DE248842C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVe 248842 KLASSE 2\d. GRUPPE

Einphasen -Induktionsmotor. Patentiert im Deutschen Reiche vom 8. Juli 1911 ab.

Die verschiedenen Ausführungen des Wechselstrom-Kommutatormotors besitzen in dem Kommutator ein Konstruktionselement, das wegen der starken Kurzschlußspannung in . 5 den unter den Bürsten liegenden Windungen die Verwendung hoher Betriebsspannungen und hoher Periodenzahlen nicht gestattet, und das andererseits durch seine starke Beanspruchung beim Anlaufen die Betriebssicherheit beeinträchtigt. Unter diesen Motoren besitzt der Repulsionsmotor in seinen verschiedenen Ausführungen bekanntlich zwei räumlich und seitlich um 90 ° verschobene Magnetfelder, und zwar ein resultierendes Transformatorfeld sowie ein Querfeld, welch letzteres mit den Ständerwindungen im wesentlichen das Drehmoment erzeugt.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun einen Einphasen-Induktionsmotor, der diese beiden Felder auch aufweist, sie werden jedoch auf eine besondere Art, nämlich ohne Verwendung eines Kommutators, hervorgebracht, so daß die oben erwähnten Übelstände wegfallen. Der Motor ist im wesentlichen durch zwei oder drei Ständer gekennzeichnet, deren Läufer gemeinschaftliche, hintereinandergeschaltete Wicklungen besitzen, die aus einer beliebigen Anzahl von Spulengruppen zu je drei Spulen bestehen, von denen zwei vorteilhaft um 90⁰ gegeneinander versetzte Spulen auf dem einen Läufer angebracht sind, während die dritte Spule derselben Gruppe auf dem anderen Läufer eine solche Lage einnimmt, daß die in ihr induzierte Spannung von derjenigen aufgehoben wird, die in einer der beiden erstgenannten Spulen induziert wird. Infolgedessen liegt die übrigbleibende Spannung der dritten Spule als Klemmenspannung an den beiden anderen Spulen und erzeugt mittels dieser in jedem Läufer ein Feld, von welchen das des ersterwähnten Läufers zusammen mit den Amperewindungen der die Spannung liefernden Spulen ein mechanisches Drehmoment hervorbringt.

Auf der Zeichnung sind in den Fig. 1 bis 3 drei verschiedene Ausführungsformen des neuen Motors schematisch dargestellt. Fig. 4 dient zur Erläuterung der Wirkungsweise des Motors.

Der Motor hat zwei Ständergehäuse mit den beiden auf einer gemeinschaftlichen Achse befestigten Läufern I und II (Fig. 1). Es soll der Einfachheit halber angenommen werden, daß die parallel geschalteten Ständer mit einer zweipoligen Ring- oder Trommelwicklung von gleicher Windungszahl versehen sind. Die in den vertikalen oder y-Richtungen erzeugten beiden Wechselfelder sollen in entgegengesetzten Richtungen schwingen. Auf den beiden Läufern ist eine gemeinschaftliche, kurzgeschlossene Wicklung angebracht, die aus den drei hintereinander geschalteten Spulen a, b und c (Fig. 1) mit je gleichen Win- ■ dungszahlen besteht, und von denen die auf Läufer I angebrachten Spulen α und b um go° gegeneinander versetzt sind, während die Spule b mit der Spule c des Läufers II gleiche Lage hat. Bei Übereinstimmung der beiden

Ankerfelder nach Größe und Phase werden die in 5 und c induzierten elektromotorischen Kräfte sich genau aufheben, und man kann annehmen, daß die Spannung der Spule a, nach Abzug ihres Ohmschen Spannnungsverlustes, als Klemmenspannung an b und c liegt. Werden beliebig viel derartige dreispulige Wicklungen auf den Läufern gleichmäßig verteilt, so erzeugen die Spulen α ein in die y-Richtung fallendes Feld, das als Sekundärfeld eines Transformators zu betrachten ist und sich mit dem Ständerfelde zu dem resultierenden Transformatorfelde φ' zusammensetzt. Die beiden Spulengruppen b und c hingegen erzeugen in der «-Richtung die beiden gleich starken und gleichphasigen Felder ψ' und ψ". Den Amperewindungen des Ständers II stehen keine Läuferamperewindungen gegenüber; daher wird dieser Ständer sich wie ein sekundär offener Transformator verhalten und nur so viel Strom I_n aufnehmen, als erforderlich ist, um ein Feld q>" von solcher Größe zu erzeugen, daß die von ihm induzierte elektromotorische Kraft der angelegten Spannung das Gleichgewicht hält. Sieht man von dem Wattverbrauch infolge der Hysteresis und des Ohmschen Widerstandes ab, so ist I₁₁ wattlos. Wegen der verschiedenen Größe der Streufelder in den beiden Ständern wird die oben gemachte Voraussetzung übereinstimmender Ankerfelder nur annähernd zutreffen; diese Abweichung ist jedoch bei normaler Belastung des Motors zulässig. Das Feld ψ' bildet mit den Amperewindungen der die Spannung liefernden Spulen ein mechanisches Drehmoment, dessen Richtung dadurch bestimmt wird, daß die Spule b der Spule α voranläuft.

