DE314651C

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Publication number: DE314651C
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Die Erfindung bezweckt, das Anlaufmoment von Induktionsmotoren, mit Käfiganker zu erhöhen. Zu diesem Zwecke wird die Käfigankerwicklung in solcher Weise ausgeführt, daß in ihr bei verhältnismäßig hoher Frequenz, also im Anlauf bzw. bei großer Schlüpfung der Verlust durch Wirbelströme erhöht wird. Das Wesen der Erfindung wird im folgenden an Hand der Diagramme der Fig. 1 bis 4 erläutert. Die Fig. 5 und 6 stellen schaubildlich zwei Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes dar. '. The aim of the invention is to increase the starting torque of induction motors with a cage armature. For this purpose, the squirrel cage winding is designed in such a way that the loss due to eddy currents is increased in it at a relatively high frequency, that is to say during start-up or when there is large slippage. The essence of the invention is explained below with reference to the diagrams of FIGS. FIGS. 5 and 6 show diagrammatically two embodiments of the subject matter of the invention .

Die Wirbelströme in der Sekundärwicklung eines Induktionsmotors verursachen in dieser Wicklung hohe Verluste im Anlauf und erhöhen dadurch das Anlaufmoment; denn die Wirbelstromverluste hängen unmittelbar von der Frequenz ab und sind größer, wenn die Sekundärströme eine verhältnismäßig hohe Frequenz haben, also beim Anlauf bzw. bei großer Schlüpfung. Wenn dagegen der Motor auf volle Geschwindigkeit gekommen ist, sind die Wirbelströme nahezu verschwindend, da die Frequenz der Sekundärströme nahezu Null wird. Gemäß der Erfindung wird nun die Käfigankerwicklung so ausgebildet, daß die Wirbelstromverluste in ihr beim Anlauf bzw. bei großer Schlüpf ung sehr groß sind, während der Ohmsche Widerstand ihrer Leiter sehr gering ist, so daß im normalen Lauf ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Zu diesem Zwecke werden in anderweitig bekannter Weise zwei oder mehrere Leiter in tiefen Nuten übereinander angeordnet, und so verbunden, daß die einzelnen Leiter derselben Nut untereinander gleiche Gesamtströme führen.The eddy currents in the secondary winding of an induction motor cause it Winding high losses during start-up and increase thereby the starting torque; because the eddy current losses depend directly on the frequency decreases and are greater when the secondary currents are relatively high Have a frequency, i.e. when starting up or when there is a large slip. If on the other hand the engine has come to full speed, the eddy currents are almost vanishing because the frequency of the secondary currents becomes almost zero. According to the invention is now the Squirrel cage winding is designed so that the eddy current losses in it when starting or in the case of large slippage they are very large, while the ohmic resistance of their conductors is very high is low, so that a high degree of efficiency is achieved in normal operation. To this end two or more conductors are placed one above the other in deep grooves in an otherwise known manner arranged, and connected so that the individual conductors of the same groove with each other lead the same total currents.

Zur Klarlegung der WirJkungsweise dient eine Betrachtung der Stromverteilung und der Kraftliniendichte.A consideration of the current distribution and the Line density.

In Fig. ι ist in einer tiefen Nut 7 des Eisenkörpers 8 ein einziger tiefer Leiter 9 dargestellt. Die Fig. 2 zeigt linker Hand die Stromverteilung in diesem Leiter für drei verschiedene Frequenzen, und zwar bei I für die Frequenz Null, bei II für verhältnismäßig niedrige Frequenz und bei III für verhältnismäßig hohe Frequenz, während in derselben Figur rechter Hand die zugehörige Verteilung der Kraftliniendichte dargestellt ist.In Fig. Ι is in a deep groove 7 of the iron body 8 a single deep conductor 9 is shown. Fig. 2 shows the power distribution on the left in this conductor for three different frequencies, namely at I for the frequency Zero, at II for relatively low frequency and at III for relatively high frequency, while in the same figure right hand the associated distribution of the Force line density is shown.

