DE2261671A1 - Statoranordnung fuer einphaseninduktionsmotor - Google Patents

Description

Ä1C71

/40 Ib / I Dr. Horst Schüler

Patantanwalt

6Frankfurt/Main1
Niddastr. 52

15. Dezember 1972 Vo/cso

2264-3D-HM-4059

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady₅ N.Y. „ U.S.A.

Statoranordnung für Einphaseninduktionsmotor

Die Erfindung bezieht sich auf induktive Vorrichtungen allgemein und insbesondere auf Motoren und Statoranordnungen für Motoren für eine Benutzung in Anwendungsfällen, bei denen -verschiedene wünschenswerte Motorcharakteristiken während des Anlaufens eines Motors zumindest teilweise von den Charakteristiken einer Hilfswicklung erhalten werden.

Einphasige Wechselstrom-lnduktionsmotoren verschiedener Typen enthalten eine Haupt- oder Betriebsfeldwicklung und eine Hilfs- oder Anlauffeldwicklung. Die beiden Wicklungen sind auf einem Statorkern im Winkel verschoben. Bei Erregung der zwei Wicklungen führen die phasenverschobenen'Ströme in den Wicklungen für ein AnIaufmoment des Motors.

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Bei dem einen Typ eines Einphasen-InduktiQnsmotors, der als ein Widerstands-Hilfsphasenmotor bezeichnet wird, ist die Hauptwicklung in Statorkernnuten angeordnet, um eine relativ hohe Induktivität und einen relativ kleinen spezifischen Widerstand aufzuweisen, wogegen die Hilfswicklung in der Weise angeordnet ist, daß sie eine relativ kleine Induktivität und einen relativ großen Widerstand besitzt. Durch Auswahl des Unterschiedes zwischen den Wirkwiderstands/Reaktanzverhältnissen der Haupt- und Hilfswicklungen kann eine gewünschte Phasenverschiebung in den Wicklungsströmen und somit ein Anlaufmoment erhalten werden. Bei diesem Motortyp wird die Hilfswicklung vorzugsweise abgeschaltet, wenn ein vorbestimmter Betriebszustand erreicht ist, beispielsweise, wenn der Motor eine vorbestimmte Drehzahl erreicht.

In vielen Fällen wird die Abschaltung der Hilfswicklung durch Steuermittel in Form eines Zentrif ugalscfialtmechanismus herbeigeführt» der von der erreichten Drehzahl des Motors direkt abhängig ist. In anderen Fällen werden andere Mittel verwendet. Beispielsweise ist es bei hermetisch abgeschlossenen Motorapplikationen wünschenswert, solche Steuermittel anzuwenden» die außerhalb der hermetisch abgedichteten Motorkammer angeordnet sind.

Ein spezieller Typ von Steuermitteln für die Hilfswicklung, der bisher benutzt wurde, enthielt ein kommerziell verfügbares stromabhängiges Relais, wobei die Relaisspule mit der Hauptfeldwicklung in Reihe geschaltet ist und die normalerweise offenen Kontakte des Relais mit der Hilfwicklung in Reihe geschaltet sind. Im Betrieb speist der Hauptwicklungsstrom während eines Anfangsintervalles die Relaisspule und die Relaiskontakte schließen sich, wodurch die Anlaufwicklung erregt wird. Wenn anschließend die Motordrehzahl vom Stillstand aus zunimmt, fällt der Hauptwicklungsstrom ab und die Relaiskontakte öffnen sich. Somit wird die Hilfswicklung abgeschaltet, wenn der Hauptwicklungsstrom auf einen vorbestimmten Relaisabfallstrom abfällt. Dies geschieht wün-

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schenswerterweise bei einer vorbestimmten ,Drehzahl, die im allgemeinen mit etwa 3.200 ü/min. bei einem zweipoligen Motor gewählt wird, der von einer Spanmuigsquelle mit einer Frequenz von 60 Hz gespeist ist.

Für eine gegebene Hauptwicklungsanordnung muß mit Sorgfalt sichergestellt werdeK_B daß die Kontakte von einem gegebenen Heiais schließen, wenn des* Rotoranlauf strom der Hauptwicklung durch die Relaisspule fließt. Feraer muß sichergestellt seinj, daß der Haupt= Wicklungsstrom (und der Eelaisspulenstrom) nur dann um einen ausreichenden Betrag absinkt, damit das Relais abfällt, d.h. daß sich seine Kontakte öffnen, wenn der Motor auf eine vorgewählte Drehzahl beschleunigt worden ist. Somit ist es erstrebenswert, daß der Relaisabfall nur nach einer genügend langen Zeit erfolgt, damit die vorgewählte Drehzahl erreicht werden kann. Zusätzlich ist es für eine gegebene Hauptwicklungsanordnung und ein Stromrelais wünschenswert,.daß der Hauptwicklungsstrom bei einer gegebenen Drehzahl während des Anlaufens eine Funktion (unter anderem) der Reaktanz der Hilfswicklung ist. Relaischarakteristiken sind auch in der US-Patentschrift 3 633 507 beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Patentschrift wird durch diese Bezugnahme auch in die Offenbarung der vorliegenden Erfindung einbezogen.

Ein Faktor, der bei der Gesamtgestaltung eines Widerstands-Hilfsphasenmotors beachtet werden muß, der zusammen mit einem Anlaufrelais verwendet werden soll, ist das Abfallmoment des Motors, d.h. das Drehmoment, das von dem Motor zur Zeit des Reiaisabfalls abgegeben wird. Das Abfallmoment ist ebenfalls eine Funktion der Wirkwiderstands/Reaktanz-Verhältnisse der Haupt- und Hilfswicklungen. Es wurde festgestellt, daß der Hauptwicklungsstrom eines Widerstands-Hilfsphasenmotors im allgemeinen einen wünschenswerten Relaisbetrieb bewirkt, wenn der Widerstand der wirksamen Anlaufwindungen groß ist relativ zum Widerstand der wirksamen Windungen der Hauptwicklung. Bei einer speziellen Hauptwicklungs-

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anordnung tritt deshalb ein wünschenswerter Relaisbetrieb normalerweise dann auf, wenn der Widerstand des Stromkreises der Anlaufwicklung relativ hoch ist. Obwohl jedoch relaitv hohe Wicklungswiderstände für den Relaisbetrieb wünschenswert sind, so sind derartige große Widerstände aus anderen Gründen unerwünscht.

Beispielsweise können relativ große Wicklungswiderstände zu relativ hohen Temperaturanstiegen in der Anlaufwicklung führen. Obwohl große Temperaturanstiege ganz allgemein von Nachteil sind, sind sie besonders nachteilig bei solchen Applikationen, bei denen der zulässige Temperaturanstieg einer Motorwicklung relativ klein sein sollte. Eine Art für eine derartige Applikation sind diejenigen, wo die Wicklung in einem geschlossenen Behälter eingeschlossen sein würde, beispielsweise in einer hermetisch abgedichteten Umhüllung.

Es ist bekannt, daß der Temperaturanstieg einer Motorwicklung u.a. eine Funktion der Stromdichte in den Motorwicklungslextern ist. Somit wird deutlich, daß für ein gegebenes Leitermaterial und einen gegebenen Wicklungsstrom eine gewünschte Vergrößerung des Wicklungswiderstandes gewöhnlich nicht dadurch erreicht werden kann, daß einfach der Durchmesser des Wicklungsmaterials verkleinert wird, da damit eine unerwünschte Temperaturerhöhung der Wicklung verbunden wäre, die aus der erhöhten Stromdichte in den Wicklungsleitern resultieren würde.

