DE3841263A1

DE3841263A1 - Kurzschlusslaeufermotor

Info

Publication number: DE3841263A1
Application number: DE3841263A
Authority: DE
Inventors: Akio Kanda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-12-10
Filing date: 1988-12-08
Publication date: 1989-06-29
Also published as: JPH01152992A; US4920293A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kurzschlußläu fer-Induktionsmotor, insbesondere auf Verbesserungen in der Steuerung des Anlaufstromes und der Drehzahl einstellung eines solchen Motors.

Bei Kurzschlußläufermotoren wird den Statorwicklungen normalerweise ein dreiphasiger Wechselstrom zuge führt, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, und die Zusammenwirkung des rotierenden magnetischen Fel des mit den in den Leitern des Käfigläufers fließen den Strömen erzeugt ein Drehmoment, das den Rotor an treibt.

Zum Anlauf solcher Motoren sind Stern-Dreieck-Schal tungen, Reaktor-Anlaufschaltungen und Kompensator-An laufschaltungen bekannt, um den Anlaufstrom eines solchen Kurzschlußläufermotors zu steuern. Solche konventionellen Anlaufstromsteuervorrichtungen sind jedoch nur in der Lage, eine stufenweise Steuerung des Anlaufstroms zu bewirken, und wenn diese einmal eingestellt sind, so können sie nicht geändert werden.

Außerdem sind Schleifringanker-Induktionsmotoren bei denen durch Steuern des Sekundärwiderstandes der An laufstrom gesteuert wird. Solche Schleifringanker-In duktionsmotoren sind wegen der Steuerung des Sekun därwiderstandes jedoch kompliziert und teuer und er fordert zusätzliche Bauteile wie Metallwiderstände oder Flüssigkeitswiderstände sowie eine Steuervor richtung zur Steuerung des Widerstandes. Außerdem bringt die Steuerung des Sekundärwiderstandes erheb liche Leistungsverluste in den Widerständen mit sich.

Eine Verbesserung der Charakteristik eines Induk tionsmotors in der Weise, daß dieser mit einem nie drigen Anlaufstrom angelassen werden kann, ist auch durch andere Mittel zur Reduzierung des Anlaufstromes möglich. Eine solche Reduzierung des Anlaufstromes beeinträchtigt jedoch das Drehmomentverhalten des In duktionsmotors in nachteiliger Weise und verschlech tert das Betriebsverhalten. Der Anlaufstrom kann also höchstens bis zu einem Wert im Bereich von 350 bis 400% des Nennstromes reduziert werden. In einem sol chen Fall ist ein Transformator mit einer Nennlei stung erforderlich, die ein Vielfaches der normalen Nennleistung beträgt, um den Spannungsabfall an dem Transformator niedrig zu halten.

Durch den Anmelder ist bereits ein Kurzschlußläufer- Induktionsmotor vorgeschlagen worden, der einen Sta tor aufweist, der in zwei nebeneinander liegende Tei le aufgeteilt ist. Ein Käfigläufer ist gegenüber dem Stator angeordnet, und die in den Käfigläuferwicklun gen fließenden Ströme werden unterdrückt, um den An laufstrom kontinuierlich über einen weiten Bereich zu steuern, in dem die Relativposition der beiden Teile des Stators in Umfangsrichtung verschoben wird, um die Phase der in den Käfigläuferwicklungen induzier ten EMKs zu verschieben.

Fig. 1 zeigt einen Kurzschlußläufer-Induktionsmotor, wie er bereits durch die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung vorgeschlagen und in der JP-A-5 91 91 461 veröffentlicht wurde.