Betrachtet man zunächst die Verteilung der Stromdichte in dem Leiter, so sieht man, daß diese bei der Frequenz Null über den ganzen Leiter gleichförmig verteilt ist. Mit zunehmender Frequenz nimmt die Stromdichte am Kopf (äußere Schmalfläche) des Leiters zu, während diejenige am Fuß (innere Schmälfläche) des Leiters abnimmt, da die Reaktanz am Fuß des Leiters größer' ist als am Kopf. Anfänglich, bei verhältnismäßig niedriger Frequenz; ist die Reaktanz im \^rerhältnis zum Ohmschen Widerstand des Leiters klein, weshalb sich die Stromverteilung nur allmählichIf one looks first at the distribution of the current density in the conductor, it can be seen that this is uniformly distributed over the entire conductor at zero frequency. With increasing frequency, the current density at the head (outer narrow surface) of the conductor increases, while that at the foot (inner narrow surface) of the conductor decreases, since the reactance at the foot of the conductor is greater than at the head. Initially, at a relatively low frequency; the reactance in \ ^r erhältnis to the ohmic resistance of the conductor is small, which is why the current distribution gradually

ändert. In dem Mäße, wie die Frequenz größer wird, wird die Reaktanz groß im Verhältnis zum" ΌHmisc he η Widerstand und" die Stromverteilung ändert sich dann sehr schnell. Bei der hohen Frequenz III ist der Strom gegen den Kopf des Leiters zusammengedrängt, die Stromdichte ist daselbst sehr hoch/ während sie im mittleren Teil des Leiters sehr niedrig und an seinem Fuß praktisch verschwindendchanges. To the extent that the frequency increases becomes, the reactance becomes large in relation to the "ΌHmisc he η resistance and" the current distribution then changes very quickly. In the high frequency III is the current against the Head of the conductor huddled, the current density there very high / while it is very low in the middle part of the ladder and practically disappearing at its foot

ίο ist. Es ist zu beachten, daß der Gesamtstrom des Leiters, welcher in der Fig. 2 linker Hand' durch die schraffierte^: Fläche veranschaulicht wird, für sämtliche Frequenzen der gleiche ist.ίο is. It should be noted that the total current of the conductor, which in Fig 2 left hand 'by the ^hatched: is illustrated surface is the same for all frequencies..

Der den Leiter schneidende Kraftfluß hat seine größte Dichte am Kopf des Leiters, und dieser Höchstwert ändert sich nicht mit der Frequenz", da er durch den gesamten im Leiter fließenden Strom, bestimmt, ist. Dagegen . hängt in jedem anderen Punkt die Kraftliniendichte noch von jenem Teil des gesamten Stromes ab, welcher zwischen dem Fuß des Leiters und dem betrachteten Punkt fließt. Daher nimmt die Kraftliniendichte an jedem anderen 'Punkt mit wachsender Frequenz ab infolge der Zusammendränguhg des Stromes am Kopf des Leiters. Dies . ist in der Fig; 2' rechter Hand'veranschaulicht.The flow of force cutting the conductor has its greatest density at the head of the conductor, and this maximum value does not change with the Frequency "as it runs through the entire im Conductor flowing current, intended, is. Against it . in every other point the force line density still depends on that part of the total Current from which between the foot of the conductor and the point under consideration flows. Hence the density of force lines at every other 'point increases with increasing frequency as a result of the compression of the current at the head of the conductor. This . is in the figure; 2 'right hand' illustrated.

