DE2349191A1 - Kollektorloser wechselstrommotor - Google Patents

Description

ACOMEL SA BUSSIGNY / Schweiz

Kollektorloser Wechselstrommotor
BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen kollektorlosen Wechselstrommotor mit einem massiven, vorzugsweise einteiligen Läufer, welcher sowohl im Falle eines Asynchronmotors, inbesondere bei sehr hohen Drehzahlen, als auch im Falle eines Synchronmotors während des asynchronen Anlaufs besonders vorteilhafte Eigenschaften aufweist.

Bei bekannten Asynchronmotoren mit einem Käfigläufer oder einem Kurzschlussläufer, welcher durch das im Ständer erzeugte Drehfeld angetrieben wird, besteht dieser Läufer in der Regel aus Magnetblechen, in deren Umfang Nuten zur Aufnahme der aus leitenden Stab en, insbesondere Stab-en aus Aluminium, Kupfer, Messing oder Bronze, bestehenden Wicklung eingeschnitten sind, die an den Läuferenden durch Ringe kurzgeschlossen ist. Ih erster NSherung ist die Drehzahl eines solchen Motors der Speisefrequenz proportional. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz liegt die maximale Drehzahl in der Regel bei 3000 U/min. Für höhere Drehzahlen muss man gewöhnlich einen höhere Frequenzen erzeugenden Frequenzgenerator verwenden. Die neuere Entwicklung von statischen Wechselrichtern mit variabler Frequenz erlaubt es, Frequenzen bis zu 2 kHz und darüber zu erreichen, so dass mit solchen Wechselrichtern Asynchronmotoren hoher und höchster Drehzahl gespeist werden können.

Asynchronmotoren für solche hohen Drehzahlen, beispielsweise im Bereich von 20Ό00 bis 200*000 U/min oder noch höhere Drehzahlen, werfen jedoch mechanische Probleme auf, und zwar vor allem hinsichtlich der Zentrifugalbeanspruchung einerseits und der Vermeidung einer Unwucht andererseits.

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Bekannte Läufer aus massivem Stahl lösen zwar im allgemeinen diese mit der mechanischen Festigkeit zusammenhängenden Probleme, haben jedoch einen schlechten Wirkungsgrad, welcher vom hohen spezifischen Widerstand des Stahls und von der Vergrösserung der harmonischen Verluste herrührt.

In einem massiven homogenen Läufer treten an der Oberfläche axial orientierte Stromkomponenten auf, welche sich quer über die Endbereiche des Läufers schliessen. Bm Unterschied zu einem klassischen Käfigläufer, in welchem die Ströme in den Wicklung s stab en konzentriert sind, sind die Ströme in einem massiven Läufer stetig ■ verteilt; lediglich der Skineffekt bedingt eine Oberflächenkonzentration in der Verteilung der Stromdichte. In diesem Falle treten die mit dem durch den Ständer erzeugten elektromagnetischen Feld verknüpften Oberwellen-Effekte in Form von Strom-Ob er wellen im Läufer in Erscheinung, was häufig sehr bedeutende zusätzliche Verluste zur R>lge hat.

Zur allgemeinen Verringerung der induzierten Ströme ist es bekannt (deutsches Gebrauchsmuster 1 914 187), in den Endzonen der vorspringenden Pole einer Synchronmaschine Nuten anzubringen. Ferner ist es bei einem massiven .Läufer einer Asynchronmaschine bekannt (USA-Patent schrift 2 372 590), axiale Nuten, welche mit einem einen Käfigläufer bildenden leitenden Material gefüllt sind, und Quernuten vorzusehen, welche dazu dienen sollen, alle Strom-Grund- oder Oberwellen im massiven Eisen zu unterdrücken. Der Hauptnachteil dieser bekannten Lösung besteht darin, dass ein solcher Läufer inhomogen und seine Herstellung sehr kostspielig ist. In beiden erwähnten Fällen wird durch die Nuten ein Effekt erreicht, welcher dem eines aus Blechpaketen bestehenden Läufers ähnlich ist, und in beiden Fällen sollen die Quernuten dazu dienen, um ganz allgemein unerwünschte Induktionseffekte zu verringern. Der Einfluss dieser Nuten auf die Grundwelle hat in diesen Fällen praktisch keine Bedeutung , da der entsprechende

