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Drosselspulen mit magnetisierbarem, vorzugsweise in sich geschlossenem
Kern zum Anlassen von Induktionsmotoren Die Erfindung betrifft eine selbsttätige
Anlaßvorrichtung für Wechselstrommotoren,, insbesondere Drehstrommotoren, bei weicher
mit der Rotorwicklung Drosselspulen mit ma: gnetisierbarem, vorzugsweise in sich
geschlossenem Kern hintereinandergeschaltet sind.
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Derartige Drosselspulen .erzeugen beim Anlaufen des Motors eine Gegenspannung
für die durch den Schlupf im Rotor erzeugte Rotorspannung. Beides sind Wechselspannungen,
deren Periodenzahl und Größe dem Schlupf proportional sind. - Durch diese Gegenspannung
ist die Gewähr dafür gegeben, daß Stromstöße von .einem Vielfachen des Nennstromes
beim Einschalten und Anlaufen vermieden werden und der Anlaufstrom annähernd konstant
und stetig bleibt.
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Bei Anwendung reiner Drosselspulen würde der Motor kein Anlaufmoment
entwickeln; es muß vielmehr, um dieses Anlaufmoment zu erzielen, ein Teil der Schlupfenergie
vernichtet werden. Dies geschieht durch die An. wendung des tnagnetisierbaren in
sich geschlossenen Kernes.
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Bisher hatten derartige Vorrichtungen einen massiven Kern oder aber
einen mindestens innerhalb eines und desselben Querschnittes gleichmäßig lamellierten
Kern ähnlich wie. normale Transformatoren. Bei Anwendung des lamellierten Kernes
übernahmen gegebenenfalls massive kurzgeschlossene Sekundärwicklungen die Energievernichtung.-
Bei Anwendung des auf seiner ganzen Länge oder Teilen seiner Länge massiven -Kernes
sinddie Wirbelstromverluste proportional dem Quadrate der -Frequenz. .Ein konstantes
Anlaufmoment erfordert dagegen ein lineares Ansteigen. Der Motor bleibt demgemäß
bei Anwendung massiver Kerne etwa auf halber Drehzahl stehen.
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Bei höheren Periodenzahlen läßt der massive Kern kein nennenswertes
Feld durch. Infolgedessen tritt beim Anlaufen eine außerordentlich-hohe Phasenverschiebung
ein, die das Anlaufmoment herabsetzt. Der Anlaufstrom ist demgemäß unerwünscht hoch.
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Im zweiten Fall, also bei Anwendung eines gleichmäßig lamellierten
Kernes, ist die erzeugte Spannung proportional der Frequenz, so daß sich wieder
annähernd quadratische Verluste im Verhältnis zur Frequenz ergeben. Der Anlauf eines
solchen Motors gestaltet sich also ungefähr wie folgt: Der :erste Stromstoß ist
sehr hoch. In. folge der hohen Verluste setzt sich der Motor-# ruckweise in Bewegung.
Bei halber -Drehzahl sind die Verluste bereits auf ein Viertel des Anfangswertes.
gesunken. Damit sinkt 'das Drehmoment auf die Hälfte des Anfangswertes. Der unter
Last anlaufende Motor bleibt- also bei Gleichheit des verlangten und abgegebenen
Momentes auf halber Drehzahl stehen, was zu einem schnellen Verbrennen des Anlassers
führt.
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Um diese Nachteile zu beseitigen, um also das Anlaufmoment verhältnismäßig,
konstant
zu erhalten, werden der Erfindung gemäß. die in dem Kern
der Drosselspulen entstehenden Wirbelströme bei hohen Periodenzahlen, also bei großer
Schlüpfung, durch geeignete Mittel gemindert. Zu diesem Zweck kann der Kern auf
verschiedenen Stellen seines Querschnitteis verschieden lamelliert werden, und zwar
derart, daß der nicht lamellierte Kraftlinienweg für geringe Periodenzahlen ausreicht,
während der stark lamellierte i#Zzaftlinienweg bei hohen Periodenzahlen zusammen
mit dem wenig lamellierten Teil oder für sich allein in Anspruch genommen wird.