Fig. 3 zeigt in der' Nut 7 ^: zwei Leiter 10 und 11 übereinander angeordnet, und es ist angenommen, daß sie beide gleichen Gesamtstrom führen. '■..'■' ■ ■ ' -:.^;Fig.'4 veranschaulicht linker Hand die zugehörige ,Verteilung der Stromdichte für drei verschiedene Frequenzen und rechter Hand die zugehörige Verteilung der Kraftliniendichte. Dabei veranschaulicht rechter Hand die doppelt ..schraffierte' Fläche jenen Teil des den äußeren Leiter 10 durchsetzenden Kraftflusses, welcher von diesem Leiter 10 herrührt, während die einfach schraffierte Fläche denjenigen Teil des Gesamtkraftflusses veranschaulicht, welcher, von- dem den inneren Leiter 11 durchfließenden Strom herrührt. Der Einfachheit halber ist angenommen; daß nur zwei Leiter in jeder Nut übereinanderliegen, es-könnten aber auch mehr Leiter sein, und es sollen alle diese Fälle kurz durch die Bezeichnung »unterteilter Leiter« von dem in Fig. 1 dargestellten Fall des' »nicht unterteilten Leiters«Fig. 3 shows in the 'groove 7 ^: two conductors 10 and 11 arranged one above the other, and it is assumed that they both carry the same total current. '■ ..' ■ '■ ■' - :. ^; Fig. 4 illustrates on the left the associated distribution of the current density for three different frequencies and on the right the associated distribution of the force line density. The double "hatched" area on the right illustrates that part of the force flow passing through the outer conductor 10, which originates from this conductor 10, while the single hatched area shows that part of the total force flow which is the current flowing through the inner conductor 11 originates. For the sake of simplicity, it is assumed; that only two conductors lie one on top of the other in each slot, but there could also be more conductors, and all these cases are to be briefly referred to by the designation "subdivided conductor" from the case of "not subdivided conductor" shown in FIG.

unterschieden werden/'. 'a distinction is made between / '. '

-Solange beim unterteilten Leiter die Tiefe ■der einzelnen Teilleiter klein ist, ist der Unterschied zwischen'dem Kraftfluß,' welcher den- As long as the depth of the divided ladder ■ the individual sub-conductor is small, is the difference between 'the flow of power,' which the

. Fuß des betreffenden Teilleiters schneidet, und jenem, welcher seinen Kopf schneidet, für ■ beide Teilleiter bei niedriger Frequenz kleiner als im Fall des' nicht unterteilten Leiters.. The foot of the sub-conductor in question, and the one who cuts his head, for ■ both sub-conductors smaller at low frequency than in the case of the 'undivided conductor.

Daher ist der Unterschied in der Reaktanz am Fuß und am Kopf jedes Teilleiters geringer und daher die Stromverteilung im unterteilten Leiter bei niedrigen Frequenzen gleichförmiger als im nicht unterteilten Leiter. Die Folge davon ist ein. größerer Verlust im nicht unterteilten Leiter bei niedriger Frequenz. Da jedoch beim unterteilten Leiter die Teil-■leiter gleiche Ströme führen, so hängt die Dichte desjenigen Kraftflusses, welcher vom inneren Teilleiter herrührt und den äußeren Teilleiter schneidet, nicht von der Stromvcr-. teilung im inneren Teilleiter ab und würde für alle Frequenzen die gleiche bleiben, wenn nicht dieser Kraftfluß im äußeren Teilleiter Wirbelströme erzeugte, die die Kraftliniendichte im äußeren Teilleiter verändern. Der äußere Teilleiter ist somit nicht nur dem von seinem eigenen Strom herrührenden Kraftfluß unterworfen, sondern auch dem dichten Kraftfluß, welcher von dem Strom des inneren Teilleiters bzw. der inneren Teilleiter herrührt. Mit anderen Worten, es schneidet, ein Kraftfluß von viel höherer mittlerer Dichte den unterteilten Leiter als den nicht unterteilten Leiter, und der Unterschied wächst mit der Frequenz. Daher ist ersichtlich, daß mit wachsender Frequenz ein Punkt erreicht wird, wo der Unterschied zwischen der mittleren Kraftliniendichte des unterteilten Leiters und , des nicht unterteilten Leiters genügend groß ist, um den^; Verlust in beiden Fällen gleich zu machen, und daß mit noch weiter wachsender Frequenz der Verlust des unterteilten Leiters sogar größer wird. 'Dies wird durch Fig.-4 deutlich veranschaulicht. Der vom inneren Stab herrührende Kraftfluß erzeugt im äußeren Stab Wirbelströme, die die entgegengesetzte Richtung besitzen wie der durch den äußeren Stab fließende Gesamtstrom. Die Größe dieser Wirbelströme wird in der Fig.-4 linker Hand durch die doppelt schraffierte Fläche ' veranschaulicht, die links von der Nullinie liegt.Therefore, the difference in reactance at the foot and head of each sub-conductor is smaller and therefore the current distribution in the subdivided conductor is more uniform at low frequencies than in the non-subdivided conductor. The consequence of this is a. greater loss in the undivided conductor at low frequency. However, since the sub-conductors carry the same currents in a divided conductor, the density of that force flow which originates from the inner sub-conductor and intersects the outer sub-conductor does not depend on the current distribution. division in the inner sub-conductor and would remain the same for all frequencies if this flow of force did not generate eddy currents in the outer sub-conductor that change the density of the lines of force in the outer sub-conductor. The outer sub-conductor is thus not only subject to the flow of force originating from its own current, but also to the dense flow of force which originates from the current of the inner sub-conductor or the inner sub-conductor. In other words, a flux of force of much higher mean density intersects the divided conductor than the undivided conductor, and the difference increases with frequency. It can therefore be seen that, with increasing frequency, a point is reached where the difference between the mean density of lines of force of the subdivided conductor and that of the non-subdivided conductor is sufficiently great that the ^; To make loss the same in both cases, and that as the frequency continues to increase, the loss of the divided conductor becomes even greater. This is clearly illustrated by FIG. The flow of force originating from the inner rod creates eddy currents in the outer rod which are in the opposite direction to the total current flowing through the outer rod. The size of these eddy currents is illustrated on the left in Fig. 4 by the double hatched area 'which is to the left of the zero line.

