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Umlaufende asynchrone Wechselstrommaschine
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Durch die Erfindung wird eine umlaufende asynchrone Wechselstrommaschine
geschaffen mit einem drehbar angeordneten Rotor und einem Stator, der den Rotor
umgibt und ein rotierendes Magnetfeld im Bereich des Rotors erzeugt, wobei der Rotor
ein magnetisches Element mit im wesentlichen zylindrischer Gestalt sowie ein nichtmagnetisches
elektrisch leitendes Element mit rohrförmiger Gestalt, das das magnetische Element
umgibt, aufweist.
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Das magnetische Element kann als massiver Zylinder ausgebildet sein,
bevorzugt ist es jedoch als Hohlzylinder ausgebildet, so daß es ebenfalls eine rohrförmige
Gestalt aufweist.
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In bevorzugter Weise können das magnetische Element und das nichtmagnetische
Element jeweils aus einem Stück gebildet sein. Außerdem besitzen bevorzugt das magnetische
und das nichtmagnetische Element jeweils einen gleichförmigen Radius.
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Das magnetische Element kann aus einem geeigneten magnetischen Metall,
beispielsweise Weicheisen, bestehen.
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In bevorzugter Weise ist das magnetische Element vom Stator im wesentlichen
in einem solchen Abstand angeordnet, daß die magnetische Anziehungskraft in radialer
Richtung zwischen dem Rotor und dem Stator minimiert ist und der Rotor bis zu einem
Schlupf Null bei Leerlauf auflaufen kann.
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Das magnetische Element kann in Längsrichtung über das magnetische
Material des Stators an beiden Enden des magnetischen Elementes überstehen.
Bevorzugt
ist das nichtmagnetische, rohrförmige Element in unmittelbarer Nachbarschaft zum
Stator angeordnet.
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Das nichtmagnetische, rohrförmige Element kann aus jedem beliebigen
geeigneten nichtmagnetischen Metall bestehen, das elektrisch leitfähig ist, beispielsweise
aus Kupfer, Aluminium oder Zink.
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Das nichtmagnetische, rohrförmige Element und das magnetische Element
können oder können nicht in elektrisch leitfähiger Verbindung miteinander angeordnet
sein.
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Demzufolge ist es möglich, daß das nichtmagnetische, rohrförmige Element
in direkter, elektrisch leitfähiger Verbindung mit dem magnetischen Element dieses
unmittelbar umgibt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß eine Schicht aus
elektrisch isolierendem Material zwischen dem magnetischen und dem nichtmagnetischen
Element angeordnet ist.
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Das magnetische Element und das nichtmagnetische Element können in
geeigneter Weise auf einer Welle angeordnet sein, mit der sie umlaufen können. Das
magnetische Element und/oder das nichtmagnetische Element können in elektrisch leitfähiger
Verbindung mit der Welle stehen. Es ist jedoch nicht notwendig, daß sie in elektrisch
leitfähiger Verbindung miteinander stehen.
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Insbesondere bei kleinen Motoren kann das magnetische, rohrförmige
Element mit Hilfe eines ringförmigen Körpers aus elektrisch isolierendem Kunstharzmaterial
auf der Welle befestigt sein. Das Kunstharzmaterial ist dabei zwischen dem magnetischen
rohrförmigen Element und der Welle angeordnet.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß das magnetische, rohrförmige
Element mit Hilfe von axial im Abstand voneinander angeordneten radialen Trägern
an der Welle befestigt ist. Hierzu Icdnnen die Träger an entgegengesetzten Enden
des magnetischen, rohrförmigen Elementes angeordnet sein. Ferner können die Träger
aus elektrisch leitfähigem Material bestehen.
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Die Maschine kann mit einem gewickelten Stator herkömmlicher Bauart
ausgerüstet sein.
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Die Maschine kann als mehrphasiger, insbesondere dreiphasiger, asynchroner
Generator oder Induktionsmotor ausgebildet sein.
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Durch die Erfindung wird verhindert, daß man, wie es in herkömmlicher
Weise geschieht, einen lamellierten, mit einer Wicklung versehenen Rotor oder einen
Käfigläufer, welche relativ aufwendig und kompliziert herzustellen sind, verwendet.
