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Kommutatormaschine mit besonderer Käfigwicklung in tiefer gelegenen
Nuten des induzierten Teils. Es ist bekannt, zwei Käfigwicklungen im Anker von Drehstromasynchronmotoren
für Selbstanlauf zu verwenden, von denen die eine normal in Nuten am Ankerrande,
die andere in tiefer gelegenen Nuten angeordnet ist. Die Nuten der beiden Wicklungen
werden dann noch durch schmale Schlitze ganz oder teilweise miteinander verbunden.
Demgegenüber bezieht sich die Erfindung auf . Wechselstrom-oder Mehrphasenstrommaschinen
mit zwei Wicklungere
auf dem Läufer, von denen die eine am Rande
des induzierten Teils eine Kommutatorwicklung und die andere eine tief eingebettete
Käfigwicklung ist; deren übereinanderliegende Nuten werden nach der Erfindung durch
Schlitze miteinander verbunden zum Zweck, die Verhältnisse eines solchen Motors
in bezug auf Leistungsfähigkeit und Kommutierung bei Anlauf und normaler Drehzahl
zu verbessern. Durch die neue Anordnung der induzierten Teile wird Einfachheit der
Konstruktion und eine größere Nutzbarmachung des zur Verfügung stehenden Raumes
gewährleistet.
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Die Ausführung eines Wechselstromkommutatormotors, bei dem die Anlaufcharakteristik
und die Charakteristik bei voller Tourenzahl in der Hauptsache ebenso günstig sein
soll wie die bis jetzt bei fremderregten Motoren erhaltenen Charakteristiken, ist
keineswegs eine einfache Aufgabe, besonders deshalb nicht, weil die bisher erkannten
Grundsätze zur Erzielung einer guten Anlaufcharakteristik bei diesen Typen genau
entgegengesetzt den Grundsätzen sind, welche die Erzielung einer guten Charakteristik
bei voller Tourenzahl bezwecken. Die Grundgedanken der Erfindung werden am besten
angewendet in Verbindung mit einem Einphasenkommutatormotor, obgleich gewisse Gesichtspunkte
auch bei Mehrphasenkommutatormaschinen anwendbar sind, und sollen in Verbindung
mit einem Einphasenkommutatormotor erklärt werden.
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Abb. z zeigt die Schaltung eines Motors, bei dem die Erfindung verwendet
werden kann, Abb. 2 die Anordnung der Rotornuten und -wicklungen, Abb. 3 die Anordnung
nach Abb. 2, bei der ein Leiter hohen Widerstandes zwischen den Rotorwicklungen
zur Verbesserung der Kommutierung vorgesehen ist, und Abb. q. einen Leiter hohen
Widerstandes nach Abb. 3.
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Abb. 5 und 6 zeigen abgeänderte Ausführungsformen des Rotors.
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Abb.7 zeigt einen Teil des Rotors nach Abb. 6.
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Abb. 8 ist eine Kurve, welche die magnetischen Verhältnisse des Motors
darstellt. Abb. 9 zeigt charakteristische Kurven des neuen Motors.
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen die gleichen Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen sind, stellt Abb. z das Schaltbild eines gewöhnlichen Einphasenrepulsionsmotors
dar, der mit einer Käfigwicklung unter der Kommutatorwicklung versehen ist. Der
Stator ist mit einer einzigen Polwicklung versehen, wie sie bei T gezeigt ist. Diese
Wicklung wird an ein Einphasennetz 2 mit Hilfe des Schalters 3 angeschlossen. Der
Rotor ist mit einer Kommutatorwicklung 4 bekannter Art versehen, die in den Nuten
5 des lamellierten Kernes 6 liegt. Die Bürsten 7 an dem Kommutator 8 sind aus der
neutralen Achse der Statorwicklung herausbewegt und sind, wie gezeigt, kurzgeschlossen.
