DE2531700C2 - Zweiphasen-Asynchronmotor - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweiphasen-Asynchronmotor mit scheibenförmigem Kurzschlußläufer, der zwischen zwei an seinen beiden Stirnseiten angrenzenden Teilen des Ständers angeordnet und in diesen gelagert ist, sowie einen die Läul'erpole umgebenden, flächig ausgebildeten Kurzschlußkäfig aufweist.

Ein solcher Motor ist in der CH-PS 4 33 502 beschrieben. Der Ständer ist bei diesem bekannten Motor ebenso wie der Läufer scheibenförmig und mit seinen stirnseitig vorstehenden Polen einstückig ausgebildet und weist eingeformte Ausschnitte und Nuten zur Aufnahme der Wicklungen auf. Über die Verteilung der Ständerwicklungen auf die beiden Ständerteiie isi nichts gesagt; es ist anzunehmen, daß in dieser Ausführungs- (h> form beide Ständerteile mit Wicklungen versehen sind, die wie bei jedem Asynchronmotor einphasig oder mehrphasig gespeist werden können.

Ähnlich sind die Asynchronmotoren nach der US-PS 35 267 aufgebaut; auch hier isi der scheibenförmige <"> Läufer zwischen zwei an seinen beiden Stirnseiten angrenzenden Teilen des Ständers angeordnet und in diesen gelagert und in beiden .Ständerteilen sind Feldwicklungen untergebracht. Der Läufer ist aber in diesem ('alle nicht als Kurzschlußläufer ausgebildet, sondern besitzt eine Scheiben- oder Ringwicklung, die mit Gleichspannung gespeist wird.

Lici den bekannten Motoren dieser Art durchsetzen die Kraftlinien die Läuferpole und beide einander gegenüberstehende Ständerpole symmetrisch; jeder Ständerpol muß also zusätzlich zu seinem eigenen Magnetfluß denjenigen des gegenüberliegenden Pols aufnehmen.

Die in der CH-PS 4 35 502 bevorzugt beschriebene Ausführungsform, bei der sämtliche Ständerwicklungen in einem einzigen Ständerteil untergebracht sind, bringt in dieser Hinsicht keine Verbesserung; denn der magnetische Kreis muß sich über eine einstückige ferromagnetische Läuferscheibe schließen, die den magnetischen Rückschluß für sämtliche Läuferpole darstellt. Auch hier schließt sich also der magnetische Kreis teilweise über benachbarte Ständerpole, so daß die Eisenkerne dieser Sländerpole nicht auf volle Sättigung durch ihre eigene Phase beansprucht werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zweiphasen-Asynchronmoior zur Verfügung zu stellen, bei dem die Eisenkerne aller Sländerpole ausschließlich von ihrer eigenen Phase durchflossen werden und so auf volle Sättigung beansprucht werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Zweiphasenmotor der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Wicklungen jeder Phase je in nur einem mit Polschuhen versehenen Siänderleil untergebracht und entsprechend dem Phasenwinkel gegeneinander versetzt sind, sowie daß die Läufcrpole als von Stirnseite zu Stirnseite des Läufers durchgehende, in den Kurzschlußkäfig eingebettete, magnetisch voneinander getrennte ferromagnetische Stege ausgebildet sind, wobei der magnetische Kreis benachbarter Ständerpole sich unmittelbar über die Polschuhe des gegenüberliegenden Ständeneils schließt.

Infolge dieser Ausbildung steht für die Ständerpole jeder Phase ein eigener Ständerteil zur Verfügung und die Eisenkerne aller Ständerpole können auf volle Sättigung durch ihre eigene Phase beansprucht werden. Demzufolge hat der neue Elektromotor ein im Verhältnis zu seinen Abmessungen geringes Gewicht und vereinigt eine hohe Drehzahl mit hohem Drehmoment.