Eine weitere Beziehung, die bei der Betrachtung der Temperaturerhöhung einer Motorwicklung berücksichtigt werden sollte, ist der spezifische Widerstand, das spezif. Gewicht und die spezifische Wärme des Wicklungsmaterials in Anbetracht der Tatsache, daß die Temperaturerhöhung oder die Geschwindigkeit eines derartigen Anstieges eines Leiters im allgemeinen proportional ist zum Produkt des Stromdichtequadrates multipliziert mit dem spezifischen Wider-

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stand, dividiert durch das Produkt des spezifischen Gewichtes und der spezifischen Wärme des Leiters. Der Temperaturanstieg der Wicklung ist selbstverständlich für sich selbst wichtig, oder wenn ein Motorbenutzer einen maximalen Temperaturanstieg oder die Geschwindigkeit des Temperaturanstieges spezifiziert, die für einen solchen Verbraucher annehmbar sind. Der Temperaturanstieg kann jedoch auch wegen der Erhöhung des Wicklungswiderstandes wichtig sein, den man normalerweise als mit einer Erhöhung der Wicklungstemperatur verbunden erwartet, und wegen der entsprechenden Verkleinerung des Anlaufmomentes, die ihrerseits aus dem vergrößerten Anlaufwicklungswiderstand in Widerstands-Hilfsphasenmotoren resultiert.

In der frühen Entwicklung der Motortechnik einschließlich der Technik hermetisch abgeschlossener Motoren waren sowohl die Hauptais auch die Hilfswicklung aus Kupferdraht hergestellt. Jedoch würde insbesondere b.ei hermetisch abgeschlossenen Motorteilen eine Anlaufwicklung mit einer gewünschten Windungszahl, die aus Kupferdraht mit einem genügend kleinen Durchmesser hergestellt sind, um für einen gewünschten Widerstand für einen vorteilhaften Relaisbetrieb zu sorgen, zu einem übermäßigen Temperaturanstieg in der Wicklung geführt haben. Aus diesem Grunde wurden mit der Anlaufwicklung in Reihe -geschaltete externe Widerstände verwendet, um für einen gewünschten Widerstand des AnlaufStromkreises zu sorgen, während die Anlaufwicklung per se aus Kupferleitern mit ausreichender Größe gebildet wurde, so daß die Wicklungsstromdichte und der Temperaturanstieg keine zulässigen Werte überschreiten würde. Beispielsweise spezifizieren einige Motorbenutzer, daß die Stromdichte 10.000 oder 12.000 A/cm² (25.000 oder 30.000 A/Zoll ) des Leiters und eine maximale Temperatüranstiegsgeschwindigkeit etwa 7°C (13°F) pro Sekunde nicht überschreiten sollten. Andererseits können andere Benutzer Stromdichten von 20.000 oder 24.000 A/cm² (50.000 oder 60.000 A/Zoll²) für annehmbar halten„

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Später wurden, um die Außenwiderstände zu eliminieren, Versuche gemacht, Phosphorbronzedraht als AnlaufWicklungsleiter zu verwenden. Theoretisch könnten ein spezifischer Widerstand und ein spezifisches Gewicht von Phosphorbronzematerialien erhalten werden, so daß ein gewünschter hoher Wicklungskreiswiderstand ohne externen Widerstand erhalten werden könnte und die Stromdichten der Anlaufwicklung und der Temperaturanstieg innerhalb annehmbarer Grenzen bleiben würden. Beispielsweise würde Phosphorbronze mit einem Kupfergewichtsgehalt von etwa 98,75 % Kupfer und einem Zinngewichtsgehalt von etwa 1,25 % eine Leitfähigkeit von etwa 44 % von derjenigen kommerzieller elektrischer Kupferleiter, ein

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spezifisches Gewicht von etwa 8,SO g/cm (0,321 lbs/Zoll ) und eine spezifische Wärme bei etwa 25°C von etwa 0,09 cal/°C/g (170,9 joules/°C/lb) haben.

Verständlicherweise würde jedoch die Verwendung von Phosphorbronzedraht wegen der Kosten dieses Materials wesentlich zu den Kosten eines Motors beitragen. Beispielsweise würde ein Kilogramm der Legierung etwa 0,99 kg Kupfer enthalten. Zusätzlich ändert sich der spezifische Widerstand von 1,25 %-Phosphörbronzedraht bekanntlich in einem solchen Maße von Partie zu Partie, daß es notwendig sein würde, den Drahtdurchmesser von Partie zu Partie zu verändern, um einen Draht zu erhalten, der einen gewünschten oder spezifizierten Widerstand pro Einheit Drahtlänge aufweist.

Verständlicherweise würde die Notwendigkeit, einen unterschiedlichen Drahtdurchmesser für jede Drahtpartie festzulegen, der von dem spezifischen Widerstand des Materials abhängt, in der Praxis teuer sein. Darüber hinaus würden Änderungen in der Drahtgröße von einer Partie zur anderen für Motorenhersteller lästig sein, die Motoren so auslegen, daß die Kernnuten einen gewünschten Wicklungsraumfaktor haben, und die Geräte zur Herstellung und Hand· habung von Wicklungen verwenden, deren zufriedenstellender Einsatz unter gegebenen Bedingungen bei einem einzigen, voraussagbaren

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Drahtdurchmesser vorteilhafter -wäre. .

Aus diesen und anderen Gründen ist in der Praxis in großem Umfang eine "tote" (backlash) Wicklung anstelle von Phosphorbronze verwendet worden. Die zunächst entwickelte allgemeine Lösung der "toten" Wicklung wird noch heute benutzt.

Zur Erläuterung sei gesagt, daß eine tote Wicklung einen im wesentlichen kontinuierlich variablen Wicklungswiderstand für eine gegebene Anzahl wirksamer Windungen liefert. In der Praxis beinhaltet die tote Wicklung, daß eine gewünschte Anzahl induktiver Windungen gewickelt wird und dann eine zusätzliche oder überschüssige Wicklungslänge hinzugefügt wird, um einen gesamten Wicklungswiderstand zu bilden, der für eine bestimmte Motorgestaltung gewünscht wird.

Mit anderen Worten wird Draht mit einem genügen^ großen Durchmesser, um überhöhte Stromdichten und einen zu großen Temperaturanstieg zu vermeiden, in einer ausreichenden Länge verwendet, um für den gewünschten Widerstand zu sorgen. Die Drahtlänge, die über diejenige hinausgeht, di<§ für die gewünschte Anzahl induktiver Windungen gebraucht wird, wir« in einen Totwicklungsabschnitt untergebracht. Der Totwicklungsabschnitt enthält eine gleiche Anzahl in der einen Richtung und in Gegenrichtung gewickelter Windungen, wobei die Induktivität der in Gegenrichtung gewickelten Windungen die Induktivität der in Vorwärtsrichtung gewickelten Windungen aufhebt.

Die Lösung der toten Wicklung hat zwar Mittel geschaffen, um für viele Jahre einen gewünschten Wicklungswiderstand und eine gewünschte Temperaturanstiegscharakteristik für die Wicklung zu erreichen. Diese Lösung ist aber in der Praxis teuer gewesen, da diese Drahtlängen aus Wicklungsmaterial allein für den Zweck vorgesehen sind, den gesamten Wicklungswiderstand zu vergrößern. Die-

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se Extrawindungen tragen ansonsten in keiner Weise zur Motorleistung bei. Die "Totwicklungs"technik erhöht somit merklich die Gesamtkosten eines Motors.

Wenn darüber hinaus die Totwicklungsspulen manuell angeordnet werden, muß eine Fertigungsperson sicher sein, die Hälfte der Windungen in umgekehrter Richtung in dem Totwicklungsabschnitt anzuordnen. Wenn andererseits eine Wickelmaschine programmiert ist, die Vorwärts- und Rückwärtswindungen zu wickeln, muß die Maschine zu einem Halt kommen, nachdem alle Vorwärtswindungen gewickelt sind, dann muß sie die Richtungen umkehren und schließlich die umgekehrt angeordneten Windungen in dem Totwicklungsabschnitt wikkeln. Dies ist ebenfalls kostspielig wegen der mitder komplexeren Wicklungsausrüstung verbundenen Kosten und dem Aufwand für die besondere Maschine und Arbeitszeit, die erforderlich ist, um das Wickelgerät zu stoppen und die Wicklungsrichtung umzukehren. Somit wird deutlich, daß es erstrebenswert sein würde, die Anzahl der toten Windungen zu reduzieren, wenn nicht sogar zu eliminieren, die bisher für eine gegebene Wicklungsanordnung in vielen gegebenen Motorgestaltungen für erforderlich gehalten wurden.

