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Kurzschlußläufermotor für niedrige Einschaltdauer Die Erfindung betrifft
einen Kurzschlußläufermotor für niedrige Einschaltdauer, insbesondere zur Ausnutzung
der bei niedrigerer Einschaltdauer höher möglichen Entnahme leistungen mit einem
feststehenden, eine Wechselstrom- oder Drehstromwicklung tragenden Ständerblechpaket
und in seinem zylindrischen Innenraum drehbar angeordneten mit einer Kurzschlußwicklung
versehenen Läufer.
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Für diesen Anwendungszweck ist es erforderlich, bei einem gegebenen
Motor-Bauvolumen und einer gegebenen Pol zahl einen Höchstwert an magnetischer Feldstärke
im Luftspalt zu erreichen, jedoch dies bei noch einigermaßen vernünftigen elektrischen
Werten betreffend Wirkungsgrad und Beistungsfaktor, womit letztlich infolge günstiger
Wärme bilanz eine möglichst hone Leistungssteigerung bei geringer Einschaltdauer,Cgemeint
sind ED-Werte unterhalb 15% ED,) erzielt werden kann.
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Motoren dieser Art mit erhöhter Leistung bei niedriger Einschaltdauer
sind in der Elektromotorenbautechnik bekannt. So läßt sich im allgemeinen problemlos
die Abgabeleistung zwischen 100% ED bis nerab zu 15% ED etwa um den Faktor 1,5 steigern,
indem der Motor lediglich in seiner Ständerwicklung geeignete andere Wickelwerte
erhält. Eine Steigerung bis auf etwa den 2-fachen Beistungswert bei 15% ED setzt
jedoch bereits einen eigens hierfür entworfenen Blechschnitt voraus, der relativ
eisenhaltig sein muß. Wird ein derartig ausgelegter Motor statt mit 15% ED nur noch
mit 5% betrieben, so ist eine Steigerung über den 2-fachen Wert nicht mehr möglich,
obwohl thermisch genügend Reserve vorhanden wäre. Die Unmöglichkeit einer weiteren
Steigerung wird durch die magnetische Grenzausnutzung bewirkt, die im Eisen bei
ca. 20 kG ihr Ende findet und wovon letztlich das erzielbare Motordrehmoment abhängt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei unter 15% ED liegenden
Einschaltdauern eine weitere Leistungssteigerung zu ermöglichen unter Beibehaltung
von noch erträglichen elektrischen WertenO Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst? indem der durch die normalerweise vorhandene Läufernutung begrenzte magnetische
Fluß durch eine geeignete Läuferausführung vermieden wird, eine höchstmögliche Flußsteigerung
durch den Läufer also angestrebt wird. Dieses höchste Maß ist dann gegeben, wenn
der Läufer keine Nutung hat, also die gleiche Durchgangsfläche wie der Luftspalt
besitzt, wobei die Statorzähne so ausgebildet sind, daß ihre Gesamtzahl
denselben
Querschnitt wie die Luftspaltfläche ozw, die ungenutete Rotoroberfläche aufweist.
Wie einzusenen ist, liede sich dann eine Statorwicklung noch unterbringen, da zwischen
den Zahnflanken dreieckförmige Nutenöffnungen bleiben. Eine Läuferwicklung im bekannten
Sinne läßt sich allerdings nun nicht menr einlegen, da der Läufer ungenutet sein
muß. Die erforderliche Läuferwicklung wird erfindungsgemäß einfach in der Form eines
dünnen elektrisch leitfänigen Zylindermantels um den Läufer angeordnet und an diesem
befestigt, wobei durch Verwendung eines geeigneten Leitermaterials,(z.B. Kupfer,)
die sich zwangläufig ergebende Luftspaltvergrößerung möglichst klein gehalten wird.