Der aus der CH-PS 4 33 502 bekannte Motor hat vier Ständerpole, jedoch eine Vielzahl von Läuferpolen; er zeigt also ausgesprochen asynchrones Verhallen. Wenn die Anzahl der Läuferpole dagegen mit derjenigen der Sländerpole übereinstimmt, läuft der Motor asynchron an, verhält sich aber dann wie ein Synchronmotor. Um das Asynchronverhalten zu verbessern, genügt ein Unterschied von ein bis zwei Polen zwischen Läufer und Ständer; letzterer ist aus Symmetriegründen meist vorzuziehen. Vorzugsweise weicht demgemäß bei dem neuen Motor die Anzahl der Läuferpole von derjenigen Ulm Ständerpole nur wenig ab.

Da die beiden Magnetsysteme des Ständers völlig voneinander getrennt in zwei Ebenen angeordnet sind, steht genügend Platz zur Verfügung, um die Ständerwicklungen als Aluminium- Bandspulen auszubilden. Der Läufer ist als verhältnismäßig dünne Platte, vorzugsweise aus Aluminium, ausgebildet, in welche die ferromagnetischen Stege eingelegt sind. Infolgedessen ist der Läufer sehr leicht und für hohe Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten besonders geeignet.

Die beiden einander gegenüberstehenden Magnetsystcmc können statt auf dem Umfang eines Kreises auch auf einer Geraden angeordnet sein. In diesem Falle erhiilt man einen Linearmotor mit zwischen Jen beiden Magnetsystemen verschiebbarer Leitschiene, in die s senkrecht zur Bewegungsrichtung lerromagnetischc Stege eingelagert sind. Man hat es hier mit »magnetischen Kettenleitern« zu tun, bei denen die Endglieder eine besondere Anpassung verlangen. Dies ist hier im Gegensat/, zu Dreiphasenstrom leicht möglich. Ein Linearmotor dieser Bauart ist besonders interessant, weil eine exzentrisch liegende Leitschiene automatisch in den Spalt zwischen den Magnetsystemen gezogen wird und dabei sogar erheblich belastet werden kann. In der Querrichtung kann die Leitschiene durch eine elektronische Balanceschaltung exakt /wischen den Phasen zentriert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wi.d nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Hierin sind

F i g. 1 ein Achsenschnitt des neuen Motors längs der Linie l-l in Fig. 2,

F i g. 2 ein Schnitt senkrecht zur Achse in zwei verschiedenen Ebenen entsprechend der Linie 11-11 in Fig. 1 und

F i g. J eine Abwicklung des Magnetsystems, zugleich 2s die Prinzipdarstellung eines Linearmotors.

Der grundsätzliche Aufbau des Motors ist aus I·" i g. 1 und 2 ersichtlich. Ein plattenförmiger Läufer 1 ist auf einer Welle 2 befestigt, die ihrerseits im Motorgehäuse Ϊ um eine Achse 4 drehbar gelagert ist.

An den Stirnseiten des Läufers stehen sich zwei gleichartig ausgebildete Feldmagnetsysteme mit den Ständerpolen 5 und 6 gegenüber, jedes Magnetsystem hai im dargestellten Beispiel sechs Pole, so daß sich bei einer Nennfrequenz von 400 Hz eine Drehzahl von is 7500 U/min ergibt. Entsprechend der Phasenverschiebung von 90° sind die beiden Feldmagnetsysteme um JO" gegeneinander versetzt angeordnet. Insgesamt sind also 12 Ständerpole5,6 vorhanden.