Aus der vorstehenden Betrachtung ergibt sich, daß sowohl· beim unterteilten Leiter als auch beim nicht unterteilten Leiter der Wirbelstromverlust infolge der ungleichförmigen Stromverteilung bei hoher Frequenz bei letzterer viel größer ist. Dies bedeutet für den Induktionsmotor einen ausgesprochenen Vorteil, da durch den vergrößerten Verlust beim Anlauf bzw. bei großer Schlüpfung ein .hohes Anlaufmoment (erzielt wird. Ferner verringert bei niedrigen Frequenzen oder für nicht zu tiefe Leiter die Unterteilung des letzteren den Verlust. Für höhere Frequenzen oder tiefere Leiter erhöht dagegen die Unterteilung den Verlust, d. h. für eine gegebene Tiefe des Leiters hängt es von der Frequenz ab, ob die Unterteilung den Verlust vergrößert oder verringert, und für eine gegebene Frequenz hängt es von der Tiefe des Leiters ab, ob die Unterteilung den Verlust vergrößert oder verringert. Wenn daher für eine gegebene Frequenz dieFrom the above consideration it follows that both · in the case of the subdivided conductor and the eddy current loss due to the non-uniform conductors even in the case of non-subdivided conductors Power distribution at high frequency in the latter is much greater. This means for the Induction motor a distinct advantage, because of the increased loss during Start-up or, in the case of large slippage, a .high start-up torque (is achieved. Furthermore, it is reduced at low frequencies or for conductors that are not too deep, the division of the latter Loss. For higher frequencies or lower conductors, however, the subdivision increases the Loss, d. H. for a given depth of the conductor it depends on the frequency whether the Subdivision increases or decreases the loss, and for a given frequency depends it depends on the depth of the conductor whether the subdivision increases or decreases the loss. Therefore, if for a given frequency the