Z. B. kann der Kern im Innern unlamelliert, außen lamelliert ausgeführt werden.
Dadurch wird der quadratische Verlauf der Wirbelstromverluste in einen linearen
verwandelt, denn bei hoher Frequenz werden die Kraftlinien in denjenigen Teil des
Kernes gedrängt, der mit dünnen Eisenblechen lamelliert ist und der daher nur geringe
Wirbelstromverluste hat, während der in dem mit starken Blechen lamellierten Kernquerschnitt
noch verbleibende Rest an Kraftlinien die notwendigen Wirbelstromverluste erzeugt,
ohne dieselben zu hoch werden zu lassen. Bei sinkender Periodenzahl bevorzugt dagegen
der Kraftfloß die massiven Teile. Dieses Ergebnis kann dadurch begünstigt werden,
daß der dünn lamellierte Teil des Kernes -quer zum Kraftlinienß:uß derart unterteilt
und gegebenenfalls mit Luftspalten versehen wird, daß die Unterteilungen und Luftspalten
sich nicht über den ganzen Querschnitt erstrecken. Bei sinkender Periodenzahl bevorzugt
nämlich der Kraftfiuß dann die massiven Teile, die weniger Luftspalten yenthalten,
so daß also bei sinkender Periodenzahl verhältnismäßig mehr Wirbelstromverluste
erzeugt werden und so dem Abfallen ,des Anlaufmomentes entgegengewirkt wird. Durch
ein geeignet gewähltes Verhältnis von Kernquerschnitt und Windungszahl wird erreicht.,
daß die Phasenverschiebung im Anlasserstromkreis beim Anlauf nur gering ist, so
d:a13 ein hoher Wirkstrom fließt, der ein höher Anlaufmoment bei geringem Strom
ergibt.
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Die der Erfindung entsprechende besondere Art der Lamellierung ergibt
außerdem eine außerordentlich intensive Ausbildung der Wirbelströme, die größer
ist als beim massiven Kern. Die Möglich keit der Ausbildung eines starken Kraftfeldes,
dessen Gesamtstärke grö ßer ist als bei Anwendung eines mindestens auf Teilen seiner
Länge vollkommen massiven Kernes, bleibt dabei gewahrt. Es wird also eine bessere
Ausnutzung des Materials erzielt als bei Anwendung des massiven Kernes.
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Zur Erhöhung des Anla'Bmomentes unter Geringhaltung der Kernmasse
können eine oder mehrere in sich geschlossene Sekundärwicklungen, wie an- sich bekannt,
vorgesehen werden, die der Erfindung gemäß angen<ihert linear wachsende Energieverluste
aufweisen. Für tierartige Sekundärspulen eignen sich am besten Spulen aus magnetisierbarem
Material von quadratischem oder kreisförmigem Querschnitt.
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Die der Erfindung entsprechende Arilaßvorrichtung kann wie bekannte
Anordnungen getrennt vom Motor oder wie andere bekannte Anordnungen auf der Rotorachse
angeordnet werden, so rlaß sie im letzteren Fall an der Bewegung des Rotors teilnimmt.
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Die Zeichnung stellt schematische Skizzen zur Verdeutlichung des Erfindungsgegenstandes
dar.
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Abb.i zeigt eine Schaltungsskizze. s ist die Statorwicklung, r ist
die Rotorwicklung, d ist die Drosselspulenwicklung. Bei k sind die Schleifringe
des Rotors angedeutet.
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Zur möglichst leichten Veranschaulichung -des Vorganges sei angenommen,
daß das Anlaufmoment und die dem ,Stator zugeführte Leistung konstant sei, gemäß
der Skizze in Abb. 2.
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Für den Einschaltpunkt o ist der Motor ein Transformator. Wird dem
Stator .eine bestimmte Leistung in KW zugeführt, so muß diese, abgesehen von Verlusten
in Stator und Rotor, vom Rotor an die Anlaßvorrichtung weitergegeben und dort in
Wärme umgesetzt werden. Dabei entsteht im Motor ein Drehmoment proportional der
Größe dieser Leistung. Mechanische Leistung gibt der Motor in diesem Augenblick
noch nicht ab. Für den Betriebspunkt,l ; der beim Anlauf durchlaufen wird, ist wiederum
die zugeführte Gesamtenergie gleich. Ein Teil davon, Al, wird bei gleichem Drehmoment
bei der Drehzahl Ni in mechanische Arbeit umgesetzt. Der Rest A2 muß im Anlasser
in Wärme umgesetzt werden. Bei synchroner Drehzahl würde alte aufgenommene Energie
in mechanische Arbeit verwandelt werden; dabei würde aber der Rotor keine Spannung
haben, und es würde in ihm kein Strom fließen, der ein Drehmoment erzeugen könnte.