Aufgrund wirtschaftlicher Überlegungen, beispielsweise der relativen Kosten von Kupfer gegenüber Wicklungsmaterialien aus Aluminium, wird erwartet, daß der Ersatz von Aluminiummagnetdraht für Kupfermagnetdraht sowohl für die Haupt- als auch die Hilfswicklung in zunehmendem Maße erstrebenswert werden wird. Jedoch beträgt der spezifische Widerstand von Aluminium etwa 2,828 Mikroohm-cm bei 20 C im Vergleich zu 1,724 für Kupfer. Somit muß etwa 1,6 mal mehr Volumen Aluminiumdraht pro Einheitslänge verwendet werden, um den gleichen Wicklungswiderstand zu erhalten, der mit einer Einheitslänge aus Kupferdraht erhalten werden würde. Somit muß für Einheitslängen aus Kupfer- und Aluminiumdraht, die jeweils einen gegebenen Widerstand haben sollen, die Querschnittsfläche des Aluminiumdrahtes 1,6 mal größer sein, als die Quer-

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schnittsfläche des Kupferdrahtes. Es wird ,deshalb deutlich, daß insbesondere für Motorgestaltungen mit Aluminiumwicklungen die Windungen in einem "Totwicklungsabschnitt" (der nicht zur Betriebsleistung eines Motors beiträgt) einen Raum einnehmen würde, der anderenfalls zur Aufnahme von Windungen benutzt werden könnte, die zur Betriebsleistung des Motors beitragen könnten.

Aber selbst wenn den bekannten Lehren gefolgt wird, ist es nicht möglich, viele Motoren mit Kupfer auf Wicklungsgestaltungen aus Aluminium umzustellen. Wenigstens ein Teil dieses Problems beruht auf dem Erfordernis von toten Windungen aus Aluminium in derartigen Ausführungen. Somit ist es wenigstens bei einigen Ausführungsformen, bei denen Hauptwicklungen aus Aluminium verwendet, worden sind, trotzdem¹ erforderlich gewesen, Anlauf Wicklungsspulen aus· Kupfer anstelle von Aluminium zu verwenden, da kein Raum oder Volumen für die Magnetkernnuten zur Verfügung steht. Beispielsweise wurden in einem.eine Aluminium-Hauptwicklung aufweisenden Motor, der untersucht worden ist, eine Kupfer-Anlaufwicklung mit insgesamt 208 Windungen verwendet, und von den 208 Windungen waren 68 Windungen bzw. mehr als 32 % der Gesamtwindungszahl die vorwärts und rückwärts gewickelten Windungen eines Totwicklungsabschnittes. Unter der Annahme, daß die Windungszahl in dem Totwicklungsabschnitt reduziert oder eliminiert werden könnte, könnte der Windungsnutraum, der dann zur Verfügung gestellt würde, wünschenswerterweise dazu verwendet werden, das vergrößerte Volu-r men an Aluminiumleitern aufzunehmen und somit zu Einsparungen führen, da das Wicklungsmaterial verändert wird und weil die mit den Totwicklungsabschnitten verbundenen Herstellungskosten reduziert oder eliminiert werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht somit hervor, daß es ganz allgemein wünschenswert sein würde, Motorwicklungsanordnungen für verschiedene Motorteilkonstruktionen zu schaffen, in denen die Windungszahl in einem Totwicklungsabschnitt eines gewickelten Statorkernes reduziert, wenn nicht sogar eliminiert wird.

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Zusätzlich würde es erstrebenswert sein, neue und verbesserte Anordnungen für Widerstands-HiLfsphasenmotorteile zu schaffen, bei denen die Anzahl der toten Windungen, die bei Verwendung von Anlaufwicklungen aus Kupfer fUr eine gewünschte !Betriebsleistung erforderlich sind, reduziert, wenn nicht sogar eliminiert werden, während trotzdem ein nomineller AnlaufWicklungswiderstand und eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit beibehalten werden, so daß die mit den reduzierten oder eliminierten toten Windungen verbundenen Einsparungen ohne Einbuße oder Verminderung der Motorbetriebsleistung realisiert werden können.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält eine Statoranordnung für einen zweipoligen Widerstands-Hilfsphaseninduktionsmotor einen Stator, der aus einem Magnetkern mit zahlreichen an einem Ende geschlossenen Nuten zur Aufnahme der Wicklung gebildet ist. In diesen Nuten sind Haupt- und Hilfswicklungen angeordnet. Die Hauptwicklung umfaßt zwei Abschnitte, die jeweils einen Hauptpol bilden. Jeder Hauptwicklungsabschnitt umfaßt zahlreiche Spulen mit zunehmend größer werdendem Wickelschritt. Die Spulen weisen Spulenseiten auf, die ein unterschiedliches Nutenpaar belegen. Die als Beispiel angegebene Hilfswicklung ist eine Anlaufwicklung, die ebenfalls zwei Abschnitte umfaßt, welche zwei zu den Hauptpolen winkelverschobene Pole bilden. Jeder Anlaufwicklungsabschnitt enthält eine Vielzahl von Spulen mit zunehmend größer werdendem Wickelschritt, und die Spulenseiten nehmen jeweils ein unterschiedliches Nutpaar ein. In dem dargestellten AusfUhrungsbeispiel ist die Hilfswicklung eine Anlaufwicklung, die aus einem Material hergestellt ist, das die gleiche Leistungsfähigkeit wie eine Anlaufwicklung aus Kupfer mit einem toten Abschnitt erreicht und trotzdem aus weniger, falls überhaupt welche vorhanden sind, toten Windungen gebildet ist im Vergleich zu einer derartigen Kupferwicklungsanordnung. In einem bevorzugten AusfUhrungsbeispiel hat die Anlaufwicklung eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 29 % IACS (InternationaIAinealed

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Copper Standard), eine Dichte von etwa 2,6 g/cm und eine spezifische Wärme bei 25°C von etwa 0,2 cal/g°C. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anlaufwicklung eine Nicht-Kupfer-Basis· legierung, in der das Hauptlegierungsmaterial oder die Materiali-. en, in Gewichts-% der Legierung, einen ausreichend großen Gewichts· Prozentsatz der Legierung bilden, damit normale Herstellungs- und Verarbeitungsabweichungen, die Änderungen in der Menge dieses Legierungsmaterials oder der Materialien bewirken, nichtdestoweniger die wirtschaftliche Herstellung einer Legierung mit einem voraussagbaren spezifischen Widerstand auf einen Nominalwert gestattet. In einer bevorzugten Aluminium-Basislegierung als Wicklungsmaterial bildet das legierende Hauptmaterial oder der Bestandteil zwischen 4 und 6 (beispielsweise 4,5 bis 5,6) Gewichts- % der Legierung.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen verschiedener Ausf ührungsbeispJ "¹Ie näher erläutert.

Fig. 1 ist eine teilweise schematische Ansicht und zeigt eine typische Statoranordnung für einen zweiphasigen W^derstandshilfsphasen-Wechselstrominduktionsmotor und dient der Beschreibung -bekannter Anordnungen und erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung und zeigt die elektrischen Verbindungen der Haupt- und Anlaufwicklungen der in Fig. 1 dargestellten Statoranordnung und zeigt ferner in einer gestrichelten Umrandung eine Anordnung von toten Windungen, die bisher bekannt waren und verwendet wurden.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung und stellt eine Anlauf- : momentkurve für einen zweipoligen Widerstands-Hilfsphasen-

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motor dar, der Hauptwicklungen aus Aluminium und Anlaufwicklungen aus Kupfer mit Totwicklungsabschnitten auf» weist. ,

Fig. 4 ist eine Anlaufmomentkurve des in Fig. 3 gezeigten allgemeinen Typs, die aber für einen die vorliegende Erfindung verkörpernden Motor gilt.