Bei der Erfindung sind derartige Läufer ersetzt durch einen Rotor, der einfach gestaltet
ist und einen im wesentlichen gleichförmigen Radius und Umfang aufweist. Aus einem
Stück bestehende zylindrische Elemente, welche keinerlei Vorsprünge, Nuten, Wicklungen,
Pole oder radial sich erstreckende Lamellierungen aufweisen, können für den Rotor
verwendet werden. Insofern ergibt sich für den Rotor ein einfacher Aufbau, der ohne
viel Aufwand zu erzielen ist.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird in den Figuren ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel, das im folgenden noch näher beschrieben wird, dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels
für eine umlaufende asynchrone
Wechselstrommaschine nach der Erfindung
entlang der Schnittlinie I-I in der Fig. 2; Fig. 2 schematisch einen Querschnitt
durch die in der Fig. 1 dargestellte Maschine entlang der Schnittlinie II-II in
der Fig. 1; Fig. 3 einen Längsschnitt in schematischer Darstellung durch ein anderes
Ausführungsbeispiel einer umlaufenden asynchronen Wechselstrommaschine nach der
Erfindung entlang der Schnittlinien rn-Ill in der Fig. 4; Fig. 4 in schematischer
Darstellung einen Querschnitt der in der Fig. 3 dargestellten Maschine entlang der
Schnittlinie IV-IV in der Fig. 3; Fig. 5 eine grafische Darstellung des Energiebedarfs
eines herkömmlichen dreiphasigen Käfigläuferinduktionsmotors zwischen Leerlauf und
etwa 10 7o Überlast und Fig. 6 eine grafische Darstellung der überlagerten Leistungskurven
eines sinusförmigen, dreiphasigen Leistungseingangssystems von 3 4 = 12 kW und 3
5 =15 kVa, in welchem die Phasen einen Abstand von 1200 zueinander aufweisen.
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In den Fig. 1 und 2 besitzt eine elektrische Maschine M, welche als
dreiphasiger asynchroner Generator oder Induktionsmotor ausgebildet sein kann, einen
Rotor A mit einem einstückigen,inneren rohrförmigen Element 1, das aus einem geeigneten
magnetischen Metall, wie beispielsweise Weicheisen, besteht. Sowohl im Querschnitt
als auch im Längsschnitt besitzt das innere rohrförmige Element am Innenumfang als
auch am Außenumfang einen im wesentlichen gleichförmigen Radius,
so
daß es im wesentlichen durchgehend eine gleichförmige Dicke aufweist.
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Das innere rohrförmige Element 1 ist elektrisch isoliert mit Hilfe
eines ringförmigen Körpers 3 auf einer Welle 2 befestigt. Der ringförmige Körper
3 besteht aus einem geeigneten Kunstharzmaterial, das elektrisch isoliert. Dieses
Kunstharzmaterial füllt den Raum zwischen dem Innenumfang des inneren rohrförmigen
Elementes 1 und dem Außenumfang der Welle 2 vollständig aus. Der Rotor A besitzt
weiterhin ein aus einem Stück bestehendes äußeres rohrförmiges Element 4, das das
magnetisuche, innere rohrförmige Element 1 umgibt. Das äußere rohrförmige Element
4 besteht aus einem geeigneten, nichtmagnetischen und elektrisch leitfähigem Metall,
wie beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Zink. Diese äußere rohrförmige Element
besitzt ebenfalls am Innenumfang und am Außenumfang einen gleichförmigen Radius
sowohl im Querschnitt als auch im Längsschnitt, so daß auch das äußere rohrförmige
Element durchgehend eine gleichförmige Dicke aufweist. Eine ringförmige Schicht
5 aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere aus Kunstharz, ist zwischen
dem äußeren rohrförmigen Element 4 und dem inneren rohrförmigen Element 1 angeordnet.
Das innere rohrförmige Element 1 und das äußere rohrförmige Element 4 sind miteinander
und mit der Welle 2 fest verbunden und drehen sich mit der Welle. Die Welle 2 ist
drehbar in geeigneten, nicht näher dargestellten Lagern gelagert.
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Aus den Fig. 1 und 2 ist zu ersehen, daß der Rotor A keinerlei Nuten,
Vorsprünge, Wicklungen, Pole oder radial sich erstreckende Lamellierungen aufweist.
Das innere rohrförmige Element 1 und das äußere rohrförmige Element 4 haben einen
Aufbau wie eine einfache Trommel.
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Der Rotor A kann als Käfigläufer betrachtet werden mit dem äußeren,
nichtmagnetischen, elektrisch leitenden , rohrförmigen Element 4, das eine unendlich
große Anzahl Käfigpole bildet.
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Der Rotor A wird umfaßt von einem dreiphasigen, mit einer Wicklung
versehenen Stator B herkömmlicher Bauart, wie er in asynchronen Maschinen in bekannter
Weise verwendet wird. Der Stator B kann e in rotierendes Magnetfeld im Bereich des
Rotors A und insbesondere wenigstens im Umfangsbereich des Rotors erzeugen.