Der in Fig. 1 gezeigte Motor enthält zwei Lagerschilde 1, Lager 2, eine in den La gern 2 der Lagerschilde 1 gelagerte Welle 3, einen auf der Welle 3 befestigten Rotorkern 4, in dem Ro torkern 4 angeordnete Rotorleiter sowie Endringe 6 an den einander entgegengesetzten Enden der Rotorleiter 5, die diese an ihren Enden kurzschließen, um Käfig läuferwicklungen zu bilden. Außerdem ist ein Gehäuse 9 vorgesehen sowie ein an dem Gehäuse 9 befestigter erster Stator A mit Statorwicklungen 8 A und ein zwei ter Stator B mit Statorwicklungen 8 B. Der zweite Sta tor B ist an dem Gehäuse 9 in Umfangsrichtung ver stellbar angeordnet. An dem Umfang des zweiten Sta tors B sind Halteringe 10 befestigt, die in Führungs ringen 11 an der inneren Fläche des Gehäuses 9 gleit bar geführt sind. An dem zweiten Stator B ist ein Verstellhebel 12 befestigt, der aus dem Umfang des Gehäuses 9 herausragt und mit dem Kolben eines hy draulischen Betätigungsgliedes 13 gekoppelt ist. Das hydraulische Betätigungsglied enthält einen Zylinder 15 und ein Kolben 14. Hydraulikflüssigkeit wird ent weder einem Einlaß 16 oder 17 des Zylinders 15 zuge leitet, um den zweiten Stator B in der einen oder der anderen Umfangsrichtung zu verstellen, indem der Kol ben 14 den Verstellhebel 12 betätigt.

Der zweite Stator B kann innerhalb eines Winkelberei ches verstellt werden, der einer Polteilung der Mag netpole entspricht, die durch Zuführung eines drei phasigen Wechselstromes zu den Wicklungen erzeugt wird.

Dem ersten Stator A und dem zweiten Stator B werden dreiphasige Wechselströme zugeführt, so daß sich ro tierende Magnetfelder in derselben Richtung ergeben. Wie dann Fig. 2 zeigt, fließen durch die Käfigläufer wicklungen ein durch das Drehfeld in dem ersten Sta tor A induzierter Strom I _A und ein durch das Dreh feld in dem zweiten Stator B induzierter Strom I _B. Wenn die beiden Statoren A und B so positioniert sind, daß die durch die dreiphasigen Wechselströme produzierten Pole dieselbe Phase haben, haben die Ströme I _A und I _B die gleiche Amplitude und Rich tung, wie in Fig. 2 gezeigt, und durch die Käfigläu ferwicklungen des Rotors fließt ein resultierender Strom I _C.

Wird der zweite Stator B gegenüber dem ersten Stator A in Umfangsrichtung durch einen Winkel verstellt, der einer halben Polteilung entspricht, so ergeben sich Ströme I _A und I _B nach Fig. 3 in den Käfig läuferwicklungen, so daß sich ein reduzierter und de formierter resultierender Strom I _C in den Käfigläu ferwicklungen des Rotors ergibt.

Wird der zweite Stator B gegenüber dem ersten Stator A in Umfangsrichtung durch einen Winkel verstellt, der einer Polteilung entspricht, so ergeben sich die Ströme I _A und I _B entsprechend der Fig. 4 in den Käfigläuferwicklungen. Die Ströme I _A und I _B heben sich gegenseitig auf, so daß der resultierende Strom I _C etwa = 0 ist.

Dementsprechend ergibt sich für den Kurzschlußläufer motor ein Drehmomentverhalten, wie es in Fig. 5(a) gezeigt ist, und ein Strom-Drehzahl-Verhalten, wie es Fig. 5(b) zeigt. Die Drehmomente T ₁ bis T ₄ nach Fig. 5(a) entsprechen den Anlaufströmen I ₁ bis I ₄ nach Fig. 5(b).

Dieser bekannte Kurzschlußläufer-Induktionsmotor hat jedoch den Nachteil, daß es schwierig ist, die Bezie hung zwischen der Verstellung des zweiten Stators und den aufgrund der Last erforderlichen Betriebsdaten zu steuern und diese somit unbefriedigend sind. Außerdem kann ein solcher Kurzschlußläufer-Induktionsmotor nicht in ein automatisches Steuersystem eingegliedert werden, da der zweite Stator nicht manuell verstellt werden kann, um eine Phasensteuerung durchzuführen, wenn der Hydraulikmechanismus nicht einwandfrei ar beitet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrun de, einen Kurzschlußläufer-Induktionsmotor mit einem festen ersten Stator und einem beweglichen zweiten Stator vorzuschlagen, der auf einfache Weise und schnell gesteuert werden kann, um das Betriebsverhal ten der angetriebenen Last anzupassen. Es soll insbe sondere ein entsprechender Motor vorgeschlagen wer den, der in einem automatischen Steuersystem einge setzt werden kann, und bei dem der zweite Stator auch manuell betätigbar ist.

