DE3049808T1

DE3049808T1 - Polyphase electric machine having controlled magnetic flux density

Info

Publication number: DE3049808T1
Application number: DE803049808T
Authority: DE
Inventors: C Wanlass
Original assignee: WANLASS TECHN Inc; WANLASS TECH Inc
Current assignee: WANLASS CRAVENS L ALPINE UTAH US
Priority date: 1979-08-14
Filing date: 1980-08-13
Publication date: 1982-02-25
Also published as: IL60816A; BR8008787A; IN152698B; MX150292A; IE801714L; NL192903C; NL192903B; IT8024148A0; BE884791A; CH667168A5; AT375791B; IL60816A0; FR2463532A1; GB2074796A; ES8106215A1; CZ560280A3; HU207911B; ES494238A0; KR830003962A; PL226235A1

Description

-ι-

Mehrphasige elektrische Maschine mit gesteuerter Induktion

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Mehrphasenmaschinen, und zwar Motoren und Generatoren. Sie wird an Motoren beschrieben, speziell an Dreiphasenmotoren, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt.

Heutige Induktionsmotoren wie Wirbelstromläufermotoren haben zahlreiche Einschränkungen. Z. B. nehmen sie bei starker Belastung sehr hohe Ströme auf, wenn der Rotor abgebremst wird, was dazu führen kann, daß der Motor verbrennt, wenn er nicht durch Hilfseinrichtungen geschützt ist. Derartige Motoren haben ein hohes Verhältnis von AnIauf-Drehmoment zu Lauf-Drehmoment, um eine Motorbeschädigung für den überlastfall zu vermeiden, und folglich muß die Flußdichte während des Normalbetriebs auf nicht optimalen Werten gehalten werden. Diese relativ niedrige Flußdichte bei Normalbetrieb ist auch erforderlich wegen möglicher Eingangsspannungsschwankungen. Weil die Flußdichte relativ gering gehalten werden muß, müssen die Abmessungen des Motors beträchtlich größer sein als dies theoretisch erforderlich wäre für einen Idealmotor, mit dem die gewünschte Leistung erzielt werden soll. Außerdem ist die Abgabeleistung, die von derartigen Motoren abgenommen werden kann, erheblich von der Netzspannung abhängig und in gewissem Grad auch von der Netzfrequenz. Ein weiteres, mit herkömmlichen Induktionsmotoren verbundenes Problem ist der hohe An-

230608/0049

-J-

laufstrom, der mit ihrer Arbeitsweise einhergeht. Auch dies ist ein Grund dafür, daß die Flußdichte bei geringer Belastung höher ist, als es für wirkungsgradgünstigen Betrieb bei derartigen Belastungen tatsächlich nötig wäre. Gewöhnlich muß bei Motoren jeder Größe eine äußere Strombegrenzungsvorrichtung vorgesehen werden, oder es müssen spezielle und teuere Rotorkonstruktionen verwendet werden. Diese Probleme bestehen sowohl bei Einphasen- als auch bei Mehrphasenmotoren.

Ein weiteres Problem besteht bekanntermaßen in der Auslegung eines Motors, der im Normallastbereich mit gutem Wirkungsgrad arbeiten soll, damit er einen hohen Leistungsfaktor und gleichzeitig ein hohes Anlaufdrehmoment und ein hohes Kippmoment hat, wenn dies für besondere Verwendungsfälle benötigt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Mit der Erfindung werden die an elektrischen Mehrphasenmaschinen aufgezeigten Mängel und Nachteile beseitigt oder vermindert, indem ein System geschaffen wird, durch das die Magnetflußdichte mit Stator für die erforderlichen Lastzustände auf einer optimalen Größe gehalten wird in bezug dazu, was bei herkömmlichen Induktionsmotoren zulässig ist. Da die durch einen Leiter erzeugte Kraft durch folgende Gleichung bestimmt ist:

F = BlI,

worin F die Kraft, B die Flußdichte oder Induktion, 1 die Länge des Leiters und I der Strom im Leiter sind, läßt sich erkennen, daß durch günstige Werte von B und I bei einer gegebenen Länge 1 die Kraft und folglich auch das Drehmoment

230608/0049

Claims

Patentansprüche

1. I Elektrische Mehrphasenmaschine,

«kennzeichnet durch einen Stator mit einem Kern aus magnetischem Material; einen Rotor; eine mehrphasige Statorhauptwicklung mit einem Wicklungsteil für jede Phase, die auf den Kern gewickelt ist und das magnetische Material umschließt, eine Mehrzahl von Eingangsklemmen, die mit einer Quelle einer mehrphasigen Wechselspannung verbindbar sind; eine Mehrzahl von Kondensatoren; Mittel, die die Kauptwicklung einer jeden Phase in Reihenschaltung mit einem der Kondensatoren verbinden, wobei die Reihenschaltung mit den Eingangsklemmen verbunden ist; und eine mehrphasige Steuerwicklung mit einem Wicklungsteil für jede Phase, die auf den Kern gewickelt ist und das magnetische Material umschließt und die mit der Mehrzahl von Eingangsklemmen zusammen mit dem zugehörigen Hauptwicklungsteil verbunden und in entgegengesetztem Sinne gewickelt ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und die Steuerwicklung jeweils mehrere Magnetpole bilden, wobei die Mitten der Pole der Hauptwicklung magnetisch die Magnetpole der Steuerwicklung übergreifen und die Mitten der Pole der Steuerwicklung magnetisch die Magnetpole der Hauptwicklung übergreifen.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und die Steuerwicklung verschiedene Magnetpole bilden, wobei die Mitten der Pole der Steuerwicklung magnetisch im wesentlichen zwischen den Polen der Hauptwicklung liegen.