In den Nuten 9 unterhalb der Kommutatorwicklungsnuten 5 ist ferner eine Käfigwicklung
angebracht, die aus Stäben xo und Endringen r= besteht. Die Anzahl der Nuten ist
für beide Wicklungen dieselbe. Bei dieser- Anordnung mußte man jedoch damit rechnen,
daß die vorteilhaften Anlaufverhältnisse des Repulsionsmotors beträchtlich verschlechtert
wurden. Durch vorliegende Erfindung soll nun die beste Charakteristik sowohl beim
Anlauf auch als bei voller Drehzahl erreicht werden, und zwar beim Anlauf Seriencharakter,
beim Lauf -dagegen Nebenschlußcharakter.
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Erfindungsgemäß wird der Kraftfluß veranlaßt, beim Anlauf zwischen
der Kommutator-und Käfigwicklung zu fließen, ohne diesen Weg übermäßig zu sättigen.
Hierdurch werden die Bedingungen zur Erzielung der gewünschten Anlaufcharakteristik,
wie sie bisher bei einem Repulsionsmotor erzielt wurden, nicht ernstlich verschlechtert.
Sodann muß dieser Kraftlinienweg zwischen den beiden Rotorwicklungen einen solchen
magnetischen Widerstand besitzen, daß beim normalen Betrieb ein genügend großer
Kraftfluß für die Käfigwicklung vorhanden ist, um in dem Motor die gewünschten,
im wesentlichen eine konstante Geschwindigkeit aufweisenden Laufcharakteristiken
zu erreichen, wie sie mit einem einfachen Induktions- ! motorerhalten werden. Ferner
muß der Ohmsche Widerstand der Käfigwicklung so niedrig im Vergleich zu ihrer Reaktanz
gewählt werden, daß alle Ströme, die in ihr beim Anlauf induziert werden, solche
Phase gegenüber den Statorströmen haben, daß schätzungsweise die Zeitphase des Kraftflusses
im Rotor aus der das Maximalmoment hervorrufenden Stellung verschoben wird, während
die im normalen Betrieb in der Kraftwicklung erzeugten Ströme eine kompensierende
Wirkung zur Erhöhung des Leistungsfaktors des Motors haben.
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Die kurzgeschlossene Käfigwicklung parallel zur Kommutatorwicklung
übt durch ihre dämpfende Wirkung einen sehr günstigen Einfluß -auf die Kommutierung
aus. Ein niederer Widerstand der Käfigwicklung ist auch wünschenswert, um gute Nebenschlußcharakteristik
im Lauf zu erhalten. Vorzugsweise wird der Kupferquerschnitt der Kommutatorwicklung
bei. dem Motor nach der Erfindung ungefähr nur 3 /,mal so groß gehalten wie bei
einem entsprechenden Repulsionsmotor ohne Käfigwicklung. Unter Umständen ist es
wünschenswert, die Kommutierung noch mehr zu verbessern, und dies kann dadurch erreicht
werden, daß man Wirbelstromleiter parallel zu der
Kommutatorwicklung
legt. Die mechanische Einrichtung der Erfindung ist einfach, und der im Rotor verwendbare
Raum wird sehr wirkungsvoll ausgenutzt.
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Vorzugsweise wird eine einfache Statorwicklung = (Abb. r) verwandt,
wie die eines Einphaseninduktionsmotors. Die grundlegenden Gedanken der Erfindung
sind jedoch bei allen einphasigen und mehrphasigen Kommutatormotoren anwendbar,
doch braucht keine Hilfsstatorwicklung zur Kompensation oder zum Anlauf verwandt
zu werden. Die Kommutatorwicklung q. mit den kurzgeschlossenen Bürsten 7 ergibt
die Vorteile der Anlaufcharakteristiken des gewöhnlichen Repulsionsmotors. Eine
Reihenschlußverbindung des Stators und des Rotors könnte auch benutzt werden; indessen
würde diese eine weniger günstige Charakteristik ergeben und zusätzliche Forderungen
an die Isolation und Windungszahl der Kommutatorwicklüng stellen.
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Die Kurzschlußwicklung, die aus den Stäben zo und den Endringen zr
besteht, ist aus Leitern möglichst niedrigen Widerstandes angefertigt. Wegen des
verhältnismäßig kleinen Durchmessers der Käfigwicklung im Vergleich zu dem Durchmesser
des Rotors ist die Länge des Stromweges und deshalb der Widerstand in den Endringen
auf ein Minimum herabgesetzt. Vorzugsweise wird die Anzahl der Nuten und g für die
beiden Rotorwicklungen gleich groß gemacht und auf denselben Radius gelegt, um so
die beste Ausnutzung des verwendbaren Raumes zu erzielen und um die Möglichkeit
zu lassen, bei der Anordnung die nachher beschriebene Verbesserung der Kommutierung
vorzunehmen.