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Strom in einem Leiter nach Art eines Käfigläufers zirkuliert. Wenn man jedoch diese Massnahmen ohne weiteres auf einen massiven homogenen Läufer anwendet, dann werden die Grundwellen-Ströme gestört und die damit verknüpften Verluste erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Wechselstrommotor der eingangs beschriebenen Art die harmonischen Läuferverluste mittels eines sehr einfach aufgebauten und äusserst preiswert herzustellenden Läufers weitgehend zu unterdrücken, ohne dass die Grundwellenströme praktisch verändert werden, wobei diese vorteilhaften Effekte sowohl in einem Asynchronmotor bei Nenndrehzahl als auch in einem Synchronmotor während des Anlaufs, das heisst also während des Asynchronbetriebs, erzielt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der kollektorlose Wechselstrommotor nach der Erfindung durch diejenigen Merkmale charakterisiert, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführt sind.

Zweckmässige weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unte ran Sprüchen.

Die besondere Ausbildung des im Patentanspruch 1 beschriebenen massiven Läufers ist offensichtlich denkbar einfach und äusserst preiswert herstellbar. Zum besseren Verständnis der Erfindung soll im folgenden kurz auf die Theorie eingegangen werden.

Bekanntlich ist der Skineffekt, welcher in einer Erhöhung der Oberflächenstromdichte im Läufer besteht, durch die Eindringtiefe charakterisiert, welche durch den folgenden, für ein Medium mit konstanter Permeabilität geltenden Ausdruck gegeben ist:

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P ⁼ I/ ζ i¹¹ (^m)>

¹¹ ir f μ '

wobei γ den spezifischen Widerstand des Mediums in (Scm), die Läuferfrequenz in (Hz) und die Permeabilität des Mediums in (Vs/Am)

bedeuten.

In einem sättigbaren Medium gilt dieser Ausdruck nur näherungsweise. Es ist dann

p¹ = k · ρ mit ka*» 1 (im allgemeinen k·^ 1, 5)

Man kann in erster Näherung annehmen, dass alle Verluste und die gesamte Stromdichte in einer Oberflächenschicht mit der Dicke ρ konzentriert sind.

Die Frequenz der Stromgrundwelle ist gleich der Schlupffrequenz, also:

\ = ^sio> wobei f_o die Speisefrequenz und s den Schlupf bedeuten.

Für eine Oberwelle, beispielsweise infolge der Ständernuten, ist die Frequenz

f. = (l-s)f Z h ο

wobei Z die Anzahl der Ständernuten je Polpaar bedeutet.

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Für einen Schlupf s von 15 % und für 12 Ständernuten ist das Verhältnis der Frequenzen

^fi/^fl ⁼ i¹-¹³) ^z / ^s ~ °»85. 12/0,15 = 68

Die Eindringtiefen ρ der Oberwellenströme und ρ der Grund- . wellenströme sind in erster Näherung den Wurzeln aus den Frequenzen umgekehrt proportional:

^Ph^/Pl ⁼ 1 ^£l^/fh ⁼p/68 = 0,121

Man ersieht daraus, dass die Eindringtiefe der Harmonischen bzw. der Oberwellen ( hier der Hauptoberwelle) wesentlich kleiner als die der Grundwelle ist.

Transversalnuten haben eine Störung der axialen Stromlinie zur Folge. Wenn die Tiefe r der Nuten wesentlich kleiner als des Stromes ist, dann ist die Störung nur sehr gering. Wenn beide Tiefen die gleiche GrSssenordnung haben, also wenn ρ = r ist, dann tritt eine erhebliche Vergrösserung des Schwinwiderständes des Läufers auf. Wenn schliesslich die Nuten wesentlich grosser als die Eindringtiefe sind, dann tritt praktisch eine Unterbrechung des axialen Stromflusses auf.

Was nun einen Synchronmotor anbelangt, so müssen in diesem während des Anlaufs, also während des Asynchronbetriebs, axiale Ströme zirkulieren; andererseits ist selbst im Stillstand des Läufers die Frequenz der Grundwelle immer geringer als die der Harmonischen.