Theoretisch ist damit im Luftspalt die gleiche maximale Feldståie möglich wie im
Eisenkreis, nämlich ca. 20 kG. Praktisch werden jedoch nur 16 kG ausgenutzt, da
einerseits Nutschlitze zum Aufnehmen der Stator-Träufelwicklung den theoretischen
maximalen Eisenquerschnitt um rund 10% herabsetzen und um andererseits die wegen
des vergrößerten Luftspaltes erseusteBlindleistungsaufnahme nicht zusätzlich durch
zu hoch gesättigte Eisenwege noch weiter heraufzusetzen.
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Wegen der hohen Motorleistung, die bei 16 kG ca. viermal höher als
die normale, der betraffenden Baugröße zugeordneten Leistung ist, muß dafür gesorgt
werden, daß das in der Zylindermantelwicklung entstehende Drehmoment sicher in die
Motorwelle eingeleitet wird.
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Zu diesem Zweck ist der Läufer in mehrere zylindrische Einzelläufer
unterteilt, auf denen an den Rändern umgefalzte Zylindermäntel aus beispielsweise
Kupfer sitzen, wobei diese Einzelläufer mittels Druckbolzen und Druckplatten zu
einem Geaamtläufer zusammenge schraubt werden. Das Drehmoment wird nun rutschsicher
aus den Zylindermänteln über die zwischen den Einzelläufern eingeschlossenen Falzen
in die Einzelläufer und von da in die Welle geleitet. Eine Drehmomentableitung über
die Zylinderfläche zwischen Zylinderwicklungsmantel und eisernem Einstück-Läufer
ist absichtlich nicht verwendet, der Wärmeausdehnungskoeffizient der Zylindermantelwicklung
einen sicheren festen Sitz auf der Läuferzylinderfläche verhindert. An den unter
Druck stehenden Falzstellen wird außerdem die Wärme des nur eine geringe Wärmekapazität
aufweisenden Zylindermantels zusätzlich gut abgeleitet.
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Diese Falzstellen bzw. die durch sie notwendigen achsiale Zwischenräume
im Läuferbereich machen nur 5% der gesamten Läuferlänge aus, was insofern bedeutungslos
ist, da im Stator, wie weiter oben beschrieben, sowieso 10% weniger Eisenquerschnitt
zur Verwendung gelangen. Um eine möglichst hohe elektrische Beitfähigseit
über
den ges?mer Zylindermantel zu erreicnen, sind die Falzflächen untereinanper verlötet
und auf die beiden Läuferendfalze sind Kurzschlußringverstärkungen aufgelötet.
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Die mögliche Leistungssteigerung gegenüber einem mit 100% betriebenen
Normalmotor, (dessen Feldstärke im Luftspalt ca. 8 kG ist,) beträgt nun wegen der
möglichen Luftspaltfeldstärke von 16 kG etwa das 4-fache bei einer entsprechend
niedrigen Einschaltdauer, z.B. bei 5% ED. Dagegen kann ein Normalmotor, auch bei
eigens dafür konstruiertem Blechschnitt, nicht über 11 bis 12 kG Feldstärie gebracht
werden, wobei dort nur 2-fache Leistungssteigerung möglich wird,(leistung in erster
Linie vom Quadrat der Luftspaltfeldstärke abhängig).
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Der mit dieser Erfindung erzielte Vorteil liegt vor allem darin, daß
bei anzutreibenden Geräten sehr geringer Einschaltdauer bei jedoch vergleichsweise
hoher Leistung und hierbei oftmals begrenztem Einbauraum der antreibende Motor klein
gehalten werden kann.
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weiterhin ist von Vorteil, daß ein derart ausgeführter nNotor,trotz
seiner hohen Feldstärke,wegen fehlender Rotornutung und relativ großem Luftspalt
äußerst geringe Anlauf-u. Laufgeräusche aufweist.