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Bei dem eigentlichen Induktionsmotor wächst der Rotorkraftfluß mit
der Geschwindigkeit. Bei dem Repulsionsmotor dagegen liegt der Kraftfluß beim Anlauf
nicht in derselben Richtung wie die Achse der Primärwicklung, und deshalb induziert
ein gegebener Kraftfluß beim Anlauf eine kleinere Spannung in der Primärwicklung
als beim Lauf mit voller Tourenzahl. Da auch der Repulsionsmotoranlaufstrom und
deshalb der Spannungsabfall in -der Primärwicklung nicht so groß ist wie in einem
Induktionsmotor, so wird der Rotorkraftfluß mit zunehmender Geschwindigkeit abnehmen.
Beim vorliegenden Motor, der eine Kombination eines Induktionsmotors und eines Repulsionsmotors
ist, bleibt der normale Rotorkraftfluß bei allen Geschwindigkeiten konstant. Dieser
Kraftfluß wird jedoch verschiedene Wege durch den Rotor nehmen, wenn die Geschwindigkeit
sich ändert. Beim Anlauf wird der Kraftfluß quer über mehrere Rotorzähne zwischen
den beiden Rotorwicklungen verlaufen, und mit voller Drehzahl wird er parallel mit
den Rotorzähnen laufen, indem er nämlich jetzt durch die magnetischen Wege zwischen
den Käfigwicklungsstäben geht.
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In Abb. 8 wird durch die Linie 0 B-D die Sättigungskurve des
KraftfluBweges zwischen den beiden Rotorwicklungen des Motors nach der Erfindung
dargestellt und durch 0-B'-.D' die Sättigungskurve des entsprechenden Kraftflußweges
eines Motors, wo dieser Weg so bemessen ist, daß die Sättigung schon beim Anlauf
auftritt. Auf der Kurve 0 B-D ist ein Punkt A bezeichnet, der annähernd an
demjenigen Punkte der Magnetisierungskurve liegt, der bei dem neuen Motor demjenigen
kleinen Teil des wirksamen Kraftflusses entspricht, der bei nahezu synchroner Geschwindigkeit
hindurchgeht, und ein Punkt B ein wenig unter dem Knie der Kurve, der ungefähr dem
Magnetisierungszustand beim Anlassen entspricht, wenn nahezu der ganze Kraftfluß
hindurchgeht. Der Punkt B' auf der gestrichelten Linie der Kurve 0-B'-D' zeigt die
Bedingung der Sättigung eines entsprechenden Kraftflußweges in einem gewöhnlichen
Motor gleicher Art, aber ohne Schlitze beim Anlauf an, wo die Möglichkeit der ausgiebigen
Sättigung gegeben ist. Der Punkt B' liegt beträchtlich über dem Knie der Kurve 0-B'-D',
obgleich er denselben Betrag des Kraftflusses besitzt wie Punkt B auf der ausgezogenen
Kurve. Wenn man die horizontale Linie C-B-B' parallel zu der Abszisse zieht, kann
man die Beziehung zwischen dem Käfigwicklungswiderstand der beiden Motoren beim
Anlauf folgendermaßen ausdrücken: für den Motor nach der Erfindung
und für den alten Motor
Eine Vergrößerung des Käfigwicklungswiderstandes eines solchen Motors beim Anlauf
würde ein unerwünschtes Anwachsen des Anlaufstroms zur Folge haben, ohne ein entsprechendes
Anwachsen des Anlaufdrehmomentes hervorzurufen. Es ist ebenfalls aus Abb. 8 zu entnehmen,
daß der Widerstand des magnetischen Weges zwischen` den beiden Rotorwicklungen des
neuen Motors bei allen Geschwindigkeiten konstant ist. Die Sättigung des Kraftflußweges
zwischen den beiden Rotorwindungen wird vermieden und der Rotoranlaufstrom deshalb
zur Erzeugung des Anlaufmomentes voll ausgenutzt.