Die Erfindung geht also aus von einem Kurzschlußläu fermotor mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse drehbar gelagerten Käfigläufer, einem um den Käfig läufer innerhalb des Gehäuses angeordneten und an dem Gehäuse befestigten, ersten Stator sowie einem in Achsrichtung neben dem ersten Stator um den Käfigläu fer innerhalb des Gehäuses angeordneten, zweiten Sta tor, der die gleiche Anzahl von Polen und Schlitzen wie der erste Stator aufweist und in Umfangsrichtung um einen Winkel verstellbar ist, der einer Polteilung entspricht. Gemäß der Erfindung ist der zweite Stator mit einem gebremsten Steuermotor über ein Getriebe gekoppelt, das aus einem am Umfang des zweiten Sta tors befestigten Zahnradsegment und einem auf der Ausgangswelle gebremsten Steuermotors angeordneten und in das Zahnradsegment eingreifenden Ritzel be steht, und in Umfangsrichtung verstellbar ist. Eine Steuereinheit bestimmt die Richtung und die Größe der Winkelverstellung des zweiten Stators auf der Basis der aufgrund einer Last erforderlichen Betriebsbedin gungen und steuert den gebremsten Steuermotor zur Verstellung des zweiten Stators entsprechend, um eine Winkelverstellung vorzunehmen, die durch ein Stell signal spezifiziert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Aus führungsbeispiele unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen bekannten Kurzschlußläufermotor;

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des in den Käfigläuferwicklungen induzier ten Stromes, wenn sich der erste und zweite Stator in derselben Phase befinden;

Fig. 3 eine graphische Darstellung ähnlich wie Fig. 2, wenn der zweite Stator gegenüber dem ersten um eine halbe Polteilung in Um fangsrichtung verstellt worden ist;

Fig. 4 eine graphische Darstellung ähnlich wie Fig. 2, wenn der zweite Stator gegenüber den ersten um eine ganze Polteilung in Um fangsrichtung verstellt worden ist;

Fig. 5(a) eine graphische Darstellung des Drehmoment- Drehzahl-Verhaltens des Kurzschlußläufermo tors nach Fig. 1;

Fig. 5(b) eine graphische Darstellung des Strom-Dreh zahl-Verhaltens des Kurzschlußläufermotors nach Fig. 1;

Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen Kurzschluß läufermotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 eine Vorderansicht eines Getriebemechanis mus, zur Verstellung des zweiten Stators des Kurzschlußläufermotors nach Fig. 6; und

Fig. 8 eine Vorderansicht einer anderen Ausfüh rungsform des Getriebemechanismus′ nach Fig. 7.

In der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 sind Teile, die denen des Motors nach Fig. 1 gleichen, mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht erneut beschrieben.

Am Umfang des zweiten Stators B ist ein Zahnradseg ment 21 angeordnet und am Umfang des zweiten Stators B befestigt. Ein auf der Ausgangswelle 23 a eines Steuermotors 23 befestigtes Ritzel 22 greift in das Zahnradsegment 21 ein. Der Steuermotor 23 ist am Um fang des Gehäuses 9 befestigt. Die Ausgangswelle 23 a des Steuermotors 23 ist mit ihrem einen Ende (linkes Ende in Fig. 6) auf einem Lagerbock 25 am Umfang des Gehäuses 9 gelagert, während das andere Ende (das rechte Ende in Fig. 6) mit einer Bremsvorrichtung 24 gekoppelt ist.

Der Steuermotor 23 wird durch eine Steuereinheit 31 gesteuert. Die Steuereinheit 31 empfängt Ausgangssig nale einer Stromdetektoreinheit 26, die den Arbeits strom des Kurzschlußläufermotors (nachfolgend einfach als Motor bezeichnet) mißt. Weiterhin sind eine Dreh zahldetektoreinheit 27 zum Messen der Drehzahl des Motors und eine automatische Steuersignaleinheit 28 vorgesehen. Letztere liefert Steuersignale entspre chend den durch das System erzeugten Steuersignalen. Darüberhinaus ist eine Betriebsarteneinstelleinheit 29 vorgesehen, um die Betriebsart für den Motor ein zustellen, sowie eine Verstelldetektoreinheit 30 zum Messen der Verstellung des zweiten Stators B gegen über dem ersten Stator A. Die Steuereinheit 31 steu ert den Motor 23 auf der Basis dieser Eingangssigna le, um den zweiten Stator um einen bestimmten Winkel zu verstellen. Soll der zweite Stator B in einer be stimmten Position gehalten werden, so wird durch die Steuereinheit 31 die Bremsvorrichtung 24 betätigt.