In Fig. 1 ist eine Statoranordnung für einen zweipoligen Widerstandshilfsphasen-Wechselstrominduktionsmotor gezeigt. Die insgesamt mit IO bezeichnete Statoranordnung umfaßt einen Statorkern 11, der aus einer Vielzahl gestapelter, relativ dünner Lamellen oder Bleche aus magnetischem Material gebildet ist. Der Kernteil 11 weist einen Jochabschnitt 12 mit zahlreichen Zähnen 13 auf, die sich von dem Jochabschnitt radial nach innen eretrecken, um dazwischen Wicklungsnuten 14 zu bilden. Die Innenenden 15 der Zähne 13 bilden zusammen eine Bohrung 16, die einen nicht gezeigten üblichen Käfigläufer aufnimmt. In dem dargestellten Beispiel sind die Zähne 13 in der Weise gezeigt, daß sie im gleichen Abstand angeordnet sind und 24 gleich beabstandete und ähnliche Wicklungsnuten 14 begrenzen. Selbstverständlich ist die Erfindung aber auch bei Kernen mit Lamellen bzw. Blechen ausführbar, die je nach Wunsch sogenannte abgestufte Nuten oder abgestufte Zähne oder nicht-radiale Zähne oder andere Nutkonfigurationen aufweisen. . ' : :■ , '

Eine Haupt- oder Betriebsfeldwicklung ist in gewissen, vorbestimmten Nuten 14 angeordnet, um auf diese Weise zwei diametral gegenüberliegende Hauptpole zu bilden, die auf der durch die gestrichelte Linie 17 gezeigten Achse ausgerichtet sind. Die Hauptwicklung ist in zwei Abschnitte 18a und 18b unterteilt, die jeweils einen der Hauptpole bilden. In der Anordnung 10 umfaßt jeder der Haiiptwicklungsabschnitte 18a, 18b fünf konzentrische Spulen mit zunehmend vergrößertem Wickelschritt, die auf entsprechende Weise

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mit IL," ML, M₃, M₄, M_p bezeichnet sind. Wie in Fig¹. 2 gezeigt ist, sind die Hauptwicklungsabschnitte 18a und 18b parallel geschaltet. In bestimmten Applikationen können die Hauptwicklungsabschnitte jedoch auch in Reihe geschaltet werden.

Wenn nun der Hauptwicklungsabschnitt 18a betrachtet wird, so nehmen die Seiten der den kleinsten Wickelschritt aufweisenden Spule M₁ auf entsprechende Weise ein Nutenpaar 14-2 auf entgegengesetzten Seiten der Achse 17 ein, wobei die Nuten 14-1 dazwischen angeordnet sind. Die Seiten der Hauptwicklungsspulen M₂, M₃, M₄ und M₁- nehmen auf entsprechende Weise Nutenpaare 14-3, 14-4, 14-5 und 14-6 ein. Die Seiten der Hauptwicklungsspulen M₁ bis M_ sind auf entsprechende Weise an den Unterseiten oder geschlossenen Enden der Nutpaare 14-1 bis 14-6 angeordnet. Die Hauptwicklungsspulen M₁ bis M₁. des anderen Hauptwicklungsabschnittes 18b sind in ähnlicher Weise in entsprechenden Nuten 14 angeordnet, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

Eine Hilfs- oder Anlauffeldwicklung ist in ähnlicher Weise in gewissen vorbestimmten Nuten 14 angeordnet und bildet zwei diametral gegenüberliegende Hilfs- oder Anlaufpole, die auf einer Achse (die gegenüber der Achse 17 um 90° oder einen anderen Winkel winkelverschoben ist) ausgerichtet sind, die durch die gestrichelte Linie 19 dargestellt ist. Die Anlaufwicklung ist in zwei in Reihe geschaltete Abschnitte 20a, 20b, unterteilt, die auf entsprechende Weise die diametral gegenüberliegenden Hilfs- oder Anlaufpole ■ bilden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt jeder der Anlaufwicklungsabschnitte 20a, 20b vier konzentrische Spulen mit zunehmend vergrößertem Wickelschritt, die auf entsprechende Weise mit S₁, S₂, S₃ und S₄ bezeichnet sind.

Von dem Anlaufwicklungsabschnitt 20a teilen sich die Seiten der Spule S₁ das Nutenpaar 14-4 auf entgegengesetzten Seiten der Achse 19 mit den Seiten der Spule M₃ der Hauptwicklungsabschnitte

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oder -teile 18a, 18b. Die Seiten der Spule S 'teilen sich die Nuten 14-3 mit den Seiten der Spulen VL· und die Seiten der Spulen S, teilen sich die Nuten 14-2 mit den Seiten der Spulen M₁. Die Seiten der den größten Wickelschritt aufweisenden Spule S₄ sind die alleinigen Beleger des Nutenpaares 14-1, und die Seiten der Spulen S-, S_ und S₃ sind in entsprechender Weise über den entsprechenden Seiten der Spulen M₃, M_ und M₁ gewickelt oder über diesen angeordnet. Die Anlaufwicklungsspulen S. bis S₄ des anderen Anlaufwicklungsabschnittes 20b sind in ähnlicher Weise in entsprechenden Nuten 14 auf der entgegengesetzten Seite des Statorkernes 11 angeordnet, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

Die Seiten der Spulen M₁, M₃ und M₃ der Hauptwicklungsabschnitte 18a, 18b, die sich die Nuten mit den Seiten der Anlaufwicklungsspulen S₃, S₂ und S₁ teilen, sind vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, zurückgepreßt, um die Aufnahme der Spulenseiten der Anlaufwicklung zu erleichtern. Insbesondere wenn die Hauptwicklungen aus Aluminiumdraht gebildet sind, kann es wünschenswert sein, die Hauptwicklung vor der Anordnung der Anlaufwicklung zu kompaktieren bzw. zusammenzudrängen.

In Fig. 2 sind die Enden 22 der Hauptwicklungsabschnitte 18a, 18b als mit einer Außenklemme 23 verbunden gezeigt, wobei eine Spule 24 eines Stromrelais 25 mit dieser in Reihe geschaltet ist. Die Enden 26 der Hauptwicklungsabschnitte 18a, 18b sind in der Weise dargestellt, daß sie zusammen an einer gemeinsamen Verbindung mit einem Leiter 27 und einem Ende 32 des AnIaUfWicklungsabschnittes 20b verbunden sind. Diese gemeinsame Verbindung ist häufig nicht zugänglich oder verborgen, und der gemeinsame Leiter kann dann dazu verwendet werden, um für Mittel zur Herstellung der gemeinsamen Verbindung zu sorgen. Das Ende 28 des Anlaufwicklungsabschnittes 20a ist mit einer Außenklemme 29 verbunden, die damit in Reihe geschaltete Kontaktstücke 30 eines Relais 25 aufweist.

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Auch wenn Fig. 2 diese Tatsache nicht klar darstellt, so ist es bei der bekannten Praxis gelegentlich notwendig, eine tote Wicklung (backlash winding) in verschiedenen Nuten zu verteilen, d.h. zwei oder mehrere Spulen (beispielsweise die Spulen S„ und S₄ in Fig. 2) so anzuordnen oder zu wickeln, daß jede einige vorwärts und rückwärts gewickelte Windungen eines Totwicklungsabschnittes aufweist. Dies wird beispielsweise dann durchgeführt, wenn eine so große Anzahl von toten Windungen erforderlich ist, daß die äußersten Spulennuten rein räumlich nicht alle toten Windungen aufnehmen können.

In einem bekannten zweipoligen Widerstandshilfsphasen-Wechselstrom induktionsmotor, der eine Hauptwicklung aufweist, die aus Aluminiumdraht mit 0,96 mm (0,0380 Zoll) Durchmesser und einer Güte für elektrische Leiter sowie einen Widerstand von etwa 3,22 Ohm pro Pol oder Abschnitt gebildet ist, wurde die Anlaufwicklung aus einem Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,457 mm (0,0179 Zoll) und einem Widerstand von 12,6461 Ohm gebildet. Die Spulen M₁, M_, M₃, ML und M(- von jedem Wicklungsabschnitt oder Pol 18a, 18b hatten 34,50,50,68 bzw. 68 Windungen für eine Gesamtzahl von 270 Windungen^pro Pol oder Abschnitt. Jede der Spulen S-, S„ und S₃ von jedem AnlaufWicklungsabschnitt 20a, 20b wies 21,30 bzw. 34 Windungen auf, und die Spulen S. von-jedem Anlaufwicklungsabschnitt 20a, 20b hatten 67 vorwärts gewickelte Windungen und 39 rückwärts gewickelte Windungen für eine Gesamtzahl von 106 Windungen in jeder Spule S₄. Die gesamte Windungszahl pro Anlauf wick*· lungsabschnitt betrug somit 191 Windungen. Von den 106 Windungen in jeder Spule S₄ waren 78 Windungen, d,h. 39 vorwärts gewickelte plus 39 rückwärts gewickelte Windungen, tote Windungen, so daß 28 effektive Windungen in der Spule S₄ übrig blieben. Somit waren etwa 40 % von jeweils 191 Anlaufwindungen tote Windungen.

