B. 613, c37) der nächsten Spulengruppe verbunden ist.

3. Elektrischer Drehstrommotor nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in sich geschlossenen Spulen (z. B. b\, c25; 62, c26;...) als Zweischichtwicklung mit unverkürztem oder verkürztem Wicklungsschritt der kleineren Polzahl ausgebildet sind.

4. Elektrischer Drehstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Leiterstab (z. B. al3, al4,...) oberhalb oder unterhalb der Leiterstäbe der in sich geschlossenen Spule in der Nut angeordnet ist.

5. Elektrischer Drehstrommotor nach einem der Ansprüche t bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Leiterstab (z. B. al3, al4,...) einen größeren Querschnitt aufweist als ein Leiterstab (z. B. b\...) einer in sich geschlossenen Spule (z. B. 61, C25;...).

6. Elektrischer Drehstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Leiterstab (z. B. al, a2,...) auf der einen Maschinenseite um eine Nutteilung abgebogen ist.

7. Elektrischer Drehstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstäbe (b. c) der in sich geschlossenen Spulen übereinander (Fig.3) oder nebeneinander (Fig.4 und 5) in der Nut angeordnet sind.

8. Elektrischer Drehstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Leiterstäbe (a, b, ^innerhalb einer Nut als Hohlleiter ausgeführt und von einem gasförmigen oder flüssigen Kühlmittel durchströmt sind.

9. Elektrischer Drehstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils das eine Ende jeder Phase der Schleifringwicklung an einen Schleifring geführt ist, während die anderen Enden aller Phasen zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet sind.

10. Elektrischer Drehstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils das eine Ende jeder Phase der Schleifringwicklung mit einem mitrotierenden Zentrifugalanlasser verbunden ist, während die anderen Enden aller Phasen zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet sind.