Das motorisch unwirksame Feld ψ" wird in den Spulen c eine elektromotorische Kraft der Selbstinduktion induzieren, die den Leistungsfaktor des Motors herabsetzt. Es ist daher nötig, dieses Feld zu kompensieren. Zu diesem Zweck sollen die beiden vereinigten Ständerströme I₁ und I_n an den Ständer II (Fig. 2) in der «-Richtung angelegt werden. Besitzt der Ständer Ringwicklung, so kann dieselbe Wicklung auch als Kompensationswicklung benutzt werden. Bei Trommelwicklung ist dagegen eine zweite Wicklung von gleicher Windungszahl mit der ersten Wicklung auf dem Ständer anzubringen. Denkt man sich die beiden Ströme I_n und Ij nicht zu einem resultierenden Strom vereinigt, sondern betrachtet jede Stromkomponente für sich, so findet man, daß I_; in der «-Richtung des Ständers II ein resultieren-• des Transformatorfeld erzeugen wird, das nach Größe und Phase genau mit dem Felde φ' des Ständers I übereinstimmen muß. Denn in beiden Fällen sind die sich gegenüberstehenden Amperewindungen von. gleicher Größe. Auch die wattlose Komponente I_n erzeugt ein gleich starkes Feld, und da seine Phase mit der des ersten Feldes ungefähr übereinstimmt, so können beide Felder zu einem Felde f (Fig. 2) algebraisch addiert werden. Letzteres Feld ist mit dem Felde q>' in Phase, und da beide Felder in bezug auf die Spulen α und c gleiche Lage einnehmen, so werden die durch f in c und durch φ' in α induzierten elektromotorischen Kräfte der Ruhe und der Bewegung sich addieren. Man kann sich daher das Feld f mit φ' zu einem fiktiven Felde F (Fig. 3) in der y-Richtung des Ständers I vereinigt denken und sich vorstellen, daß die in Wirklichkeit in α und c induzierten elektromotorischen Kräfte jetzt nur in den Spulen α durch F induziert werden. Da nun die elektromotorischen Kräfte der Bewegung der Spulen b und c in gleich starken Feldern qi' und φ" sich aufheben, so sind die in den Spulen c induzierten elektromotorischen Kräfte aus der weiteren Betrachtung gänzlich eliminiert, und es bleiben nur die elektromotorischen Kräfte der Ruhe und der Bewegung übrig, die durch die beiden Felder F und ψ' in den Spulen α einerseits und durch das Feld ψ' in den Spulen b andererseits induziert werden.

Bisher wurde angenommen, daß jede dreispulige Wicklung kurzgeschlossen ist; jetzt aber sollen sämtliche Wicklungen zu einer kurzgeschlossenen Mehrphasenwicklung vereinigt werden, wodurch an den bisherigen Betrachtungen offenbar nichts geändert wird.

Jede Läuferspule kann bekanntlich durch zwei Komponentspulen, eine y-Spule und eine «-Spule, ersetzt werden, von denen die erste ein Feld in der y-Richtung und die zweite ein Feld in der «-Richtung erzeugt. Jede Wicklung auf Läufer I besteht nun aus den beiden in Serie geschalteten a- und δ-Spulen, bei deren Zerlegung man zwei y-Spulen und zwei «-Spulen erhält, die mit y_a und y_b und x_a und x_b bezeichnet werden sollen. Werden sämtliche Mehrphasenwicklungen in ihre Kornponentspulen zerlegt, so ist die ursprüngliche Wicklung des Läufers I offenbar äquivalent der Schaltung nach Fig. 4, wo die y-Spulen und «-Spulen in Serie geschaltet sind. Dabei ist zu bemerken, daß nur die «-Spulen oder ihre Komponentspulen y_a und x_a vom Felde F induziert werden, aber nicht die δ-Spulen. Die weitere Theorie des Motors ist hierdurch mit der des Repulsionsmotors in Übereinstimmung gebracht. Die Übertragung der Energie geschieht zwischen dem Felde F und den y_a-Spulen. Fließt ein Strom I_a in den Läuferspulen, so entsteht ein Drehmoment zwischen \[i' und den Amperewindungen der y-Spulen, und in diesen Spulen wird bei der Rotation im Felde ψ' eine elektromotorische Kraft induziert, die der Phase des Stromes I_a

entgegengesetzt gerichtet ist. Die Phase der vom Felde ψ' in x_a und x_b induzierten elektromotorischen Kraft der Selbstinduktion bleibt hinter der Phase des Feldes um 90⁰ zurück und ist daher der Phase des Feldes F und der durch Rotation in diesem Felde in x_a induzierten Spannung annähernd entgegengesetzt gerichtet, so daß die beiden Spannungen sich mit zunehmender Geschwindigkeit mehr und mehr aufheben.