Das zur Herstellung der Statoranordnung für diesen Motor verwendete Material betrug etwa 0,31 kg (0,777 lbs) Aluminiumdraht der

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Güte für elektrische Leiter in der Hauptwicklung und die Leiterlänge betrug etwa 84 m (276 feet) pro Hauptpol; ferner wog der Kupferdraht in der Hilfs- oder Anlaufwicklung etwa 0,175 kg (0,385 lbs) und die Leiterlänge betrug etwa 59 m (192 feet) pro Pol. Der Widerstand betrug etwa 12,6 Ohm. Der Hauptwicklungswiderstand pro Pol lag bei etwa 3,22 Ohm.

Diese Statoranordnung lieferte, wenn sie in einen Motor eingebaut und getestet wurde, eine Kurve oder einen Verlauf des Anlaufmomentes, der in Fig. 3 dargestellt ist. Wenn eine Zeit von 3 Sekunden nach Beginn der Versuche als ein Bezugspunkt verwendet wird, betrug das maximale Anlaufmoment etwa 9,5 emfcg (11,0 ounce feet), das minimale Anlaufmoment etwa 7,25 cmkg (8,4 ounce feet), so daß das durchschnittliche Anlaufmoment etwa 8^4 cmkg betrug. Die Steigung bzw. der Abfall der Linien A-I und A-2, die an den Verlauf A in Fig. 3 gelegt sind, zeigen an, daß der Abfall im Anlauf moment aufgrund .von Erwärmung etwa 0,173 cmkg (0,2 ounce feet) pro Sekunde betrug. Der Verlauf A (und desgleichen der Verlauf B, der im folgenden anhand von Fig. 4 beschrieben wird) wurde durch ein Versuchsverfahren gewonnen, das einen Versuchsrotor und ein Paar Versuchslager verwendet, die den Rotor für eine Rotation in der Bohrung der getesteten Statoranordnung lagerten.

Die Wicklungen der zu untersuchenden Statoranordnung wurden dann mit einer üblichen Wechselspannungsquelle von nominell 110 V verbunden. Der Rotor war jedoch daran gehindert, frei zu rotieren, da er verständlicherweise über einen LeBow Festkörper-Drehmomentwandler mit dem Ausgang eines 400 : 1 Getriebeuntersetzungsmotors verbunden wurde, der eine Ausgangsdrehzahl von 8,8 U/min aufwies. Im Wesentlichen lagen die einzigen Kriterien, die die Auswahl des Getriebeuntersetzungsmotors betrafen, darin, daß er ein ausreichendes Drehmoment aufweist, um den Versuchsrotor so festzuhalten, daß der Versuchsrotor mit einer im wesentlichen konstanten Drehzahl von 8,8 U/min gedreht wird.

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Die Ausgangsgröße des Drehmqmentwandlers, die einen veränderlichen Widerstand darstellte, wurde dann in üblicher Weise verstärkt , um eine zeitveränderliche Ausgangsgleichspannung zu liefern, die sich somit veränderte, wenn sich das Ausgangsmoment des Rotors während jeder Umdrehung (etwa 6,82 Sekunden pro Umdrehung) änderte. Aufgrund der kleinen Drehzahl des Rotors wurde dessen Ausgangsmoment verständlicherweise als dessen Anlaufmoment abgenommen.

Die zeitveränderliche Ausgangsgleichspannung wird dann auf einem Oszillographen visuell sichtbar gemacht und auf einem Oszillogramm aufgezeichnet, das einen Verlauf des Drehmomentes über der Zeit darstellt. Die in dieser Weise hergestellten Verläufe wurden dann für die Figuren 3 und 4 benutzt. Es wurden die gleichen Versuchsverfahren und -bedingungen befolgt,. Ferner wurde das gleiche Rotor- und Lagersystem verwendet, um die Motoren zu testen, für die die Kurvenpunkte der Figuren 3 und 4 erhalten wurden.

Es .wurde eine die Erfindung verkörpernde verbesserte Statoranordnung hergestellt und in einen verbesserten Motor eingebaut, der im Versuch eine Kurve oder einen Verlauf B des Anlaufmomentes zeigte, der in Fig. 4 gezeigt ist. Bevor der Verlauf B im einzelnen betrachtet wird, sollen zunächst die Wicklungsanordnungen für diese Statoranor-dnung und die darin verwendeten Materialien beschrieben werden. Diese zweite verbesserte Statoranordnung wurde ebenfalls als ein zweipoliger Widerstandshilfsphasen-Wechselstromstator gewickelt und wurde so ausgelegt» daß er so genau wie möglich die gleichen Betriebs- und AnlaufCharakteristiken (d.h. Lei-' stungsfähigkeit) aufwies, wie der zuvor beschriebene Stator. Demzufolge wurde die gleiche Kernlamellengestaltung und die gleiche Schichthöhe, d.h. 4,45 cm (1 3/4 Zoll) verwendet. Die Bohrung betrug etwa 6,05 cm (2 3/8 Zoll),

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Die Hauptwicklung wurde aus Aluminiumdrah.t elektrischer Güte mit einem Durchmesser von 0,962 mm (0,0380 Zoll) gebildet. Es sei bemerkt, daß die Leitfähigkeit von Aluminiumdraht elektrischer Güte bekanntlich etwa 62 % der Leitfähigkeit des International Annealed Copper Standard beträgt. Somit wird Aluminium elektrischer GUte gewöhnlich so bezeichnet, daß es eine Leitfähigkeit von 62 % IACS oder eine relative elektrische Leitfähigkeit, d.h. im Verhältnis zu Kupfer, von 0,62 aufweist.

Die Hauptwicklungsspulen in jedem Pol oder Abschnitt 18a_f 18b wurden so gebildet, daß die Spulen M₁, M₃₁M₃, M. und M₁. jeweils 28,43,57,67 bzw. 70 Windungen für eine Gesamtzahl von 265 Windungen hatten. Es wurden etwa 0,35 kg (0,774 lbs) Aluminiumdraht elektrischer Güte mit einer Leiterlänge von etwa 84 Meter (275 feet) pro Hauptpol und ein Widerstand von etwa 3,21 Ohm pro Pol verwendet.

Die Anlauf- oder Hilfswicklung wurde jedoch aus einem Material hergestellt, das derart im voraus ausgewählt wurde, daß es eine elektrische Leitfähigkeit in bezug auf den International Annealed Copper Standard von etwa 0,40 oder weniger aufweist und «ine im folgenden mit "charakteristisches Verhältnis ¹B* " bezeichnete Eigenschaft, mit einem unten beschriebenen Wert besitzt, wobei "R" durch die Gleichung definiert 1st:

R -

In der obigen, das Verhältnis "R" definierenden Gleichung ist Ϋ der spezifische elektrische Widerstand des Materials bei 2O⁰C, ausgedrückt in Mikroohm-cm. Weiterhin ist d das spezifische Gewicht bei 20 C in Gramm pro cm (g/cm ) und C ist dl· spezifische Wärm« bei 25°C dos gewählten Materials und 1st In CGS-EIn-

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heiten in cal/g°C ausgedrückt. ,

Beispielsweise würde ein elektrischer Kupferleiter, wie er in der Anlaufwicklung des vorher beschriebenen Motors verwendet ist, ein spezifisches Gewicht von etwa 8,9 g/cm , einen spezifischen