Die Wicklung 7 eines Ständerpols ist in F i g. 1 durch Kreuzschraffur hervorgehoben. Aus der oberen Hälfte der F i g. 2 erkennt man, daß die Wicklung etwa rechteckigen Querschnitt hat. Dadurch ist es möglich, eine Bandwicklung aus Aluminium zu verwenden, die erhebliche thermische und mechanische Vorteile bietet. Das Gesamtgewicht des Motors reduziert sich hierdurch um 15% gegenüber Kupferwicklungen. Die Wicklung 7 sitzt auf einem Eisenkern 20 aus dünnem Transformatorenblech. Der Eisenkern trägt an seiner dem Läufer 1 zugekehrten Stirnseite einen in 'Jmfangs- so richtung verbreiterten Polschuh 12. Die magnetischen Kreise der Ständerpole eines Magnetsystems 5 bzw. 6 sind untereinander über einen Kurzschlußring 8 bzw. 9 geschlossen. Der plattenförmige Läufer 1 wird durch einen Kurzschlußkäfig 21 aus Aluminium gebildet. In ihn sind ferromagnetische Stege 10 von trapezförmigem Querschnitt eingegossen. Die Anzahl der Stege 10 weicht von derjenigen der Ständerpole 5 und 6 ab, um beim Anlaufen des Motors Totpunkte zu vermeiden. Beispielsweise sind in der Zeichnung im Läufer elf Siege <«> 10 gegenüber zwölf Ständerpolen angeordnet.

Die Stege 10 bestehen aus in Tangentialrichtung des Läufers lameliierten Siliziumblechen, deren I-förmige Gestalt am besten aus Fig. .3 ersichtlich ist. Dadurch erhalten die Stege in Umfangsrichtung verbreiterte <<> F.ndplatten 11, die den verbreiterten Polschuhen 12 der Ständerpole gegenüberstehen. Der gegenseitige Abstand benachbarter Endplatte!! 11 soll etwa demjenigen benachbarter Polschuhe 12 entsprechen. Ebenso soll der gesamte Leiterquerschnitt des Kurzschlußkäfigs 21 zwischen den Stegen etwa gleich dem gesamten Wicklungsquerschnitt eines Magnetsystem sein und der Eisenquerschnitt der Stege zusammengenommen soll dem Eisenquerschnitt eines Magnetsystems nahe kommen.

Im Betrieb schließt sich der magnetische Kreis zwischen einander gegenüberstehenden ungleichnamigen Ständerpolen über die zwischen beiden befindlichen Stege 10 des Läufers. Das im Zusammenwirken der beiden Feldmagnetsysteme unter Vermittlung des Läufers aufgebaute Drehfeld induziert in dem Kurzschlußkäfig 21 Wirbelströme, die sich um die Stege 10 herum schließen. Die von diesen Wirbelströmen erzeugten kräftigen Magnetfelder treten in Wechselwirkung mit dem durch den Läufer 1 verlaufenden Drehfeld, wodurch dieser in Drehung versetzt wird. Da der Läufer 1 im Vergleich zu den Kurzschlußläufern bekannter Bauart sehr leicht gebaut ist, besitzt er geringe Trägheit und kann so leicht und schnell hohe Drehzahlen erreichen, sowie seine Drehzahl ändern bzw. umkehren.

Wenn die beiden Feldmagnetsysieme mit sinusförmigem Wechselstrom gespeist werden, entsteht in dem Läufer ein Fluß, der maximal um 40 % über dem Magnetfluß in den .Ständerpolen liegt. Der Motor kann infolgedessen nur mit 70 % des möglichen Drehmomentes belastet werden.

Wenn dagegen die Feldmagnete der beiden Systeme mit phasenverschobenen Rechteckimpulsen gespeist werden, die sich möglichst nicht überlappen, stören sich die Magnetflüsse im Läufer nicht und das Drehmoment kann voll ausgeschöpft werden.

Es ist nicht erforderlich, daß die Anzahl der Läuferstege sich von derjenigen der Ständerpole gerade um eins unterscheidet. Wenn z. B. zwölf Ständerpole insgesamt vorhanden sind, können mit Voneil acht oder zehn Läuferstege vorgesehen sein. Bei sechzehn Ständerpolen empfehlen sich vierzehn Stege usw.