Als nächstes soll die Funktion beschrieben werden. Zum Anlassen des Motors betätigt die Steuereinheit 31 den Steuermotor 23 derart, daß der zweite Stator B gegenüber dem ersten Stator A um ein Winkel verstellt wird, der einer ganzen Polteilung entspricht. Diese Maximalverstellung führt zu einem minimalen Anlauf strom des Motors. Da der Anlaufstrom klein ist, ist das Anlaufmoment des Motors klein, so daß die Last, wie z. B. eine Pumpe oder ein Lüfter, graduell be schleunigt wird.

Ist der Arbeitsstrom des Motors, der durch die Strom detektoreinheit 26 festgestellt wird, höher als ein eingestellter Wert, so gibt die Steuereinheit 31 ein Steuersignal ab, um den Arbeitsstrom zu reduzieren, d. h., die Betriebsdrehzahl des Motors ebenfalls zu reduzieren. Dieses Steuersignal gelangt an den Steu ermotor 23 und dieser verstellt den zweiten Stator B derart, daß die Verstellung des zweiten Stators ge genüber dem ersten Stator A erhöht wird.

Weicht die Drehzahl des Motors von einer eingestell ten Drehzahl ab, was durch die Drehzahldetektorein heit 27 festgestellt wird, so wird die Abweichung der Betriebsdrehzahl des Motors durch die Steuereinheit 31 durch Vergleich einer der Drehzahl entsprechenden Spannung mit einer Spannung entsprechend der einge stellten Drehzahl ermittelt. Ist die der Betriebs drehzahl entsprechende Spannung höher als diejenige, die zu der eingestellten Drehzahl gehört, so liefert die Steuereinheit 31 ein Steuersignal, um die Dreh zahl des Motors zu reduzieren. Ist die entsprechende Spannung jedoch geringer als die der eingestellten Drehzahl entsprechende Spannung, so wird umgekehrt verfahren. Hierdurch verstellt der Steuermotor 23 den zweiten Stator B entsprechend dem durch die Steuer einheit 31 gelieferten Steuersignal, um die Verstel lung des zweiten Stators B gegenüber dem ersten Sta tor A zu erhöhen oder zu erniedrigen.

Bei Empfang eines Befehlssignals zur Reduzierung der Drehzahl des Systems von einer automatischen Steuer signaleinheit 28 verändert die Steuereinheit 31 die Drehzahl des Motors entsprechend.

Beim Anlauf des Kurzschlußläufermotors fällt der Ar beitsstrom bei ansteigender Betriebsdrehzahl. Aus diesem Grunde wird die Verstellung des zweiten Sta tors B graduell derart variiert, daß der Motor in vorbestimmter Weise anläuft. Ist das erforderliche Drehmoment der Last hoch und der Kurzschlußläufermo tor nicht in der Lage zu beschleunigen, so wird die Verstellung des zweiten Stators B gegenüber des ersten Stators A graduell erniedrigt, so daß der Mo tor graduell beschleunigt.

Soll die Betriebsdrehzahl des Motors während des Be triebes verändert werden, so wird ein Drehzahlbe fehlssignal an die Steuereinheit 31 gegeben und diese vergleicht dieses mit dem die Betriebsdrehzahl des Motors angebenden Signal, um den Steuermotor 23 zu veranlassen, den zweiten Stator B in eine Position zu verstellen, die der Betriebsdrehzahl des Drehzahlbe fehlssignals entspricht.

Für den Fall, daß die Steuermittel zur Steuerung des zweiten Stators B versagen, d. h., bei Ausfall des Steuermotors 23 oder der Steuereinheit 31, kann der zweite Stator B an der Ausgangswelle 23 a des Steuer motors 23 manuell verstellt werden.