ß
Widerstand von etwa 1,72 χ IO Ohm-cm oder 1,72 Mikroohm-cm und eine spezifische Wärme von etwa 0,092 cal/g°C aufweisen, so daß das "charakteristische Verhältnis" oder "R'* für ein derartiges Kupfermaterial etwa 2,2 betragen würde. Die Dimensionseinheiten für "R" können auf einfache Weise aus der vorstehenden Gleichung mit Mikroohm ⁰C cm /cal bestimmt werden; hierauf wird nicht weiter eingegangen. Es sei weiterhin bemerkt, daß Aluminium der Güte für elektrische Leiter einen R-Wert von etwa 5 besitzen würde, wenn der spezifische Widerstand, die spezifische Wärme und das spezifische Gewicht in den oben genannten Einheiten etwa 2,75, 0,2 bzw. 2,6 betragen würden. Im allgemeinen wird es wünschenswert sein, im voraus ein AnlaufWicklungsmaterial mit einer Leitfähigkeit von etwa 40 % IACS oder weniger und mit derartigen physikalischen und elektrischen Eigenschaften auszuwählen, daß das charakteristische Verhält als» E für das Material größer als etwa 6 oder 7 ist, beispielsweise 6,5. Es sei bemerkt, daß wenigstens ein Material (Kupfer-plattierter Stahl oder Kupfer-überzogener Stahl) mit einem R-Wert von eivrs 6_}8 ia einig©» induktiven Geräte^appiikationen mit Vorteil benutzt werden könat©«

Im folgenden werden zusätzliche Materialien speziell aufgeführt, die die gewünschten Eigenschaften haben. Zu Darstellungszwecken wurde aber ein Aluminiumlegierungsmaterial ausgewählt, für das R mit etwa 10,6 berechnet wurde. Das gewählte Leitermaterial, das im folgenden noch näher beschrieben wird, hatte eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 29 % IACS bei 20°C. Eine kommerzielle Bezugsquelle für ein Aluminiumlegierungsmaterial, das diese erwünschten Eigenschaften aufweist, ist die Aluminium Company of America» Dieses Material wird von der Company vertrieben und

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wird üblicherweise für Nieten und Reißverschlüsse verwendet und ist relativ "federnd".

Dieses Material wurde als Draht mit einem Durchmesser von 0,684 nun (0,0269 Zoll), isoliert mit Magnetdrahtlack oder Emaille in der üblichen Weise erhalten und wurde zur Bildung der Anlaufwicklung der verbesserten Statoranordnung verwendet. Demzufolge wurden die AnlaufWicklungsabschnitte 20a, 20b aus Aluminiumlegierungsdraht mit einem Durchmesser von 0,684 mm hergestellt. Die Spulen S-, S„ und S„ von jedem Anlaufwicklungsabschnitt 20a, 20b hatten 21, 21, bzw. 33 Windungen. Dagegen hatten die Spulen S₄ von jedem Anlaufwicklungsabschnitt 20a, 20b jeweils 42 vorwärts gewickelte und 6 rückwärts gewickelte Windungen für eine Gesamtzahl von 48 Windungen (12 tote und 36 wirksame), so daß sich pro Wicklung insgesamt 123 Windungen ergaben. Im Vergleich zu dem eingangs beschriebenen Motor wurde eine überraschende Verkleinerung der toten Windungen erreicht, da weniger als 10 % der^:< 'Anlaufwindungen'' tote Windungen sind.

Etwa 0,076 kg (0,167 lbs) des 5056-LegierungsmateriaIs wurde in dieser Anlaufwicklung mit einer Leiterlänge pro Ahlaufabschnitt oder Pol von etwa 36 tn (118 feet) und einem Widerstand Von etwa 12,4 0hm verwendet. Sehr überraschend und unerwartet zeigte dieser verbesserte Motor verbesserte Anlaufmoment-Charakteristiken, die sich aus dem Verlauf oder der Kurve B in Fig. 4 ergeben.

Beispielsweise betrug in bezug auf die Werte für die Kurve B nach 3 Sekunden das maximale Rotoranlaufmoment wiederum 9,5 cmkg (11 ounce feet), aber das minimale Moment wurde auf 8,3 cmkg (9,6 ounce feet) und das mittlere Moment auf 8,55 cmkg (10,3 ounce feet) erhöht und der Drehmomentabfäll aufgrund von Erwärmung wurde ebenfalls verbessert und betrug nur etwa 0,0938 cmkg (0,13 : ounce feet) pro Sekunde. Der Abfall im Drehmoment ist selbstver-

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ständlich wichtig, denn wenn ein Rotor für einen Widerstands-Hilfsphasenmotor sich nicht bewegt, wenn der Motor das erste Mal erregt wird (wenn beispielsweise der Rotor "festgehalten""ist oder "stillsteht"), nimmt das Rotoranlaufmoment unerwünschterweise laufend ab, wie es durch die Kurven A und B gezeigt ist. Der Abfall des Drehmomentes für die Kurve B wurde aus der Steigung der Linien B-I undB-2 bestimmt, die in bekannter Weise an die Kurve B angepaßt wurden.

Der Vollständigkeit halber werden einige der veröffentlichten Eigenschaften und Charakteristiken für die 5056-Legierung und andere Legierungen mit relativen Leitfähigkeiten und Charakteristiken innerhalb der oben angegebenen bevorzugten Bereiche im folgenden in Tabellenform dargestellt; Aus diesem gleichen Grund werden veröffentlichte Daten, die den Materialgehalt von jeder der tabellierten Legierungen allgemein beschreiben, ebenfalls in Tabellenform dargestellt.

Zur Klarstellung der hier verwendeten Terminologie sei weiterhin bemerkt, daß, wenn hier der Begriff "relativer spezifischer Widerstand" verwendet wird, dieser Begriff den Kehrwert der relativen Leitfähigkeit meint. Weiterhin sei für eine einfache Umwandlung der Dimensionseinheiten bemerkt, daß eine spezifische Wärme von etwa 0,22 cal/g ⁰C etwa äquivalent ist mit 410 Joule/ Ib ⁰C oder 0,905 Joule/g ⁰C.

Aus den unten angegebenen Tabellen geht hervor, daß das spezifi-' sehe Gewicht und die spezifische Wärme der tabellierten Legierungen im allgemeinen vergleichbar sind mit den Charakteristiken von Aluminium der Güte für elektrische Leiter. Es wird deshalb verständlich, daß da die gewählte Legierung einen relativ hohen relativen spezifischen Widerstand von 345 % IACS (d.h. 1/0,29 IACS) aufweist, im Vergleich zu Aluminium der Güte füijelektrische Leiter, das einen relativen spezifischen Widerstand von etwa

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1/0,62 IACS oder 162 % IACS aufweist, Legierungsdraht mit einem größeren Durchmesser und somit einer größeren Querschnittsfläche verwendet wird im Vergleich zum Aluminiumdraht. Somit würde für einen gegebenen Strom die Stromdichte in der Legierung kleiner sein als in dem Aluminium für einen spezifizierten oder gegebenen Temperaturanstieg. Deshalb kann in einer Anlaufwicklung im Vergleich zu einem Aluminiumleiter elektrischer Güte ein Draht mit größerem Durchmesser und deshalb ein im allgemeinen stärkerer Draht verwendet werden. Dies kann seinerseits zu verschiedenen Herstellungsvorteilen führen, was im folgenden noch genauer beschrieben wird.

In der folgenden Tabelle I sind u.a. einige der Eigenschaften von Aluminium-Basislegierungen angegeben, auf die vorstehend bereits eingegangen wurde und die mit den Legierungszahlen 2219, 5056, 5083, 5356 und 5456 in dem Alcoa Aluminium Handbook bezeichnet sind, das von der Aluminium Co. of America in den Jahren 1959, 1962 und 1967 veröffentlicht wurde. Es ist selbstverständlich zu berücksichtigen, daß irgendein gewähltes Material, sei es nun auf der Basis von Aluminium, Kupfer, Stahl, Wolfram, Silber etc., zu relativ dünnem Draht gezogen werden muß.