Fig. 3 stellt zugleich die Prinzipanordnung eines Linearmolors dar. Die Feldmagnetsysteme mn den Ständerpolen 5 und 6 sind dann in zwei parallelen geraden Reihen angeordnet und nehmen zwischen sich eine geradlinige Leitschiene Γ auf. in welche m regelmäßigen Abständen lamellierte Stege 10 eingearbeitet sind. Wenn in den Ständerpolen ein linear fortschreitendes Feld erzeugt wird, sucht die Leitschiene Γ diesem Feld zu folgen und verschiebt sich in gleicher Richtung. Die dargestellte Bauart hat u. a. den Vorteil, daß eine senkrecht zur Papierebene exzentrisch liegende Leitschiene automatisch zentriert werden kann.

Bei einem ausgeführten Beispiel hatte der Läufer 1 einen Durchmesser von etwa 170 mm und eine Dicke von etwa Ib mm. Der Kurzschlußkäfig 21 bestand aus Reinstaluminium und war zusammen mit Verstärkungen 22 auf die aus Stahl bestehende Welle 2 aufgeschrumpft. Die Mittelpunkte der elf aus Transformatorenblech der Dicke 0,5 mm bestehenden Stege 10 befanden sich auf einem Kreis von b0 mm Radius. Die verbreiterten Fndplatten 11 waren trapezförmig ausgebildet und hatten einen gegenseitigen Abstain] von 8 mm. Den gleichen Abstand hatten die bogenförmig ausgebildeten Polschuhe !2 der Ständerpole 5, 6. Der Luftspalt zwischen den l'olschuhen 12 und den Stirnflächen des Läufers betrug 0,3 mm. Bei einer Speisespannung von 200 V war der Motor mit 300 W belastbar.

Orientierende Versuche haben gezeigt, daß mit Motoren der beschriebenen Bauart Drehzahlen bis 20 000 U/min und mehr erreicht werden können. Dank des geringen Gewichts und der geringen Trägheit eignet sich der Motor beispielsweise für Hochgeschwindigkeitsantriebe wie Kreisel und Zentrifugen, Antriebe mit Steuerung oder Regelung der Drehzahl, wobei ein sehr großer Regelbereich erzielt werden kann, wie Werkzeugmaschinen und Verkehrsaptriebe. Bei Kraftfahrzeugen können die Motoren z. B. als Getriebrmotorcn unmittelbar in die Räder eingebaut werden.

Die Ausführung als Linearmotor kann zum Antrieb von Werkzeugmaschinen mit Linearbewegung wie Hobelmaschinen oder Sägen, sowie von lörderanlagen und Schwebebahnen u. dgl. dienen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Zweiphasen-Asynchronmotor mit scheibenförmigem Kurzschlußläufer, der zwischen zwei an s seinen beiden Stirnseiten angrenzenden Teilen des Ständers angeordnet und in diesen gelagert ist, sowie einen die Läuferpole umgebenden, flächig ausgebildeten Kurzschlußkäfig aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (7) jeder Phase je in nur einem mit Polschuhen versehenen Ständerteil untergebracht und entsprechend dem Phasenwinkel gegeneinander versetzt sind, sowie daß die Läuferpole als von Stirnseile zu Stirnseite des Läufers (1; Leitschiene Γ) durchgehende, in den Kurzschlußkäfig (21) eingebettete, magnetisch voneinander getrennte ferromagnetische Stege (10) ausgebildet sind, wobei der magnetische Kreis benachbarter Ständerpole (5, 6) sich unmittelbar über die Polschuhe (12) des gegenüberliegenden Ständerteils schließt.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Stege (10) voif derjenigen der Ständerpole (5,6) nur wenig abweicht.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kurzschlußkäfigs (21) zwischen den Stegen (I'M etwa dem Querschnitt der Wicklung (7) der Sländerpole (5, 6) entspricht.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (10) verbreiterte Endplatten (11) aufweisen.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (10) au;; lanicllierten Silizium-Eisenblechen bestehen.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (7) der Ständerpole (5, 6) aus gewickeltem Aluminiumband bestehen.

7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er als Linearmotor ausgebildet ist.