Tiefe des Leiters verändert wird, dann ist für wenig tiefe Leiter der Verlust des nicht unterteilten Leiters größer; in dem Maße aber, wie die Leiter tiefer und tiefer gewählt werden, nimmt der Unterschied in den Verlusten des ■ . nicht unterteilten und des unterteilten Leiters immer mehr und mehr ab, bis eine Tiefe erreicht wird, wo die Verluste gleich groß sind, . und darüber hinaus sind die Verluste im,unterteilten Leiter größer. Andererseits ist für eine gegebene Leitertiefe bei verhältnismäßig niedriger Frequenz der Verlust im nicht unterteilten Leiter größer als im unterteilten Leiter; mit zunehmender Frequenz wird ein Punkt erreicht, wo der Verlust im nicht unterteilten Leiter der gleiche ist wie im unter- ■ teilten Leiter, und für noch höhere Frequenz ist der Verlust im unterteilten Leiter größer.' Es ist somit ersichtlich, daß, um von den dargelegten Grundsätzen zur Vergrößerung des Anlaufmomentes eines Induktionsmotors vorteilhaft Gebrauch zu machen, eine Wicklung benutzt werden muß, in welcher die Nutentiefe genügend groß ist, oder daß die Frequenz genügend hoch sein muß, um bei unterteiltem ■ Leiter größere . Verluste als im nicht unterteilten Leiter zu erzielen.If the depth of the ladder is changed, then for a ladder that is not very deep the loss of the undivided one Head taller; but to the extent that the ladder is chosen deeper and deeper, takes the difference in the losses of the ■. not divided and of the divided conductor more and more until a depth is reached where the losses are the same, . and, moreover, the losses in the divided conductor are greater. On the other hand is for a given conductor depth at a relatively low frequency the loss in the non-subdivided Ladder larger than in the subdivided ladder; with increasing frequency a point is reached where the loss in the undivided conductor is the same as in the sub-■ divided conductors, and for even higher frequencies the loss in the divided conductor is greater. ' It can thus be seen that in order to avail of the principles set out to enlarge the Starting torque of an induction motor to make advantageous use of a winding must be used in which the groove depth is sufficiently large, or that the frequency Must be high enough to accommodate larger ■ conductors when divided. Losses than in the undivided Achieve ladder.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sind in jeder Nut übereinander zwei Stäbe 12 und 13 angeordnet, die durch Schellack und Emaille voneinander isoliert und in' der Mitte miteinander verschränkt sind, so daß die Stäbe 12 linker Hand außen und rechter Hand innen liegen, die Stäbe 13 dagegen umgekehrt. Sämtliehe Stäbe sind an ihren Enden mit den Kurzschlußringen 14 bzw. 15 verbunden. Infolge der Verschränkung muß in den Stäben 12 und 13 der gleiche Strom fließen. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 sind in jeder Nut drei Stäbe 16. 17 und 18 übereinander angeordnet und wieder voneinander isoliert. Jeder der Stäbe ist am linken Ende mit einem gemeinsamen Kurzschlußring 19 verbunden. An den anderen Enden sind die mittleren Stäbe 17 mit einem Kurzschlußring 20 verbunden. Jeder Außenstab 16 ist durch eine V-förmige Gabel 21 mit einem, um eine PoI-In the embodiment of FIG. 5, two bars 12 and 13 are located one above the other in each groove arranged, isolated from each other by shellac and enamel and in 'the middle with each other are interlaced so that the rods 12 left hand outside and right hand inside lie, the rods 13, however, reversed. All rods are at their ends with the Short-circuit rings 14 and 15 connected. As a result of the entanglement, 12 and 13 the same current flow. In the embodiment of FIG. 6 are in each Groove three rods 16. 17 and 18 one above the other arranged and isolated from each other again. Each of the bars has one on the left end common short-circuit ring 19 connected. At the other ends are the middle ones Rods 17 are connected to a short-circuit ring 20. Each outer rod 16 is through one V-shaped fork 21 with a to a PoI-