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*	Dichte	(d)bei20°C	- 23 -	I	Spezifische Wärme (C ) bei 25°CP cal/g 0C
	g/cm	Ib/cu in	TABELLE	Elektrische Leitfähigkeit bei 200C % IAGS	0,207
Legierung	2,832	0,1023	Schmelz bereich, etwa 0C	28	0,216
2219	2,642	0,0954	543-643	29	0,214
5056	2,660	0,0961	568-638	29	0,216
5083	2,643	0,0955	580-640	29	0,215
5356	2,652	0,0958	571-638	29
5456 .		568-638

Gemäß der oben angegebenen Alcoa-Veröffentlichung haben diese Legierungen weiterhin-nominelle chemische Zusammensetzungen, die in der folgenden Tabelle II zusammengestellt sind.

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- 24 TABELLE II

Legierung	% Si	% Fe	% Cu	% Mn	% Mg	% Cr	% Zn	% Ti	% andere
2219	0,20	0,30	5,8	0,20	0,02		0,10	0,02	0,15
			bis	bis				bis
			6,8	0,40				0,10
5056	0,30	0,40	0,10	0,05	4,5	0,05	0,10		0,15
				bis	bis	bis
				0,20	5,6	0,20
5083	0,40	0,40	0,10	0,30	4,0	0,05	0,25	0,15	0,15
				bis	bis	bis
				1,0	4,9	0,25
5356	0,50Si		0,10	0,05	4,5	0,05	0,10	0,06	0,15
	plus			bis	bis	bis		bis
	Fe	•		0,20	5,5	0,20		0,20
5456	0,40 Si		0,10	0,50	4,7	0,05	0,25	0,20	0,15
	plus			bis	bis	bis
	Fe			1,0	5,5	0,20

In Tabelle II oben sind nur die Legierungsmaterialien aufgelistet. Verständlicherweise bildet Aluminium die Differenz oder den Rest jeder aufgelisteten Legierung, und "andere" stellen Verunreinigungen (auf einer Gewichtsprozentbasis) oder nicht analysierte Materialien dar.

Es sei daran erinnert, daß der Motor mit den durch die Kurve B gezeigten Charakteristiken nach 3 Sekunden eine Vergrößerung im minimalen Drehmoment von etwa 15 %, eine Vergrößerung im durchschnittlichen Drehmoment von etwa 5 % und eine wünschenswerte 36 %-ige Verminderung des Drehmomentabfalles aufgrund von Erwärmung zeigte. Dieser Motor zeigte weiterhin etwas überraschend ein

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verkleinertes Schwingungsloch der dritten. Harmonischen in der Drehzahl/Drehmomentkurve im Vergleich zu dem Motor, von dem die Daten der Kurve A erhalten wurden.

Ein weiteres wünschenswertes Merkmal des Legierungsmaterials, das in dem oben beschriebenen Beispiel verwendet wurde, besteht darin, daß Erwartet werden kann, daß sein Widerstand sich mit 90 %-iger Wahrscheinlichkeit nicht mehr als etwa 3 % von Partie zu Partie bei gleichem Drahtdurchmesser ändert. Es würde somit nicht erforderlich sein, den Drahtdurchmesser von Partie zu Partie zu verändern, um für einen Draht mit einem gewünschten Gesamtwiderstand pro Einheitsdrahtlänge zu sorgen. Es wird angenommen, daß dieses wünschenswerte Merkmal hauptsächlich darauf beruht, daß die legierenden Bestandteile (d.h. Nicht-Aluminium-Bestandteile) etwa 4 % oder mehr der Gesamtlegierung auf einer Gewichtsbasis betrugen und deshalb wahrscheinlich einfacher steuerbar sind.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei Verwendung von vorgewähltem Hilfswicklungsmaterial, wie es oben angegeben wurde, tote Windungen vollständig eliminiert werden können, sowohl bei neuen als auch bei wenigstens einigen bestehenden Motorausführungen, d.h. Motoren mit einer spezifizierten Wicklungsanordnung.

Beispielsweise hatte ein bestehender zweipoliger Widerstands-Hilfsphaseninduktionsmotor eine Hauptwicklung aus' üluminiumdraht elektrischer Güte mit einem Durchmesser von 0,906 mm (0,0359 Zoll) und 0,255 kg (0,563 lbs) Leitermaterial war in 257 Windungen pro ' Pol mit einem Widerstand von 5,78 Ohm pro Pol angeordnet. Die Spulen. M^, M₂, M₃, M₄ und M₁. von jedem Hauptwicklungsabschnitt oder Pol hatten 38,43,51,63 bzw. 62 Windungen. Es wurde eine Anlaufwicklung aus Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,455 mm (0,0179 Zoll) verwendet und 0,16 kg (0,352 lbs) Leitermaterial war in 208 Windungen pro Pol mit einem Widerstand von 11,5 Ohm angeordnet.

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Die Spulen S\, S₂ und S3 hatten 22,38 bzw·. 54 Windungen. Die Spule S. in jedem Pol war mit insgesamt 94 Windungen versehen. Von diesen waren 60 Windungen vorwärts und 34 Windungen rückwärts gewickelt. Somit hatte die Spule S₄ 26 effektive Windungen und 68 tote (backlash) Windungen.

Zu Vergleichszwecken wurde dann eine Statoranordnung für einen ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verkörpernden Motor gebaut, um ähnliche Betriebscharakteristiken wie die des oben beschriebenen Motors und, außer den unerwarteterweise verbesserten Charakteristiken, wie sie oben in Verbindung mit Fig.4 beschrieben wurden, ähnliche AnlaufCharakteristiken zu erhalten, um auf diese Weise für die gewünschten Anlauf relais-Charakter ist iken zu sorgen.

Die so gestaltete Statoranordnung verwendete Aluminiumdraht elektrischer Güte mit einem Durchmesser von 0,906 mm (0,0359 Zoll) für die Hauptwicklung mit 256 Windungen und ein Leitergesamtgewicht von etwa 0,255 kg (0,563 lbs). Der Widerstand der Hauptwicklung betrug 5,78 Ohm. Die Anlaufwicklung wurde aus Draht der 5056-Aluminiumlegierung mit einem Durchmesser von 0,68 mm (0,0269 Zoll) mit 139 Windungen pro Pol, einem Leitergewicht von etwa 0,071 kg (0,156 lbs) und einem Widerstand von etwa 11,6 Ohm hergestellt. Die Spulen M-, M₂, M₃, M₄ und M- von jedem Hauptwicklungsabschnitt hatten 37,41,53,63 bzw. 62 Windungen. Die Spulen S₁, S₂, S₃ und S. von jedem Anlaufwicklungsabschnitt hatten 24,34,39 bzw. 42 Windungen für eine Gesamtzahl von 139 Windungen pro Pol oder Abschnitt. Keine dieser Windungen wurde als tote (backlash) Windungen verwendet.

Bei einem Vergleich der Materialien, die in den zwei oben beschriebenen Statoranordnungen verwendet wurden, wird deutlich, daß die Anwendung der vorliegenden Erfindung zu äußerst großen Ersparnissen, sowohl was die Menge des verwendeten Materials als auch die

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Arten des verwendeten Materials anbetrifft, und desgleichen zu verbesserten Wicklungsanordnungen führen kann.

Weitere Vorteile, die aus der Anwendung von Leitermaterial für die Anlaufwicklungen resultieren, die anders sind als Kupferoder Aluminiumdraht elektrischer Güte, bestanden darin, daß ein derartiges Leitermaterial einen relativ/ spezifischen Widerstand besitzt. Die sehr wesentliche Verminderung der Anzahl toter Windungen (oder deren vollständige Beseitigung) sorgt für eine Verminderung der intern induzierten AnlaufWicklungsspannung. Diese Verminderung ist im Mittel mit etwa 65 % geschätzt worden. Da weiterhin der Durchmesser des einen relativ hohen spezifischen Widerstand aufweisendes Drahtes größer ist als derjenige eines Leiterdrahtes elektrischer Güte, der für den gleichen"Gesamtwiderstand in einer gegebenen Motorausführung sorgen würde, würde der Draht aus dem vorgewählten Material Beanspruchungen während der Herstellung besser widerstehen, die einen Draht mit kleinerem Durchmesser brechen könnten. Weiterhin kann nun ein Draht mit relativ hohem spezifischem Widerstand gewählt werden, um eine größere Zugfestigkeit pro Durchmesserstufe zu haben als bisher. Im Falle der Legierung, die in dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet wurde, kann angenommen werden, daß die Zugfestigkeit 3100 bis etwa 3650 kg/cm (44 000 bis 52 000 psi) beträgt. Diese erhöhte Festigkeit gestattet, daß das Material mit relativ hohen Geschwindigkeiten auf automatischen Maschinen gewickelt wird und trotzdem den Beanspruchungen widersteht, die mit dem Einsatz derartiger Maschinen verbunden sind.