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Der zweite wesentliche Gedanke der Erfindung ist der, den Kraftflußweg
zwischen den beiden Rotorwicklungen von so großem Widerstand zu machen, daß der
gewünschte Teil des Rotorflusses unter der Käfigwicklung bei voller Tourenzahl fließt.
Das wird vorzugsweise durch die Ausführung nach Abb. 2 erreicht. Hier sind nämlich
die Käfigwicklungsnuten mit den entsprechenden Kommutatorwicklungsnuten durch einen
engen Schlitz =2 verbunden. Die radialen Schlitze 12 oder irgendwelche
anderen
abgeänderten Ausbildungen sind wesentlich, um einen erheblichen Vorteil vor einem
Käfiganker bei normalem Betrieb zu erhalten. Denn wenn kein Luftspalt in dem Kraftlinien$uß
vorhanden wäre, so würde praktisch dem ganzen Kraftfiuß infolge des äußerst niedrigen
Widerstandes des Eisens bei niederer Kraftflußdichte die Möglichkeit gegeben sein,
oberhalb der Käfigankerwicklung während des Normalbetriebes zu fließen, undso sichkeine
Verbesserung in der Geschwindigkeitsregelung ergeben. Die Wahl der Breite des Luftschlitzes
i2 muß sehr genau getroffen werden, denn eine Differenz von nur ein paar Tausendstel
eines Zentimeters ist leicht bemerkbar durch die Veränderung der Charakteristik.
Gewöhnlich wird eine sehr kleine Spaltweite von ungefähr 1/2o bis 1/4o der Brückentiefe
angewendet.
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In Abb. q. ist ein dünner, nichtmagnetischer Leiter 13 von
hohem Widerstand dargestellt, der in die Schlitze i2 paßt. Hierdurch wird die Kommutierung
noch verbessert. Vorzugsweise wird dieser Wirbelstromleiter 13 aus Phosphorbronze
bestehen.
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In Abb. 5 ist die Öffnung zwischen den beiden Rotorwicklungen breiter
gearbeitet und dann bis zur vorgeschriebenen Breite mit magnetischem Material ausgefüllt,
aber so, daß noch ein Spalt 15 frei bleibt. Auch hier werden in den Blättern 1q.
Wirbelströme zur Verbesserung der Kommutierung erzeugt. Der Schlitz i5 kann mit
Isolationsmaterial ausgefüllt werden.
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Eine andere, jedoch teurere Ausführungsform ist in Abb. 6 dargestellt.
Hier ist die Nut noch breiter gehalten und ein U-förmiges Stück 17 eingepaßt, das
aus nichtmagnetischem Material von hohem Widerstand, wie Phosphorbronze, besteht
und mit lamelliertem magnetischen Material 18 ausgefüllt ist.
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Abb. 7 zeigt dieses Stück allein. Ein Teil des urmagnetischen Mantels
ist weggebrochen, um den lamellierten Kern zu zeigen. Wenn die Summe der beiden
Schenkeldecken des Stückes 17 gleich dem Luftspalt m in Abb. 3 ist, sind die Ergebnisse
annähernd die gleichen. In Abb. 9 sind die charakteristischen Kurven eines Motors
nach der neuen Ausführung dargestellt. Die Bürsten waren um 35° gegen die Ständerachse
verschoben. Aus den Kurven ergibt sich ein Drehzahlabfall von nur etwa 5 Prozent
zwischen Leerlauf und Vollast und von nur etwa io Prozent zwischen Leerlauf und
igo Prozent Belastung. Das Anlaufmoment beträgt mehr als das Dreifache des normalen
Drehmomentes und dabei der Anlaufstrom nur etwa das Vierfache des normalen Stromes.
Der Leistungsfaktor beträgt bei voller Belastung o,96 und ist bei il/2facher Belastung
noch höher. Der Motor wurde mit und ohne die obererwähnten Bronzeeinlagen geprüft.
Es ergaben sich hierbei keine bemerkenswerten Unterschiede, ausgenommen die Kommutierung,
die durch die Bronzeleiter verbessert wird.