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Der radiale Abstand a zwischen der inneren Umfangsfläche des Stators
B und der äußeren Umfangsfläche des magnetischen , inneren rohrförmigen Elementes
1 des Rotors A ist im wesentlichen gleichförmige ausgebildet. Der radiale Abstand
a bildet den magnetischen Spalt zwischen dem Rotor A und dem Stator B. Der radiale
Abstand b zwischen der inneren Umfangsfläche des Stators B und der äußeren Umfangsfläche
des äußeren, nichtmagnetischen, rohrförmigen Elementes 4 des Rotors A ist so klein
bemessen, daß das äußere rohrförmige Element 4 in unmittelbarer Nachbarschaft zum
Stator B angeordnet ist. In bevorzugter Weise ist der radiale Abstand b so ausgebildet,
daß er lediglich einen Freiraum bildet, der für die freie Drehbewegung des Rotors
A gegenüber dem Stator B ausreicht. Der radiale Raum b ist der physikalische Luftspalt
zwischen dem Rotor A und dem Stator B und ist bedeutend kleiner als der magnetische
Spalt a.
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Aus der Darstellung ist außerdem zu ersehen, daß das innere rohrförmige
Element 1 bzw. die innere Trommel und das äußere rohrförmige Element 4 bzw. die
äußere Trommel des Rotors A über das magnetische Material des Stators B an den beiden
Enden überstehen.
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Wie im einzelnen noch erläutert wird, ist der magnetische Spalt a
zwischen dem magnetischen, inneren rohrförmigen Element 1 und dem Stator B in der
Weise bemerkbar bemessen, daß das Magnetfeld, welches vom Stator B zum Rotor A fließt,
in geeigneter Weise geschwächt wird, so daß dabei in geeigneter Weise auch die magnetische
Anziehungskraft
in radialer Richtung zwischen dem Rotor A und
dem Stator B geschwächt wird. Hierdurch wird ein Auflaufen auf einen Schlupf Null
des Rotors A bei Leerlauf verhindert. Jedoch werden bestimmte Charakteristiken der
Maschine, beispielsweise ihr Leistungsfaktor und ihr Wirkungsgrad, durch eine Vergrößerung
der Abmessungen des magnetischen Spaltes a beeinträchtigt. Insofern muß man zwischen
diesen sich entgegenstehenden Auswirkungen bei der Wahl des magnetischen Spaltes
a einen geeigneten Kompromiß finden, um den einzelnen Erfordernissen in ausreichendem
Maße Rechnung zu tragen.
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Um die radiale Anziehungskraft zwischen dem Rotor A und dem Stator
B zu schwächen, ragen die Enden des inneren,magnetischen, rohrförmigen Elementes
1 um einen bestimmten Betrag über die Enden des Stators B hinaus, so daß das Magnetfeld,
das vom Stator B auf den RotorA wirkt, in geeigneter Weise geschwächt wird.
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Um das größtmögliche Drehmoment mit einem Magnetspalt A mit im wesentlichen
gleichförmiger Ausbildung zu erhalten, ist das äußere rohrförmige Element 4 aus
nichtmagnetischem Metall in unmittelbarer Nachbarschaft des Stators B angeordnet,
wobei ein Spielraum bzw. physikalischer Luftspalt b entsteht, der so klein wie möglich
bemessen ist.
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Der Außendurchmesser des elektrisch leitfähigen Teils des Rotors A,
der die magnetischen Feldlinien schneidet, ist so groß wie möglich bemessen. Auf
diese Weise wird das auf die äußere Umfangsfläche des äußeren nichtmagnetischen,
elektrisch leitenden rohrförmigen Elementes 4 des Rotors 4 einwirkende Moment erhöht,
das sich aus der in tangentialer Richtung wirkenden Kraft ergibt.
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Bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel enthäU
die elektrische Maschine Ml einen Rotor A1 mit gleichförmigem Radius.
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Dieser besitzt ein aus einem Stück bestehendes inneres rohrförmiges
Element la aus magnetischem Metall, beispielsweise aus Weicheisen.
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Ferner besitzt der Rotor Al ein mit gleichbleibendem Radius und aus
einem Stück bestehendes, äußeres, rohrförmiges Element 4a aus nichtmagnetischem,
jedoch elektrisch leitfähigem Metall, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder
Zink. Das äußere rohrförmige Element umgibt das magnetische innere rohrförmige Element
la und steht mt diesem in direktem, elektrisch leitfähigem Kontakt.
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An den beiden Enden ist das innere rohrförmige Element la, beispielsweise
durch Schweißungen, mit einem Paar im axialen Abstand voneinander angeordneten Trägern
6 versehen. Diese Träger sind hinwiederum, beispielsweise durch Schweißen, fest
mit einer Welle 2a verbunden.
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Die Welle ist ihrerseits drehbar in geeigneten, nicht näher dargestellten
Lagern gelagert. Das äußere rohrförmige Element 4a ist am inneren rohrförmigen Element
la befestigt und dreht sich zusammen mit der Welle 2a um.