Wird gemäß der Ausführungsform nach Fig. 8 ein Schneckerad 32 und ein dem entsprechendes Schnecken zahnradsegment 33 in dem Getriebe benutzt, so wird der zweite Stator B daran gehindert, sich von selbst zu bewegen, so daß eine Bremsvorrichtung wie bei der ersten Ausführungsform fortgelassen werden kann. Ob wohl der Kurzschlußläufer-Induktionsmotor im be schriebenen Ausführungsbeispiel mit einer einzigen Anordnung eines Getriebes und eines Steuermotors ver sehen ist, so können mehrere solcher Kombinationen aus Getrieben und Steuermotoren 23 vorgesehen sein, die in entsprechenden Winkelabständen um den Umfang des Gehäuses 9 des Kurzschlußläufermotors angeordnet sind, wobei die Steuermotoren 23 synchron zueinander gesteuert werden.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, kann der zweite Stator auf einfache Weise und schnell verstellt werden, um das Betriebsverhalten des Motors an die Last anzupassen. Dies erfolgt dadurch, daß der zweite Stator über das Getriebe mittels des Steuermo tors verstellt wird, wobei der Steuermotor mit einer Bremsvorrichtung gekoppelt ist.

Da der zweite Stator auch bei Ausfall der Mittel zum Verstellen des zweiten Stators manuell verstellt wer den kann, kann ein solcher Kurzschlußläufermotor in einem automatischen Steuersystem eingesetzt werden.

Claims

1. Kurzschlußläufermotor mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse drehbar gelagerten Käfigläufer, einem um den Käfigläufer innerhalb des Gehäuses angeordneten und an dem Gehäuse befestigten, ersten Stator sowie einem in Achsrichtung neben dem ersten Stator um den Käfigläufer innerhalb des Gehäuses angeordneten, zweiten Stator, der die gleiche Anzahl von Polen und Schlitzen wie der erste Stator aufweist und in Um fangsrichtung um einen Winkel verstellbar ist, der einer Polteilung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stator mit einem gebremsten Steuermotor über ein Getriebe gekup pelt ist, das aus einem am Umfang des zweiten Stators befestigten Zahnradsegment und einen auf der Aus gangswelle des gebremsten Steuermotors angeordneten und in das Zahnradsegment eingreifenden Ritzel be steht, und in Umfangsrichtung verstellbar ist; und daß eine Steuereinheit die Richtung und die Größe der Winkelstellung des zweiten Stators auf der Basis der aufgrund einer Last erforderlichen Betriebsbedingun gen bestimmt und den gebremsten Steuermotor zur Ver stellung des zweiten Stators steuert.

2. Kurzschlußläufermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem äußeren Umfang des zweiten Stators Halteringe befestigt sind, die in entsprechenden Führungsringen, die am inneren Umfang des Gehäuses befestigt sind, derart gleitbar gelagert sind, daß der zweite Stator zusammen mit den Halte ringen verstellt werden kann.

3. Kurzschlußläufermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stator mit einer Mehrzahl von gebremsten Steuermotoren über eine Mehrzahl von Getrieben gekuppelt ist, die je aus einem am Umfang des zweiten Stators befestigten Zahn radsegment und einen auf der Ausgangswelle des ent sprechenden, gebremsten Steuermotors angeordneten und in das Zahnradsegment eingreifenden Ritzel besteht, und in Umfangsrichtung verstellbar ist, daß die Mehr zahl von Getrieben in Winkelabständen angeordnet ist; und
daß eine Steuereinheit die Richtung und die Größe der Winkelverstellung des zweiten Stators auf der Basis der aufgrund einer Last erforderlichen Betriebsbedin gungen bestimmt von Getrieben synchron zur Verstel lung des zweiten Stators steuert.

4. Kurzschlußläufermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des zweiten Stators ein Schneckenzahnradsegment befestigt ist, in das ein auf der Ausgangswelle des Steuermotors ange ordnetes Schneckenrad eingreift, um eine Bremsvor richtung entbehrlich zu machen.

5. Kurzschlußläufermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit Signale von folgenden Einheiten erhält: einer Stromdetektoreinheit zum Messen des Arbeits stromes des Kurzschlußläufermotors, einer Drehzahldetektoreinheit zum Messen der Drehzahl des Kurzschlußläufermotors, einer automatischen Steuereinheit zum Liefern von Steuersignalen, die die Betriebsart des den Kurz schlußläufermotor enthaltenen Systems kennzeichnen, einer Einstelleinheit zum Einstellen der Betriebsbe dingungen des Kurzschlußläufermotors, und einer Verstelldetektoreinheit zum Messen der Verstel lung des zweiten Stators gegenüber dem ersten Stator.

6. Kurzschlußläufermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswelle des ge bremsten Steuermotors manuell drehbar ist.