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Ein gemäß vorliegender Beschreibung ausgeführtes Beispiel eines Drehstroinkurzschlußläufermotors
niederer Einschaltdauer, IEC-Baugröße 100,für 5% ED, bei Leistungssteigerung von
3 auf 12 kW für Drehstrom 50 Hz mit vierpoliger Wicklung, ist in der Zeichnung im
Maßstab 1:1 angegeben bei einem Durchmesser des Stators von 160 mm und einer Gesamtlänge
von 120 mm Es zeigen: Fig.1 Querschnitt durch vierpoligen Drehstrommotor der Baugröße
100 in bekannter Ausführung, 3 kW Dauerleistung und 6 kW mögliche maximale Kurzzeitleistung.
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Fig.2 Querschnitt durch vierpoligen Drehstrommotor der Baugröße 100
in erfindungsgemäßer Ausführung, für 12 kW Kurzzeitleistung bei 5% ED.
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Fig,3 Längsschnitt durch vierpoligen Drehstrommotor der Baugröße
100 in erfindungsgemäßer Ausführung, für 12 kW Kurzzeitleistung bei 5% ED.
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Fig.4 leerlaufstromkennlinien der beiden Motorausführungen gemäß
Fig.1 und Fig.2 g.1 gibt eine bekannte Motorausführung der vierpoligen Baugröße
1 an, deren Durchmesser mit 160 mm bei einer Baulänge von 120 mm bei 100% ED drei
kW abgibt. Nutzahlverhältnis ist 24 Stator-zu 22 Läufernuten, Kupferwicklung im
Stator und Aluminium-Druckgußwicklung
im Läufer. Jie Ereitetausdehnung
der Läufernuten bestimmt die maximal mögliche breite der Läuferzähne, deren Gesamtheit
diejenige Eisenbreite ergibt, die gegenüber dem Luftspaltumfang mit magnetflußleitendem
Material beaufschlagt ist. Im Beispiel ist der Luftspaltumfang 88 mm mal 3,14 =
275 mm, die Läufereisenbreite ist 22 Zähne mal 7 mm = 154 mm, die Eisenbeaufschlagung
damit 154/275 mpl 100% = 56% . Bei einer Luftspaltfeldstärke von ca.
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welches die bei 3 kW Entnahme übliche Größe ist, beträgt die Eisenfeldstärke
dann 8 kG mal 100/56 = 14,4 kG. Bei kleinerer Einschaltdauer kann nun die Feldstärke
höchstens auf 20 kG im Eisen heraufgesetzt werden, wobei die Leistungsentnahme im
Quadrat der Feldstärken steigt, hier also, da die Feldstärkensteigerung etwa 1,4
ist, steigt die Leistung um das 2-fache an, also 6 kW. Selbst bei noch kleineren
Einschaltdauern ist eine weitere Leistungssteigerung einfach nicht mehr möglich,
da die ca. 20 kG Eisenfeldstärke die Grenze bilden.
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Fig.2 gibt nun die erfindungsgemäße Motorausführung an, hier ebenfalls
als Beispiel für die 4-polige Baugröße 100 , womit, speziell für einen kleineren
Einschaltdauerbereich unterhalb 15% ED, eine weitere Motorleistungssteigerung bei
noch vernünftiger Charakteristik erzielbar ist. Der Läufer hat keine Nuten mehr,
die Läuferwicklung ist als ca. 1 mm starker Kupferzylinder um das Läufereisen angeordnet,
wodurch eine Eisenbeaufschlagung vom Läufer her mit 100% gegeben ist. 3gegenüber
nur 56% Fe bei Fig.1 würden die bei Fig.1 erzielten 6 kW nunmehr theoretisch in
einem weiteren quadratischen Verhältnis auf (100%/56%)2 = 3,2-fach, also auf 6 kW
mal 3,2 = 19,2 kW steigen können. Da jedoch im Stator eine Vernutung zur Aufnahme
der Statorwicklumg nötig ist, kann die Summe der 24 Stator-zähnebreiten nicht 100%
des Läuferumfangs sein, denn einerseits muß die Jochbreite berücksichtigt -werden,