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Die Träger 6 können scheibenförmig ausgebildet sein und aus Metallplatten
bestehen. Sie können jedoch auch in Form von Metallspeichen ausgebildet sein, welche
das innere und das äußere rohrförmige Element la und 4a mit der Welle 2a elektrisch
verbinden.
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Aus den Fig. 3 und 4 ist zu ersehen, daß auch der Rotor la keinerlei
Nuten, Vorsprünge, Wicklungen, Pole oder radial sich erstreckende Lamellierungen
aufweist. Das innere und das äußere metallische, rohrförmige Element la und 4a bilden
ein trommelförmiges Gebilde.
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Der Rotor Al wird umgeben von einem mit einer Wi cklung versehen Stator
B1, wobei ein magnetischer Spalt a zwischen der inneren Umfangsfläche des Stators
B1 und der äußeren Umfangsfläche des magnetischen, inneren, rohrförmigen Elementes
la gebildet wird. Ein Luftspalt b wird außerdem zwischen der inneren Umfangsfläche
des Stators B1 und
der äußeren Umfangsfläche des äußeren, nichtmagnetischen
rohrförmigen Elementes 4a gebildet.
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Das innere rohrförmige Element la und das äußere rohrförmige Element
4a ragen mit ihren beiden Enden über das magnetische Material des Stators B1 hinaus.
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Es sei darauf hingewiesen, daß Änderungen von Einzelheiten der Konstruktion
der Maschine, ohne daß das erfindungsgemäße Prinzip verlassen wird, möglich sind.
Beispielsweise ist es möglich, daß an Stelle der beiden überstehenden Enden sowohl
des inneren wie des äußeren rohrförmigen Elementes nur das magnetische innere rohrförmige
Element 1 bzw. la des Rotors A bzw. A1 der Maschine über ein Ende oder über beide
Enden des Stators B bzw. B1 übersteht, während das nichtmagnetische äußere rohrförmige
Element 4 bzw. 4a im wesentlichen die gleiche Längsausdehnung wie der Stator besitzt.
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Die Wände des inneren rohrförmigen Elementes 1 bzw. la und des äußeren
rohrförmigen Elementes 4 bzw. 4a können eine beliebige geeignete Dicke aufweisen.
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Die Theorie der Wirkungsweise der umlaufenden asynchronen Wechselstrommaschine
nach der Erfindung ist noch nicht vollständig ergründet und noch nicht in allen
Einzelheiten verständlich. Ohne einen Anspruch auf Richtigkeit zu erheben und ohne
den Schutzumfang der Erfindung zu schmälern wird im folgenden ein Versuch unternommen,
die Wirkungsweise der Maschine unter Bezugnahme auf einen umlaufenden asynchronen
Wechselstrommotor zu erklären. Elektrische Energie läßt sich nicht direkt in mechanische
Energie umwandeln. Es ist zunächst notwendig, die elektrische Energie in magnetische
Energie und dann in die mechanische Energie umzuwandeln. In einem umlaufenden Wechselstrommotor
wird
die elektrische Energie in eine Wicklung am Stator eingebracht und dort in magnetische
Energie umgewandelt, wobei Kupfer- und Eisen (Magnetisierungs)- Verluste auftreten.
Die magnetische Energie gelangt aus dem Stator durch einen Luftspalt, durch welchem
Stator und Rotor voneinander getrennt sind, in den Bereich des Rotors, in welchem
die magnetische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Diese kann dem
Rotor an einem umlaufenden Ausgang, beispielsweise einer Welle, entnommen werden.
Der Rotor ist physikalisch und galvanisch getrennt vom Stator, so daß alle dem Rotor
in Form von mechanischer Arbeit entnommene Energie durch den Luftspalt gelangen
muß.
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Die magnetische Energie, welche durch den Luftspalt gelangt, ist gleich
der gesamten elektrischen Energie, die in den Stator eingebracht wird, abzüglich
der Summe der Kupfer- und der Eisenverluste im Stator. Die mechanische Energie,
welche dem Rotor in Form von verwendbarer Arbeit entnommen wird, muß gleich der
magnetischen Energie sein, die durch den Luftspalt vom Stator in den Rotor gelangt
abzüglich von Verlusten im Rotor, wie beispielsweise Reibungsverluste, Windbelastung
und möglicherweise Wärmeverluste.
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Versuche und Berechnungen haben ergeben, daß bei einem herkömmlichen
dreiphasigen Käfigläufermotor die mechanische Energie, welche als Arbeit dem Rotor
entnommen wird, im wesentlichen gleich ist der magnetischen Energie, die durch den
Luftspalt vom Stator in den Rotor (d. h. die gesamte elektrische Energie, welche
in den Stator eingebracht wird abzüglich der Summe der Kupfer- und Eisenverluste
im Stator) gelangt abzüglich der Reibungs- Windbelastungsverluste im Rotor. Das
bedeutet, daß, wenn überhaupt, nur äußerst geringe Wärmeverluste im Rotor auftreten.