Zum Umsteuern des Motors können zwei verschiedene Wege benutzt werden. Wird das Feld φ" (Fig. 1) um 90⁰ in der Drehrichtung des Motors gedreht, so vertauschen die Spulen α und b ihre Rollen, und wie sich früher die elektromotorischen Kräfte in b und c aufhoben, so ist dies jetzt der Fall mit den elektromotorischen Kräften in α und c. Die elektromotorische Kraft der Spule b liegt also als Klemmenspannung an α und c, und a wird ein Querfeld ψ' erzeugen, das sich um . i8o° gedreht hat und mit den Amperewindungen der Spulen b ein Drehmoment von entgegengesetzter Richtung bildet. Die Spulen c des Rotors II bilden ein Feld ψ", das um go° in einer der früheren Drehrichtung entgegengesetzten Richtung gedreht ist und durch die in der y-Richtung am Ständer angelegten vereinigten Ströme I₁ und I₁₁ kompensiert wird. Durch den Umschalter u' (Fig. 3) kann die Verdrehung der Felder φ" und f und hiermit die Umkehrung der Bewegungsvorrichtung herbeigeführt werden. Bei größeren Motoren, die ohne besondere Anlaß vorrichtung an das Netz nicht angeschlossen werden können, verbindet man die freien Enden der Spulengruppen mit Schleifringen, an die in bekannter Art Regelwiderstände angeschlossen werden, mittels deren die Stromstärke beim Anlassen in zulässigen Grenzen gehalten wird. Damit die Zahl der erforderlichen Schleifringe möglichst gering ausfällt, versieht man die beiden Läufer zweckmäßig mit einer Dreiphasen- oder Zweiphasenwicklung. ·

Eine zweite Umkehrmethode besteht darin, daß auf dem Läufer Il eine gegen die Spule c um go° versetzte Spule ti (Fig. 2) angebracht wird, die also mit der Spule α auf dem Läufer I gleiche Lage hat. Je nach der gewünschten Drehrichtung wird c oder ti mittels Schleifringen und Bürsten an die zugehörigen Spulen des Läufers I angeschlossen, wobei gleichzeitig eine Richtungsänderung des Feldes f um i8o° durch den Umschalter u' (Fig. 2) herbeizuführen ist.

Es ist leicht verständlich, daß, sobald Schleifringe zur Verwendung kommen, die beiden Läufer nicht notwendig eine gemeinschaftliche Achse haben müssen, sondern daß ihre Achsen eine beliebige Lage gegeneinander haben können, wenn durch eine geeignete Verbindung, z. B.

mittels Zahnräder, für einen synchronen Umlauf der Läufer gesorgt wird. Da Läufer II eine geringere Drahtzahl besitzt als Läufer I, so kann er mit einer zweiten Wicklung c für einen zweiten Läufer I versehen werden. Der Motor hat dann drei Läufer, die nach Belieben entweder eine gemeinschaftliche Achse oder auch zwei oder drei durch Zahnräder miteinander gekuppelte Achsen haben können.

Die Regelung der Drehzahl geschieht entweder durch Änderung der angelegten Spannung mittels eines Stufentransformators oder auch durch Einschalten einer Drosselspule D (Fig. 3) mit regelbarer Induktanz vor einen der beiden Ständer. Beide Regelungsmethoden lassen sich zweckmäßig derart kombinieren, daß die gröbere Einstellung durch den Stufentransformator und die feinere Regelung durch die Drosselspule erfolgt. Eine dritte Art der Regelung besteht darin, daß die Spannung an einem der beiden Ständer durch Transformieren der Netzspannung geändert wird. Sind die beiden Ständerspannungen verschieden, so werden die Induktionsspannungen in den Spulen b und c nicht mehr gleich groß sein, und als Folge hiervon verändert sich, wie nachstehende Berechnung zeigt, der Winkel β zwischen dem Felde des Läufers I und der y-Richtung. Ersetzt man die Spulen a und b mit je «Windungen durch eine resultierende Spule r (Fig. 1), so besitzt diese η |/T Windungen und bildet mit der Spule c des Läufers II einen Winkel von 45⁰. Ist N das Feld des Läufers II, so ist das Feld des Läufers I gleich j/TiV. Zerlegt man diese Felder in Komponentfelder nach der x- und y-Richtung, so erhält man in der «-Richtung des Läufers I ein Feld gleich |/-T2V sin β und in der y-Richtung ein Feld gleich |/·Γ N cos β ioo und im Läufer II die Felder

