DE2947309A1

DE2947309A1 - Umlaufende asynchrone wechselstrommaschine

Info

Publication number: DE2947309A1
Application number: DE19792947309
Authority: DE
Inventors: Bruno Gerhard Waurick
Original assignee: Waurick & Ass
Current assignee: Waurick & Ass
Priority date: 1978-11-23
Filing date: 1979-11-23
Publication date: 1980-05-29
Also published as: ZA786603B; JPS55106060A

Description

Umlaufende asynchrone Wechselstrommaschine
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.
Das magnetische Element kann als massiver Zylinder ausgebildet sein, bevorzugt ist es jedoch als Hohlzylinder ausgebildet, so daß es ebenfalls eine rohrförmige Gestalt aufweist.
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.
Das magnetische Element kann aus einem geeigneten magnetischen Metall, beispielsweise Weicheisen, bestehen.
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.
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.
Das nichtmagnetische, rohrförmige Element kann aus jedem beliebigen geeigneten nichtmagnetischen Metall bestehen, das elektrisch leitfähig ist, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Zink.
Das nichtmagnetische, rohrförmige Element und das magnetische Element können oder können nicht in elektrisch leitfähiger Verbindung miteinander angeordnet sein.
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.
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.
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.
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.
Die Maschine kann mit einem gewickelten Stator herkömmlicher Bauart ausgerüstet sein.
Die Maschine kann als mehrphasiger, insbesondere dreiphasiger, asynchroner Generator oder Induktionsmotor ausgebildet sein.
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.
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.
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.
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.
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.
Der Rotor A kann als Käfigläufer betrachtet werden mit dem äußeren, nichtmagnetischen, elektrisch leitenden , rohrförmigen Element 4, das eine unendlich große Anzahl Käfigpole bildet.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel enthäU die elektrische Maschine Ml einen Rotor A1 mit gleichförmigem Radius.
Dieser besitzt ein aus einem Stück bestehendes inneres rohrförmiges Element la aus magnetischem Metall, beispielsweise aus Weicheisen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Das innere rohrförmige Element la und das äußere rohrförmige Element 4a ragen mit ihren beiden Enden über das magnetische Material des Stators B1 hinaus.
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.
Die Wände des inneren rohrförmigen Elementes 1 bzw. la und des äußeren rohrförmigen Elementes 4 bzw. 4a können eine beliebige geeignete Dicke aufweisen.
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.
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.
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.
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.
Wenn ein Motor im Leerlauf vom Schlupf 1 zum Schlupf 0 aufläuft (d. h.
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.
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.
Auf diese Weise wird das Energiegleichgewicht beibehalten. Das bedeutet, daß der Motor eine gerade ausreichende Energie zieht bzw.
entnimmt, um den jeweils momentanen Verhältnissen Genüge zu tun: Der magnetische Eingang in die Rotorverluste im Rotor = der mechanische Ausgang vom Rotor.
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.
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.
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.
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.
Es ist herkömmliche Praxis, die augenblickliche Leistung als P = VI cos g darzustellen, wobei cos der Leistungsfaktor ist.
Es hat sich herausgestellt, daß die Messung der alternierenden bzw.
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.
Dies ist auch bei transienten und subtransienten Bedingungen der Fall.
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.
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.
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.
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.
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.
Da die Flächen, welche durch die Leistungskurve gebildet werden, eine Energie darstellen, kann außerdem folgende Gleichung aufgestellt werden: Energiefaktor = Vorlaufenergie - Rücklaufenergie Vorlaufenergie + Rücklaufenergie.
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.
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.

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.

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.
Aus den so gebildeten Flächen kann der Leistungsfaktor naturgetreu bestimmt werden, da: Gesamtfläche der Wirkleistung = Leistungsfaktor.
= Leistungsfaktor.
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.
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.
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.
Aus Fig. 6 ist außerdem zu ersehen, daß in Abhängigkeit vom Leistungsfaktor lediglich das Magnetfeld des Stators teilweise oszilliert, d. h.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Umlaufende asynchrone Wechselstrom maschine Patentansprüche: 1. Umlaufende asynchrone Wechselstrommaschine mit einem drehbar gelagerten Rotor und einem den Rotor umgebenden Stator, der ein umlaufendes Magnetfeld im Bereich des Rotors erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß derRotor(A)ein magnetisches Element(1, ia) zylindrischer Form sowie ein nichtmagnetis ches, elektrisch leitfähiges, rohrförmiges Element(4, 4a), welches das magnetische Element(1, la) umgibt, aufweist.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element(1, 1a) rohrförmig ausgebildet ist.
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element«, und das nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Element 46 4a) jeweils aus einem Stück gebildet sind.
4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element 4 und das nichtmagnetische Element(4, 4a) jeweils gleichförmige Radien besitzen.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element (1, la)aus magnetischem Metall gebildet ist.
6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element«, aus Weicheisen besteht.
7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element(1, 1vomStator(B, Bi einen im wesentlichen gleichbleibenden Abstand a aufweist, der so bemessen ist, daß der Rotor(A, Al)bei Leerlauf in Richtung zu einem Schlupf 0 auflaufen kann.
8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element(1, 1a)eineLängserstreckung aufweist, die über das magnetische Material des Stators (13, B1)am einen Ende oder an beiden Enden des magnetischen Elementes (1, 1a)iibersteht.
9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gek e n n z e i c h ne t, daß das nichtmagnetische rohrförmige Element (4, 4a)in unmittelbarer Nähe vom Stator, Bl)sich befindet.
10. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmagnetische rohrförmige Element , 4a)aus Kupfer, Zink oder Aluminium besteht.
11. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gek e n n z e i c h ne t, daß das nichtmagnetische rohrförmige Element (4, 4a)und das magnetische Element (1, la)in elektrisch leitender Verbindung miteinander stehen.
12. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmagnetische rohrförmige Element (4, 4a)elektrisch isoliert ist vom magnetischen Element (1, la).
13. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element (1, 1a)und das nichtmagnetische Element(4, 4a)an einer Welle(2, 2a)zum Mitumlaufen mit dieser befestigt sind.
14. Maschine nach Anspruch 13, dadur ch gekennzeichnet, daß das magnetische Element ¢, 1a>und/oder das nichtmagnetische Element (4, 4a) mit der Welle (2, 2a) in elektrisch leitfähiger Verbindung stehen.
15. Maschine nach Anspruch 13, dadur ch gekennzeichnet, daß das magnetische Element « und/oder das nichtmagnetische rohrförmige Element(4, 4a)elektrisch isoliert von der Welle (2, 2a) sind.
16. Maschine nach einem der Ansprüch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß diese als mehrphasiger asynchroner Generator oder Induktionsmotor ausgebildet ist.