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In herkömmlicher Weise läßt sich die Wechselwirkung zwischen dem Stator
(Primärteil) und dem Rotor (Sekundärteil) einer umlaufenden Wechselstrommaschine
vergleichen mit der Wechselwirkung der Primärwicklung und der Sekundärwicklung eines
Transformators. Hierzu wird vom Anmelder die Auffassung vertreten, daß dies nur
dann eine richtige Annäherung sein kann, wenn keine Relativbewegung zwischen dem
Rotor und dem Stator des Motors vorhanden ist. Diese Annäherung ist jedoch dann
nicht mehr richtig, wenn der Rotor sich zu bewegen beginnt. Wenn der Rotor eines
Motors sich bewegt, steht mechanische Energie zur Verfügung, während in einem Transformator
die Primär-und Sekundärwicklungen ortsfest zueinander angeordnet sind, so daß keine
mechanische Arbeit zur Verfügung gestellt wird. Im Hinblick auf die Erfüllung des
Gesetzes der Erhaltung der Energie beruht die Theorie des Anmelders darauf, daß
ein Energiegleichgewicht zu jedem Zeitpunkt beibehalten wird. Die in den Stator
eines Motors eingeleitete Energie abzüglich der Verluste im Stator und im Rotor
sind gleich der mechanischen Energie, welche tatsächlich dem Rotor entnommen werden
kann, wobei keinerlei magnetische Energie aus dem Rotor in den Stator zurückgegeben
wird.
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Wenn ein Motor im Leerlauf vom Schlupf 1 zum Schlupf 0 aufläuft (d.
h.
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vom Stillstand bis zum synchronen Umlauf ) wird ein Energieüberschuß
in den Rotor eingebracht, es sei denn, der Luftspalt besitzt eine geeignete Abmessung.
Ein derartiger Energieüberschuß erzeugt eine rasche Erhitzung des Rotors, während
der Statorstrom unter seiner thermischen Grenze verbleibt. Wenn der Rotor sich der
synchronen Drehzahl nähert (d. h., wenn der Schlupf gleich oder annähernd gleich
0 ist), ergibt sich die alleinige mechanische Belastung des Rotors aus der Reibung
und dem Windbelastungsverlust. Wenn der Rotor Schritt hält mit dem umlaufenden Magnetfeld
ist der Rotor inaktiv, da das Feld nicht mehr durchsetzt bzw. geschnitten wird.
Unter diesen Bedingungen erwärmt
sich das Metall des Rotors nicht,
da die Reibungs- und die Windbelastungsverluste gleich der in den Rotor eingegebenen
Energie sind.
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Wenn der Rotor an seiner Welle belastet ist, tritt ein Abfall der
Drehzahl auf. Der Rotor wird aktiv und gibt an der Welle ein entsprechendes Drehmoment
ab, das direkt in Arbeit umgewandelt werden kann.
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Auf diese Weise wird das Energiegleichgewicht beibehalten. Das bedeutet,
daß der Motor eine gerade ausreichende Energie zieht bzw.
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entnimmt, um den jeweils momentanen Verhältnissen Genüge zu tun: Der
magnetische Eingang in die Rotorverluste im Rotor = der mechanische Ausgang vom
Rotor.
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Die Fig. 5 zeigt grafisch den Energiebedarf eines herkömmlichen dreiphasigen
Käfigläuferinduktionsmotors zwischen Leerlauf und etwa 10 % Überlast. Die weißen,
nichtstrichlierten Bereiche stellen die Belastung und die Verluste dar, während
die strichlierten Bereiche die Energie, welche oszilliert, darstellen. Diese oszillierende
Energie ist für die Magnetisierung erwünscht und bleibt fast konstant über den gesamten
Belastungsbereich und ist etwas höher bei Leerlauf. Aus der Darstellung ist zu ersehen,
daß mit wachsender Last lediglich der weiße Bereich (der auch die Statorkupferverluste
enthält) anwächst. Hieraus resultiert ein Anwachsen des Leistungsfaktors und des
Wirkungsgrades.
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Da, wie im vorstehenden schon erwähnt, Versuche und Berechnungen gezeigt
haben, daß meistens, wenn nicht immer, die magnetische Energieeingabe in den Rotor
abzüglich der Reibungs- und der Windbelastungsverluste von der Welle als verwendbare
mechanische Arbeit entnommen werden kann, ergibt es sich, daß, wenn überhaupt eine
äußerst geringe Energiemenge für elektrischeAktivität im Rotor verlorengeht, die
unter normalen Betriebsbedingungen lediglich durch die Schlupffrequenz,
welche
im Bereich von 1 bis 2 Hz sein kann, beeinflußt wird.