230608/00/* 9

.4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwicklung radial außerhalb der Hauptwicklung gewickelt ist, so daß der Raum zwischen der Hauptwicklung und dem Rotor im wesentlichen die Streureaktanz der Hauptwicklung verringert.

5. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptwicklung radial außerhalb der Steuerwicklung gewickelt ist, wodurch das Anlauf-Drehmoment und das Kipp-Moment gesteigert sind.

6. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei Phasen vorhanden sind, daß die Phasen der Wicklung mit den Buchstaben A, B und C und die Phasen der Steuerwicklung mit den Buchstaben A¹, B¹ und C bezeichnet sind, und daß die hauptsächliche radiale räumliche Ausrichtung der Phasen der Haupt- und Steuerwicklung AB¹, BC bzw. CA¹ ist.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Schwachlast die resultierende Gesamtinduktion von Haupt- und Steuerwicklung, die im wesentlichen radial benachbart sind, gering ist und daß mit steigender Last die Gesamtinduktion steigt, da die Flußerzeugung der Wicklungen einander unterstützend wird.

3 0 6 0 8/0049

30A9808

.8. Elektrische Mehrphasenmaschine, gekennzeichnet durch: einen Stator mit einem Kern aus magnetischem Material, einen Rotor? eine mehrphasige Hauptstatorwicklung mit einem Wicklungsteil für jede Phase, die auf den Kern gewickelt ist und das magnetische Material umschließt; eine Mehrzahl von Eingangsklemmen, die mit einer Quelle für mehrphasige Wechselspannung verbindbar sind; eine Mehrzahl von Kondensatoren; Mittel zum Verbinden der Hauptwicklung einer jeden Phase in Reihenschaltung mit einem der Kondensatoren und der Reihenschaltung mit den Eingangsklemmen; und eine mehrphasige Steuerwicklung mit einem Wicklungsteil für jede Phase, die auf den Kern gewickelt ist und das Magnetmaterial umschließt und mit mehreren Eingangsklemmen zusammen mit der entsprechenden Hauptwicklung und den in Reihe geschalteten Kondensatoren verbunden ist, wobei die entsprechende Steuerwicklung einer jeden Phase räumlich im Stator so angeordnet ist, daß die Vektorbeziehung der Ströme der Hauptwicklung und der Ströme der Steuerwicklung, die der Hauptwicklung im wesentlichen radial benachbart ist, bewirkt, daß die Vektorsumme der Ströme der entsprechenden Wicklungsteile abnimmt, wenn sich die Belastung zum Vollast-Zustand hin vergrößert.

9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwicklung und die Hauptwicklung in entgegengesetzem Sinne derart gewickelt sind, daß bei Schwachlast die sich einstellende Gesamtinduktion aus Haupt- und Steuerwicklung gering ist, und mit steigender Belastung die Induktion steigt, da die Vektorposition des Stroms in der entsprechenden Steuerwicklung sich ändert und die Magnetflußerzeugung einander im wesentlichen unterstützend wird.

230608/0049

10. Maschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und die Steuerwicklung jeweils mehrere Magnetpole bilden, wobei die Mitten der Pole der Hauptwicklung magnetisch die Magnetpole der Steuerwicklung übergreifen und die Mitten der Pole der Steuerwicklung magnetisch die Magnetpole der Hauptwicklung übergreifen.

11. Maschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und die Steuerwicklung verschiedene Magnetpole bilden, wobei die Mitten der Pole der Steuerwicklung magnetisch im wesentlichen zwischen den Polen der Hauptwicklung liegen.

12. Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwicklung radial außerhalb der Hauptwicklung gewickelt ist, so daß der Raum zwischen der Hauptwicklung und dem Rotor im wesentlichen die St reureaktanz der Hauptwicklung verringert.

13. . Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß drei Phasen vorhanden sind, daß die Phasen der Hauptwicklung mit den Buchstaben A, B und C und die Phasen der Steuerwicklung mit den Buchstaben A¹, B¹ und C bezeichnet sind, und daß die hauptsächliche radiale räumliche Ausrichtung der Phasen der Haupt- und Steuerwicklung AB¹, BC bzw. CA' ist.

14. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kondensator mit einer Spannung aufladbar ist, die bei Addition zur Wechselspannung ausreicht,

230608/0049

einen Voltsekundenwert am magnetischen Material des Statorkerns hervorzurufen, der größer als die Voltsekundenkapazität des magnetischen Materials ist, so daß das magnetische Material periodisch in entgegengesetzten Richtungen bei den Änderungen der Polarität der Phasen der Mehrphasen-Wechselspannung in Sättigung gerät im wesentlichen radial benachbart der Hauptwicklung bewirkt, daß die Vektorsumme der Ströme in den entsprechenden Wicklungen abnimmt, wenn die Last gegen Vollast zunimmt.

15, Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren so aufladbar sind, daß der Stator periodisch sich nicht linear vom ungesättigten in einen gesättigten Zustand ändert.

16. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Motor ist.

17. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß drei Phasen vorhanden sind und die vektorielle Beziehung zwischen dem Strom der Hauptwicklung und dem Strom der radial benachbarten Steuerwicklung bei Leerlauf im wesentlichen in Phase ist und mit steigender Belastung zunehmend außer Phase gerät.

18. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptwicklung und die Kondensatoren in Stern und die Steuerwicklung in Stern geschaltet sind.

230608/0049

19. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptwicklung und die Kondensatoren im Dreieck und die Steuerwicklung im Dreieck geschaltet sind.

20. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptwicklung und die Kondensatoren im Stern und die Steuerwicklung im Dreieck geschaltet sind.

21. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptwicklung und die Kondensatoren im Dreieck und die Steuerwicklung im Stern geschaltet sind.

230608/0049