N sin.(ß -f 45°) = V₂ ]/^N (cos β -f- sin ß)
bzw.
N cos (i8o° — [ß + 45°]) = — N cos (ß + 45°). «5

Die Addition der beiden y-Felder ergibt

ΫΤΝ cosß — N cos (ß + 45°)
= i/a VIN[COS β + sin ß), _uo

also ein Feld von genau gleicher Größe wie das «-Feld des Läufers II. Daraus geht hervor, daß auch das resultierende Transformatorfeld in der «-Richtung des Läufers II gleich ist der Summe der beiden Transformatorfelder in den y- Richtungen beider Läufer. Bezeichnet man die Transformatorfelder in den y-Richtungen der Läufer I und II mit φ' und q φ', so ist demnach das horizontale Transformatorfeld des Läufers II gleich φ' (ι -f q). Liegt eine Spule r in der Richtung des Läuferfeldes, so ist die Spannung in

den vereinigten Spulen r und c offenbar gleich null, also

K ψ' |/~2~« sin β ■— K q φ' η sin (β + 45⁰)

+ K (Ί + q) φ' η cos (6 + 45°)
. = 0 [K - Konstante).

Hieraus folgt

cot β = 2 — ig'.

Die Richtung des Feldes im Läufer I kann folglich nach Belieben eingestellt werden, und derselbe Effekt, der beim Repulsionsmotor durch Verschieben der Bürsten erreicht wird — nämlich Änderung der Wicklungszahlen der Komponentspulen und hiermit Änderung des Querfeldes und des Drehmomentes — wird hier durch Änderung der Spannung an einem der Ständer erreicht.

Claims (7)

Patent-Ansprüche:

1. Einphaseninduktionsmotor, gekennzeichnet durch zwei parallel geschaltete Ständer, deren auf gemeinschaftlicher Achse angebrachte Läufer mit einer beliebigen Anzahl von Spulengruppen zu je' drei hintereinander geschalteten Spulen versehen sind, von denen zwei um 90⁰ gegeneinander verschobene Spulen auf dem Läufer I angebracht sind, während die dritte Spule auf dem Läufer II eine solche Lage einnimmt, daß die in ihr induzierte elekr tromotorische Kraft sich gegen die elektromotorische Kraft aufhebt, die in einer der auf dem Läufer I befindlichen beiden Spulen induziert wird, so daß die übrigbleibende Spannung der dritten Spule als Klemmenspannung an den beiden anderen Spulen liegt und mittels dieser in jedem Läufer ein Feld erzeugt, von denen das des Läufers I (ψ') mit den Amperewindungen der die Spannung liefernden Spulen ein mechanisches Drehmoment erzeugt.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden um 90⁰ verschobenen Spulen des Läufers I durch eine resultierende Spule ersetzt sind.

3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufer auf getrennten Achsen angebracht, ihre Spulen durch Schleifringe und Bürsten hintereinander geschaltet und die Achsen z. B. durch Zahnräder so miteinander verbunden sind, daß sie synchron umlaufen, wobei an Stelle von je zwei Läufern und Ständern auch je drei verwendet werden können.

4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer II mit einer Kompensationswicklung versehen ist, die ' von den vereinigten Ständerströmen durchflossen wird, um teils das von den Läuferwicklungen erzeugte Feld aufzuheben, und teils in diesen Läuferwicklungen eine elektromotorische Kraft zu induzieren, die mit der in den Spulen des Rotors I übriggebliebenen elektromotorischen Kraft in Phase ist.

5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die auf den beiden Läufern angebrachten Spulengruppen zu einer kurzgeschlossenen Mehrphasenwicklung vereinigt sind.

6. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Läufer II eine zweite Spule (c'J angebracht ist, die gegen die schon vorhandene Spule (c) um 90⁰ verschoben ist, so daß je nach der gewünschten Drehrichtung die eine oder die andere dieser Spulen mittels Schleifringen und Bürsten an die entsprechenden Spulengruppen des Läufers I angeschlossen werden kann.

7. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Regelung der Drehzahl die Spannung an einem der beiden Ständer entweder durch Einschalten einer Drosselspule mit regelbarer Induktanz oder durch einen Stufentransformator geändert wird.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.