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Die vorstehenden Überlegungen führen zu dem Schluß, daß die Magnetisierung
und der Energiefluß in einer umlaufenden Wechselstrommaschine in einer Richtung
gerichtet verlaufen (d. h. nur vom Stator in den Rotor), und daß aufgrund der daraus
folgenden elektrischen Inaktivität des Rotors es nicht notwendig ist, den Rotorkern
zu lamellieren, sondern daß gemäß der Erfindung ein einfach und eben ausgebildeter
Rotor verwendet werden kann.
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Bekanntlich besitzt eine Wechselstromleistungskurve eine zweifache
Netzfrequenz, die durch den Leistungsfaktor in der Weise beeinflußt ist, daß die
Leistungskurve positiv ist, wenn die Momentanwerte des Stromes und der Spannung
die gleiche Polarität aufweisen und die negativ wird, wenn Strom und Spannung entgegengesetzte
Polaritäten aufweisen. Derartige grafisch dargestellte Leistungskurven lassen sich
in den verschiedensten Hand- und Lehrbüchern finden, die vor der Jahrhundertwende
veröffentlicht wurden. Zum damaligen Zeitpunkt waren jedoch die zur Verfügung gestandenen
Meßtechniken noch so beschaffen, daß sie eine fassliche Analyse der Leistung und
der Energie, welche aufgrund der heute elektronischen Einrichtungen möglich ist,
noch nicht erlaubten.
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Es ist herkömmliche Praxis, die augenblickliche Leistung als P = VI
cos g darzustellen, wobei cos der Leistungsfaktor ist.
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Es hat sich herausgestellt, daß die Messung der alternierenden bzw.
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wechselnden Leistung mit herkömmlichen Mitteln auf der Grundlage des
Konzepts des Leistungsfaktors relativ einfach und für Leistungsfaktoren, welche
nicht allzusehr von 1 abweichen, d. h. in etwa von 0, 6 induktiv bis 1, bis 0, 6
kapazitiv, in zutreffendem Maße gemessen
werden kann. Bei geringeren
Leistungsfaktoren jedoch wird die Leistungsmessung schwierig und es ergeben sich
zweifelhafte Ergebnisse.
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Dies ist auch bei transienten und subtransienten Bedingungen der Fall.
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Aus den deutschen Patentschriften 23 43 842 und 26 43 457 sowie 26
46 630 sind Geräte zur Leistungsmessung bekannt, die ein klares Bild über den Energiefluß
vermitteln. Der Betrieb der bekannten Leistungsmeßeinrichtungen beruht auf dem Prinzip,
daß die augenblicklich von einer Wechselstromquelle gelieferte Energiemenge gleich
dem algebraischen Produkt der Augenblickswerte aus Spannung und Strom im System
ist, so daß die Energie bzw. Leistung eine positive Polarität in jedem Zyklus aufweist,
wenn Spannung und Strom in Phase sind und von positiver zur negativen Polarität
wechseln. während jedem Zyklus, während welchem Spannung und Strom nicht in Phase
sind. Die Energie bzw. Leistung von der Energiequelle, welche absorbiert oder in
Arbeit umgewandelt wird, ist die Differenz zwischen den integrierten positiven Werten
der Energie und den integrierten negativen Werten der Energie.
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Ideale Verhältnisse herrschen vor, wenn Spannung und Strom in Phase
sind, so daß durch das System nur positive Energie geliefert wird und die gesamte,
vom System abgezogene Energie in Arbeit umgewandelt wird oder durch Verluste absorbiert
wird. Diese Verhältnisse herrschen dann vor, wenn der Leistungsfaktor 1 existiert.
Wenn Spannung und Strom außer Phase miteinander sind (d. h., wenn der Leistungsfaktor
geringer als 1 ist), wird vom System bei jedem Zyklus eine positive Leistung zunächst
entnommen, jedoch gibt es auch eine Betriebsbedingung, bei der Leistung gespeichert
wird, und während des letzten Teiles eines jeden Zyklus wird Energie mit negativer
Polarität in die Energiequelle zurückgebracht. Die integrierten Werte der positiven
Energie, die vom System geliefert wurde, sind immer größer als die integrierten
Werte der negativen Energie, welche anschließend in das System zurückgebracht werden.
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Es ist daher logisch, die positive Komponente der Leistung mit "Vorlauf"
und die negative Komponente der Leistung mitttRücklauf" zu benennen, da nur die
positive Komponente Wirkleistung enthält, welche in Arbeit umgewandelt werden kann.
Die negative Komponente stellt den Teil der Energie dar, welche nicht in Arbeit
umgewandelt werden kann und momentan gespeichert wird und welche in die Quelle zurückgebracht
wird.
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Um dieses Konzept zu analysieren, ist es notwendig, anzunehmen, daß
sowohl die Spannung als auch der Strom sinusförmig verlaufen und daß die daraus
resultierende Leistungskurve ebenfalls einen sinusförmigen Verlauf hat.