Die obigen Ausführungen zeigen, dass durch die erfindungsgemäss vorgeschlagene einfache Massnahme, nämlich die geeignete Bemes-

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sung der Nuttiefen, ein optimaler Kompromiss erzielt wird zwischen einer weitgehenden Unterdrückung der Strom-Oberwellen einerseits und einer nur vernachlässigbaren Beeinflussung der Zirkulation der Strom-Grundwellen; im Falle eines Synchronmotors sind diese vortei-lhaften Effekte, wie erwähnt, während des Anlaufs wesentlich.

Durch die Erfindung wird also eine starke Verringerung der zusätzlichen Verluste erreicht, wobei gleichzeitig die Verteilung der Grundwellen so wenig wie möglich gestört wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise schematisch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der in einem massiven Läufer nach der Erfindung angebrachten kreisförmigen Nuten zusammen mit den Linien des Grundwellenstroms und

Fig. 2 eine grafische Darstellung der als Ordinate aufgetragenen Verluste in Abhängigkeit von der als Abszisse aufgetragenen Nuttiefe r.

In. Fig. 1 sind die Nuten mit 2 und die dazwischenliegenden Zähne mit 1, die Tiefe der Nuten mit r, die Eindringtiefe der Strom-Grundwellen mit ρ und die Eindringtiefe der Strom-Oberwellen mit ρ bezeichnet. Die Breite der Zähne 1 wie auch die der Nuten soll so klein wie möglich gemacht werden; es empfiehlt sich daher, bei einer vorgegebenen Tiefe r der Nuten die Breite der Zähne 1 und der Nuten 2 so klein zu machen, wie es geradejnoch mit der Forderung nach einer hinreichenden Stabilität und Festigkeit der Zähne und mit einer vernünftigen Bearbeitbarkeit des Läufer ma te rials bzw. mit einem vernünftigen Aufwand für die Bearbeitung verträglich ist. Die

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Forderungen sind hier etwa dieselben wie bei der Fertigung von Dynamoblechen.

Wenn beispielsweise die Eindringtiefe ρ der Strom-Grundwellen 3 mm beträgt und unter diesen Umständen in einem praktischen Falle die Eindringtiefe p, der Strom-Oberwellen bei 0,4 mm liegt dann wählt man eine optimale Nuttiefe r von 0, 6 bis 0, 7 mm.

Anhand der Fig. 2, welche die Gesamtverluste als Funktion der Nuttiefe r veranschaulicht , kann man erkennen, dass diese Verluste für einen optimalen Wert der Nuttiefe r ein ausgeprägtes Minimum aufweisen. Für kleinere Nuttiefen werden die harmonischen Verluste stärker, und für grössere Nuttiefen erhöhen sich die Verluste infolge der Grundwellen bzw. infolge der Störung der Zirkulation, der Strom-Grundwellen.

Der Läufer nach der Erfindung kann zweckraässigerweise noch mit Axialnuten oder mit Endringen zwecks Verbesserung seiner Eigenschaften versehen werden.

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Claims (4)

1. PATENTANSPR UEC HE

   ( 1. kollektorloser Wechselstrommotor mit einem massiven, vorzugsweise einteiligen Läufer, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer ringförmige'Nuten mit einer Tiefe (r) aufweist, welche im Falle des Asynchronbetriebs zwischen der geringsten Eindringtiefe (pl) der Grundwellen-Stromdichte und der grössten Eindringtiefe (ph) der Stromdichte der Harmonischen liegt, derart, dass die harmonischen Verluste praktisch ohne Aenderung der Grundwellen-Stromlinien verringert werden.
2. 2. Kollektorloser Wechselstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer ausserdem mit Axialnuten zwecks Verringerung des Läufe rwider Standes bei allen Betriebsarten versehen ist.
3. 3. Kollektor loser Wechselstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer ausserdem mit Endringen zwecks Verringerung des Widerstandes bei allen Betriebsarten versehen ist.

   0900/A382.12D. 4 Bll/JO/eb

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4. 4. Kollektorloser Wechselstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Nuten und der dazwischenliegenden Zähne so klein gewählt wird, wie es mit der Forderung nach mechanischer Fertigkeit der Zähne und mit einer vernünftigen Bearbeitung noch verträglich ist.

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