Es sei bemerkt, daß Materialien, die für eine Verwendung besonders attraktiv sind, solche sind, die Legierungen von allgemein bekannten, leitenden Materialien sind, wie z.B. Kupfer und Aluminium. Dies liegt hauptsächlich daran, daß diese leitenden Materialien relativ wirtschaftlich kommerziell verfügbar sind. Es

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könnten jedoch auch andere Materialien, wie z.B. Kupfer-plattierter Stahl, gewählt werden. Aufgrund von Untersuchungen, die bei verschiedenen bestehenden Motorausführungen durchgeführt wurden, welche übliche Anlaufwicklungen mit Totwicklungsabschnitten verwenden, würde das tatsächlich ausgewählte Material vorzugsweise eine relative Leitfähigkeit für solche Ausführungsforraen von weniger als etwa 40 % IACS und wünschenswerterweise von etwa 18 % bis etwa 34 % IACS haben. Auch wenn eine relative Leitfähigkeit von mehr als etwa 40 % IACS für einige Applikationen wünschenswert sein kann, so sei doch darauf hingewiesen, daß wenigstens dann, wenn ein Aluminiumlegierungsmaterial verwendet wird, die relative Leitfähigkeit kleiner als die von Aluminium elektrischer Güte sein würde, d.h. kleiner als etwa 60 % IACS.

Das charakteristische Verhältnis R würde vorzugsweise größer sein als die oben angegebene vorbestimmte Zahl. Beispielsweise wurde gefunden, daß Materialien mit einem R-Wert von 15 oder mehr und die ferner die anderen Auswahlkriterien erfüllen, die oben angegeben wurden, mit Vorteil verwendet werden können.

Auch wenn der spezifische Widerstand in der oben angegebenen Berechnung des Verhältnisses R für gewählte Materialien verwendet wird, so kann es passieren, daß die veröffentlichten oder gegebenen Daten in bezug auf ein interessierendes Material in Leitfähigkeitsgrößen oder in Leitfähigkeitsgrößen relativ zu Kupfer bei 20⁰C ausgedrückt sind. In diesem F-IIe wird der Hinweis hilfreich sein, daß der spezifische Widerstand dadurch ermittelt werden kann, daß der bekannte Wert für die Leitfähigkeit bei etwa 20°C des Materiaisjrelativ zu IACS (in Dezimalform ausgedrückt) dividiert wird zu 1,72 Mikroohra-cm. Wenn weiterhin die Leitfähigkeit in Ohm pro cm ausgedrückt ist, ist der spezifische Widerstand (in Ohm-cm) der Kehrwert der Leitfähigkeit und kann dann auf einfache Weise als Mikroohm-cm ausgedrückt werden, um das

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oben angegebene R-Verhältnis zu ermitteln.

Auch wenn die vorliegende Erfindung in Verbindung mit speziellen Ausführungsbeispielen von Statoranordnungen für Einphasenmotoren beschrieben wurde, die eine erste oder Haupt- und eine zweite oder Hilfswicklung aufweisen, können die Polachsen der Wicklungen im rechten Winkel oder nicht im rechten Winkel verschoben sein. Somit wird deutlich, daß die Erfindung und die dadurch erreichbaren Vorteile auch in andere Typen dynamoelektrischer Maschinen oder Einrichtungen inkorporiert werden können, die andere Wicklungsanordnungen und unterschiedliche Polzahlen aufweisen, welche eine oder mehrere Spulengruppen mit einer oder mehreren Spulen von wenigstens jeweils einer Windung umfassen. Weiterhin hatten zwar alle tatsächlich gebauten Statoranordnungen,, wie sie vorstehend beschrieben wurden, eine Bohrung mit einem Durchmesser von etwa 6 cm (2,4 Zoll) und der Kern hatte einen Äußendurchmesser von etwa 12 - 12,4 cm < 4 3/4 - 4 7/8 Zoll); selbstverständlich können aber die erf indungsgemäßen. Anordnungen irgendeine gewählte Größe besitzen«,

Weiterhin ist zwar die Erfindung zu Darstellungszwecken anhand von induktiven Vorrichtungen in der Form von Statoranordnungen für Induktionsmotoren (beispielsweise gewickelte Statorkerne) beschrieben worden und es wurde zwar auch auf ein spezielles gewähltes Material aus dem gleichen Grunde Bezug genommen. Trotzdem sei, jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Erfindung mit großem Nutzen auch in Verbindung mit verschiedenen induktiven Vorrichtungen benutzt werden kann, beispielsweise bei wärme-, empfindlichen Relais. Weiterhin können auch verschiedene Materialien verwendet werden, die nach den vorstehend angegebenen Lehren ausgewählt werden.

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Claims (1)

1. Patents nsprüche

   Statoranordnung für eine dynamoelektrische Maschine mit einem lameliierten Magnetkern, der Spulen aufnehmende Bereiche und zahlreiche in diesen angeordnete Windungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Windungen aus einem gewählten Wicklungsmaterial gebildet sind, das ein charakteristisches Verhältnis R grosser als etwa 6,5 aufweist, wobei R durch die Beziehung

   1 definiert ist, worin j der spezifische elek-

   Cp d c die spezifische Wärme in

   trische Widerstand in Mikrooiim-cmycal/g⁰C und d das spezifi-

   3
   sehe Gewicht in g/cm des gewählten Wicklungsmaterials ist.

   2, Statüranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens einige der zahlreichen Windungen zur Bildung erster Polachsen angeordnet sind und andere der zahlreichen Windungen zur Bildung anderer Polachsen angeordnet sind, die gegenüber den ersten Polachsen winkelverschoben sind, und daß das gewählte Wicklungsmaterial eine Legierung aus Aluminium ist.

   3. Statoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das gewählte Wicklungsmaterial e^inen gegebenen Durchmesser aufweist und die Zugfestigkeit des gewählten Wicklungsmaterials größer ist als die Zugfestigkeit eines Leiters, der aus Aluminium elektrischer Güte und mit dem gleichen gegebenen Durchmesser hergestellt ist.

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   4. Statoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß erste und zweite Wicklungen
   vorgesehen sind, die jeweils zahlreiche Spulen mit wenigstens einer Windung umfassen, und das gewählte Wicklungsmaterial

   eine Aluminiumlegierung ist, die ein legierendes Metall ent-

   das
   hält,/wenigstens etwa 4 Gew.-% der Legierung bildet.

   5. Statoranordnung nach Anspruch 1, ■ dadurch gekennzeichnet , daß das gewählte Wicklungsmaterial ein Draht aus Aluminiumlegierung mit einer nominellen elektrischen Leitfähigkeit von etwa 18 % bis etwa 40 % IACS ist.

   6. Statoranordnung nach Anspruch 5, dadurch ge~

   kennzeichnet , daß das gewählte Wicklungsmaterial eine elektrische .Leitfähigkeit von weniger als etwa 40 % IACS aufweist und wenigstens etwa 4 Gew.-% Magnesium enthält.

   7. Stator anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Wicklungen die Hilfs- und Hauptwicklungen sind, die für eine Parallelschaltung angeordnet sind, die Wirkwiderstands-Reaktanz-Verhältnisse der Hilfs- und Hauptwicklungen derart gewählt sind, daß phasenverschobene Wicklungsströme in den Hilfs- und
   Hauptwicklungen während einer gemeinsamen Erregung derselben erzeugbar sind, und die Hilfswindungen aus Aluminiumlegierung in jedem Hilfswicklungspol einen elektrischen Wirkwiderstand solcher Größe bilden, daß die erforderlichen Hilfswicklüngswindungen, die in einem Hilfspol in einer subtrahierenden
   magnetischen Relation relativ zu den anderen Hilfswicklungen auf dem gleichen Hilfspol angeordnet sind, verminderbar sind.

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