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Die augenblickliche algebraische Multiplikation der Augenblickswerte
von Spannung und Strom,entsprechend den Vorschlägen der vorstehend genannten Patentschriften,
ergeben eine "natürliche Achse" bzw. Bezugslinie gegenüber der der Leistungsfaktor
in korrekter Weise wie folgt ausgedrückt werden kann: Leistungsfaktor = Vorlaufleistung
- Rücklaufleistung Vorlaufleistung + Rücklaufleistung.
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Da die Flächen, welche durch die Leistungskurve gebildet werden, eine
Energie darstellen, kann außerdem folgende Gleichung aufgestellt werden: Energiefaktor
= Vorlaufenergie - Rücklaufenergie Vorlaufenergie + Rücklaufenergie.
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Der Energiefaktor ist nicht gleich dem Leistungsfaktor, wenn die Leistungskurve
nur einer Phase betrachtet wird. Dies beruht darauf, daß die Abszisse der Leistungskurve
die momentanen Watt-Werte (Watt hat keine Zeitdimension) darstellen, während die
Flächen, welche durch
die Leistungskurve gebildet werden, einen
Zeitfaktor enthalten und demnach Watt-Sekunden oder Joules als zutreffende physikalische
Einheit für Energie aufweisen. Dies wird auch aus der folgenden Tabelle I und aus
der Fig. 6 ersichtlich.
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Wenn die Kurven eines sinusförmigen dreiphasigen Wechselstromleistungssystems,
in welchem die Phasenunterschiede 1200 betragen, wie in Fig. 6 dargestellt, einander
überlagert werden, ergibt sich, daß alle Augenblickswerte zu einer absolut linearen
Konstanten aufsummiert werden können, wie das in der folgenden Tabelle I dargestellt
ist.
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TABELLE I Aufsummierung der kVA-Werte bezüglich der künstlichen Bezugsachse
der Fig. 6
Phase R 0 0, 671 2, 5 5 7, 5 9, 33 10 9, 33 7, 5 5 2, 5 0,
67 0 |
Phase S 7,5 9,33 10 9,33 7, 5 5 2,5 0,67 0 0,6 2,5 5 7,5 |
Phase T 7, 5 5 2, 5 0,6 0 0, 67 2, 5 5 7, 5 9, 3 10 9, 33 7,
5 |
R+S+T=£ 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 |
Aufsummierung der kW-Werte gegenüber der natürlichen Achse in der Fig.
Phase R -1 0,33 1,5 4 6,5 8,33 9 8,33 6,5 4 1,5 -0,33 -1 |
Phase 6,5 8,33 g >336,5 4 1,5 -0, 33 -1 0,33 1,5 4 6,5 |
Phase T 6,5 4 1,5- 0,33 -1 -0,33 1,5 4 6,5 8,33 9 8,33 6,5 |
R+S+T= # 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 |
Die Tabelle I zeigt, daß die Gesamt- kVA-Werte und di e GesamtkW-Werte,
welche durch Addieren der Momentanwerte einer jeden sinusförmigen Leistungskurve
erhalten werden, absolut konstante Werte sind, die nicht oszillieren. Es wird dabei
ein Dreiphasenleistungseingang von 3 4 = 12 kW und 3 5 = 15 kVA angenommen.
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Die drei Leistungskurven in der Fig. 6 besitzen eine gemeinsame Symmetrieachse,
eine gemeinsame natürliche Achse und gleiche Spitze zu Spitze-Werte. Sie stellen
daher deren kombinierte Energie als eine Fläche dar, die proportional der magnetischen
Energie ist, die vom Stator zum Rotor einer umlaufenden asynchronen Wechselstrommaschine
fließt.
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Aus den so gebildeten Flächen kann der Leistungsfaktor naturgetreu
bestimmt werden, da: Gesamtfläche der Wirkleistung = Leistungsfaktor.
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= Leistungsfaktor.
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Gesamtfläche der Scheinleistung Die Energie in einem dreiphasigen
Wechselstromleistungssystem ist unipolar, d. h. sie oszilliert nicht und verteilt
sich auf alle Punkte der Umfangsfläche des Rotors einer asynchronen Wechselstrommaschine
gleichförmig und kann nicht zurückfließen. Das bedeutet, daß sie entweder in mechanische
Arbeit umgewandelt wird oder zum Teil in Wärme bei einer sub-synchronen Drehzahl,
wenn der Schlupf größer als 0 ist.
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In einem umlaufenden asynchronen Wechselstrommotor ist eine magnetische
Anziehungskraft in radialer Richtung zwischen den magnetischen Körpern des Stators
und des Rotors vorhanden. Diese radial gerichtete Anziehungskraft behindert die
Drehung des Rotors gegenüber dem
Stator. Sie wirkt als Drehmoment
oder als axialer Schub auf den Rotor.