andererseits müssen Nutöffnungen zur Wicklungsaufnahme vorhanden sein und die Nuten
selbst dürfen nicht extrem klein sein. Schließlich ist auch auf den, infolge der
als Zylindermantel ausgebildeten Läuferwicklung (3), vergrößert erscheinenden Luftspalt
Rücksicht zu nehmen, dessen Feldstärke eine recht beachtliche Leerlauferregung verlangt
und damit die Mindestnutengröße der Statornuten bestimmt. Damit wird die Eisenbeaufschlagung
vom Stator her nur, entsprechend 2+ Zähne zu 9,2 mm Breite, 8096 und bestimmt die
maximale Luftspaltfeldstärke. Diese beträgt, wenn die Statorzähne 20 kG haben, 80°S
hiervon, das sind dann 16 kG Buftspaltfeldstärke. Somit ist der
endgültige
Beistam;sarlstieg gegenüber Fig.1 wegen der Steigerung der BuftspaltSeldstä- ke
von 8 kG (bei 3 kW), auf 16 kG quadratisch abhängig, d.h., die Leistung steigt auf
12 kW. Trotz dieser hohen Feldstärke und des großen Luftspaltes von ca. 1,25 mm,(Zylindermantel
1 mm plus o,25 mm echten Luftspalt,) beträgt die Blindleistungsaufnahme des Luftspaltbereiches
nur 13 kVA, was bei 380 Volt und 50 Hz Drehstrom ca. 20 A Leerlaufstrom entspricht.Hierzu
kommen noch bei etwa 15 kW Aufnahme,( 3 kW Verluste und 12 kW Abgabe,) 23 A Wirkstrom,
was zusammen rd. 30 A Nennstrom ergibt, ein Wert, der in einem noch erträglichen
Verhältnis zu den 12 kW Abgabeleistung steht. Der Schlupf ist allerdings, bedingt
durch die relativ geringe aktive Läuferwicklung, größer als üblich, so beträgt die
Nenndrehzahl des Motorbeispiels 1300 U/min, während normalerweise bei dieser Baugröße
bei 3 kW 1400 U/min erreicht werden. Das ist jedoch für den erreichten Zweck, nämlich
bei 5% ED aus diesem kleinen Bauvolumen eine vierfach höhere Leistung zu beziehen,
zu vernachlässigen.
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Fig.3 läßt im Längsschnitt den LäuSeraufbau erkennen, der hier aus
vier Teilen (2a) mit darauf gesetzten Zylindermantelwicklungen (3a) besteht, die
in die Falzen (4) auslaufen. A4ien beiden Läuferenden sind Kurzschlußringverstärkungen
(5) aufgelötet. Innerhalb der Falzenanpreßbereiche (4) sind die Falzen (4) ebenfalls
verlötet.
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Um die Kraftableitung des von den Zylindermantelwicklungen (3a) erzeugten
Drehmomentes über die Falzen (4) in die Läuferzylinder (2a) zu sichern, ist der
gesamte Läufer (2) mit sinen Läuferteilen (2a) durch die Schraubenbolzen (6) und
Druckscheiben (7) verschraubti Die Befestgung des gesamten Läufers auf der Welle
(8) erfolgt in üblicher Weise durch Keilnut oder aufschrumpfen. Die Läuferteile
(2a) sind vorzugsweise aus Eisen oder Stahl, können aber auch aus den aus der Statorbohrung
ausgestanzten Blechen aufgebaut sein.
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Fig.4 gibt die unterschiedlichen Magnetisierungskennlinen der Motorausführung
gemäß bekanntem System der Fig.1 im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Ausführung
nach Fig.2 an. Während bei der Kennlinse (zu Fig.1) bei 8 kG eine erheblich kleinere
Erregung erforderlich ist (Punkt a), gilt dies im weiteren Verlauf der beiden Kurven
nicht mehr. Bei höheren Feldstärken wird die anfangs günstigere Erregerkurve (zu
Fig.1) ungünstig gegenüber der anfangs ungünstigeren Kurve (zu Fig.2), was aus den
beiden Punkten c und b ersichtlich ist, die 11,3 und 16 kG angeben, entsprechend
den möglichen Grenzleistungen von 6 kW und 12 kW.