' 'teilung versetzten Innenstab 18 verbunden. Infolge dieser Anordnung ist der Strom in den Außen- und Innenstäben der gleiche, und dasselbe gilt auch wenigstens angenähert für die mittleren Leiter. Im Gegensatz dazu ist bei der Anordnung nach der amerikanischen Patentschrift 718697 die Stromverteilung in übereinanderliegenden Stäben einer Nut verschieden, da der in einer .Nut liegende: Teilleiter zwei benachbarten Windungen des Kurzschlußankers angehört. , Jede Windung,, bestehend aus. dem Uförmigen Leiter , und djem zugehörigen Teil des Kurzschlußleiters;. umschließt nur einen geringen,;Bruchteil des gesamten magnetischen Flusses. .Die in der Windung induzierte E. M. K. und daher auch der Strom sind also abhängig. von. der augenblicklichen Stellung der. Windung.zur: maximalen Ampli-, tude des magnetischen Flusses.' Die in zwei, aufeinanderfolgenden Windungen, fließenden Ströme sind also nicht einander gleich. Auch. bei der Ausführung nach der .britischen Patentschrift 4077/03 fließen in den übereinander- liegenden Teilleitern nicht gleiche; Ströme., da die in derselben Nut liegenden Teilleiter in leitender Verbindung stehen. Selbstverständlich kann auch bei der Ausführungsform nach Fig. 6 eine gerade Anzahl von Stäben in jeder Nut benutzt werden, wobei der Kurzschlußring 20 für die mittleren Stäbe fortfällt. '; '' pitch offset inner rod 18 connected. As a result of this arrangement, the current in the outer and inner bars is the same, and the same applies at least approximately to the central conductors. In contrast to this, in the case of the arrangement according to American patent specification 718697, the current distribution in superimposed bars of a slot is different, since the sub-conductor located in a slot belongs to two adjacent turns of the short-circuit armature. , Each turn, consisting of. the U-shaped conductor, and the associated part of the short-circuit conductor ;. encloses only a small fraction of the total magnetic flux. The EMF induced in the winding and therefore also the current are therefore dependent. from. the current position of the. Winding. To: maximum amplitude of the magnetic flux. ' The currents flowing in two consecutive turns are therefore not equal to each other. Even. in the case of the design according to the British patent specification 4077/03, the flow in the superimposed partial conductors is not the same; Currents., Since the sub-conductors lying in the same groove are in conductive connection. Of course, in the embodiment according to FIG. 6, an even number of rods can be used in each groove, the short-circuit ring 20 being omitted for the central rods. ';

An sich ist die Unterteilung der Leiter und die Verschränkung der in derselben Nut liegenden Stäbe bzw. die kreuzweise Verbindung von Stäben, die in um eine Polteilung versetzten Nuten liegen, bekannt, und zwar für Gleichstrommaschinen und für Synchronmaschinen, wobei die die Leiter durchfließenden ' Ströme konstante Frequenz haben und durch die Unterteilung die Wirbelstromverluste verringert werden sollen. Bei der Erfindung handelt es sich um die Anwendung bei Induktionsmotoren auf Grund der. Erkenntnis, daß bei verhältnismäßig großer Frequenz bzw. großer Nutentiefe durch die Unterteilung die Wirbelstromverluste und daher xkas Anlauf- moment vergrößert werden, -.·.... ,' ' .. ' .The division of the conductors and the entanglement of the rods lying in the same groove or the cross-wise connection of rods which lie in grooves offset by one pole pitch is known, specifically for direct current machines and for synchronous machines, the currents flowing through the conductors have a constant frequency and the eddy current losses are to be reduced by the subdivision. The invention relates to the application in induction motors due to the. Recognition that with a relatively high frequency or large slot depth, the eddy current losses and therefore xkas starting torque are increased by the subdivision, -. · ...., '' .. '.

Die Erfindung eignet sich zur Anwendung bei Motoren von 50 Pferdestärken und darüber, und zwar überall dort, wo ein hohes Anzugsmoment und gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad im normalen Lauf erforderlich ist, also z. B. beim Antrieb von_: Stahlwalzwerken und von .Schiffschrauben.The invention is suitable for use in engines of 50 horsepower and above, specifically wherever a high torque and at the same time a high degree of efficiency is required in normal running, so z. B. when driving _: steel rolling mills and .Ship screws.

Claims

Patent claim ·: - ": _.-:; .

Cage armature for induction motors with deep grooves and two or a few superposed conductors in each groove, characterized in that the insulated from one another _: partial conductors, each groove approximately by crossing the conductors _; inside or outside. the groove lead equal currents and have such a height that; the eddy current losses for: the start-up are greater than in the case of a conductor that fills the entire depth of the slot. "·. :

1 sheet of drawings.