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Aus Fig. 6 ist zu ersehen, daß trotz der Tatsache, daß das Magnetfeld
umläuft, die radiale Anziehungskraft nicht oszilliert, sondern konstant bleibt für
die gegebenen Betriebsbedingungen.
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Aus Fig. 6 ist außerdem zu ersehen, daß in Abhängigkeit vom Leistungsfaktor
lediglich das Magnetfeld des Stators teilweise oszilliert, d. h.
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die Richtung ändert mit einer Frequenz von 100 Hz pro Phase oder 300
Hz in einem dreiphasigen System. Die Reaktionskräfte zwischen Stator und Rotor erzeugen
daher ein Drehmoment oder einen tangential gerichteten Schub, der eindeutig vom
Leistungsfaktor, d. h. von der Beziehung zwischen Vorlauf- und Rücklaufleistung
abhängt. Bei einem niedrigen Leistungsfaktor ist der Anteil an Wirkleistung niedrig
und es muß zu diesem Zeitpunkt ausreichend Energie in den Rotor eingebracht werden,
um diesen in Umlauf zu halten.
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Bei einer Wechselstrommaschine nach der Erfindung muß der Abstand
a zwischen dem Stator und dem magnetischen inneren rohrförmigen Element 1 des Rotors
A (d. h. der magnetische Spalt) in geeigneter Weise ausgewählt und bemessen sein,
so daß die radial wirksame magnetische Anziehungskraft zwischen dem Stator und dem
Rotor in geeigneter Weise abgeschwächt wird, ohne daß dabei der Leistungsfaktor
und der Wirkungsgrad der Maschine zu stark beeinträchtigt werden. Wenn der magnetische
Spalt zu gering bemessen ist, verhindert die radiale magnetische Anziehungskraft,
daß der Rotor zu einer Drehzahl bei Leerlauf kommt. Wenn der magnetische Spalt zu
groß bemessen ist, ist ein höherer magnetisierender Strom notwendig, um eine ausreichende
magnetische Energie in den Rotor einzubringen. Hier muß in Abhängigkeit von den
Gegebenheiten ein geeigneter Kompromiß gefunden werden.
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Um die radiale magnetische Anziehungskraft zwischen dem Stator und
dem Rotor abzuschwächen, können die Enden des magnetischen inneren
rohrförmigen
Elementes 1 des Rotors A an einem Ende oder an beiden Enden über die Enden des Stators
B überstehen, wie das in der Fig. 1 gezeigt ist. Die Länge des Vorsprungs bzw. der
vorspringenden Teile wird in Abhängigkeit der vorhandenen Gegebenheiten zu ermitteln
sein.
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Wenn der magnetische Spalt a bei vorgegebenem Innendurchmesser des
Stators B vergrößert wird, ist es notwendig, den Außendurchmesser des magnetischen,
inneren rohrförmigen Elementes 1 des Rotors 1 zu verringern. Demzufolge muß das
Moment bzw. die Kraft (d.h. das Drehmoment), welche durch den tangentialen Schub
auf die äußere Umfangsfläche des magnetischen, inneren rohrförmigen Elementes 1
einwirkt, sich ebenfalls verringern.
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Um ein möglichst hohes Drehmoment bei einem vorgegebenen magnetischen
Spalt a zu erzielen, ist ein nichtmagnetisches, äußeres rohrförmiges Element 4 am
Rotor A vorgesehen, das das magnetische , innere rohrförmige Element 1 umgibt. Das
äußere rohrförmige Element 4 ist dabei in unmittelbarer Nähe zum Stator B angeordnet,
wobei nur ein geringer Zwischenraum oder r>hysikalischer Luftspalt b belassen
wird. Auf diese Weise wird der Außendurchmesser des elektrisch leitfähigen Teiles
des Rotors A so groß wie möglich bemessen. Dieser leitfähige Teil des Rotors schneidet
die magnetischen Schlußlinien und dadurch wird das Moment der Kraft, die auf den
Rotor A an der äußeren Umfangsfläche des elektrisch leitfähigen, nichtmagnetischen,
äußeren rohrförmigen Elementes 4 einwirkt, erhöht.
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Obgleich die in den Fig. 1 und 2 bzw 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen
für das magnetische, innere rohrförmige Element 1 bzw. la des Rotors 1 bevorzugt
sind und es außerdem bevorzugt ist, daß ein Ende oder beide Enden derselben über
die Enden des Stators B bzw. B1 überstehen, ist es auch möglich, daß das magnetische,
innere rohrförmige
Element 1 bzw. la nicht übersteht und im wesentlichen
die gleiche Länge besitzt wie der Stator B bzw. B1.