Dieser Zustand kann nicht erreicht werden, sondern es stellt sieh kurz vor Erreichung
dieses Punktes ein Betriebszustand ein, bei dem die für den Stromfloß nötige Schlupfspannung
erzeugt wird. Es verbleibt also außer der in mechanische Arbeit N1 umgesetzten Leistung
noch ein Rest N2, der de Rotorverluste darstellt. Bei diesen Betrachtungen ist der
Stator der Einfachheit halber als verlustlos =genommen, was praktisch zulässig ist.
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Erreicht wird die obenerwähnte Umsetzung in Wärme zum kleinsten Teil
durch die Stromwärmeverloste in den Wicklungen des Rotors und der Anlaßvorrichtung
und durch dis Hysteresisverluste im Eisenkern - derselben:
Der weitaus
größte Teil wird durch Wirbelströme im Eisenkern in Wärme umgesetzt. Dieser Eisenkern
ist, um die Bildung der Wirbelströme nicht zu stören, nicht fein lamelliert, sondern
aus Blechen von größerer Stärke hergestellt. Die Blechstärke wird dem jeweiligen
Zweck entsprechend gewählt. Die Stromwärmeverluste sind unabhängig von der Periodenzahl
(Schlupf), die Hysteresisverluste sind der Periodenzahl proportional und die Wirbelstromverluste
dem Quadrat der Periodenzahl, sofern dünne Bleche angewandt werden. Die Wirbelstromverluste
sind weiter etwa quadratisch proportional der-Blechstärke. Bei Wahl einer bestimmten
Blechstärke werden sich die Gesamtverluste bei verschiedenen Periodenzahlen etwa
ergeben wie in Abb.3, Kurve V, dargestellt ist. Daraus ergibt sich für den Anlauf
das gleichfalls in Abb.3, Kurve M, dargestellte Drehmoment. Dieses Drehmoment ist
also im allgemeinen keineswegs konstant, es weist viehmehr etwa in der Mitte ein
Minimum auf. Hier beträgt das Drehmoment etwa nur die Hälfte des Drehmomentes zu
Anfang der Kurve.
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Die Minderung der Anfangsspitze des Drehmomentes kann durch Anwendung
eines Eisenkernes erzielt werden, der 'aus verschieden starken Blechen etwa so zusammengesetzt
ist, wie es beispielsweise in Abb. 4. schematisch dargestellt ist. In den Teilen
des Kernquerschnittes, die aus starken Blechen zusammengesetzt sind, entstehen bei
hohen Periodenzahlen, also bei starkem Schlupf, starke Wirbelströme. Diese verhindern
ein Anwachsen des Kraftfeldes auf die volle Stärke und als Folge davon die volle
Ausbildung der Wirbelströme. In den dünnen Blechen dagegen kann sich das Feld voll
entwickeln, da dort die Bildung von Wirbelströmen gering ist. In Abb. 5a ist die
Feldverteilung über den Querschnitteines dünnen Bleches bei 5o Peiloden. gezeigt.
Abb. 5b zeigt die Feldverteilung in einem dicken Blech. Bei abnehmender Periodenzahl
nähert sich die Verteilung der gestrichelt :eingezeichneten Linie, so daß der ganze
Querschnitt dann gleichmäßig vom Kraftfeld durchsetzt ist. Danach führt die Verwendung
des aus dicken und dünnen Blechen kombinierten Kernes dazu, daß die Wirbelstromverlustkurve
nicht mehr quadratischen Verlauf, sondern angenähert linearen Anstieg hat, wodurch
die gewünschte Drehmomentkurve geliefert wird. Dieser Vorgang kann noch, wie oben
erwähnt wurde, durch Einschaltung von Luftspalten in den dünn lamellierten Kraftlinienweg
begünstigt werden, wie sie in Abb. .1 eingezeichnet sind. Durch diese Luftspalte
wird der Kräftfluß bei kleinen Periodenzahlen zum größten Teil aus den dünnen Blechen
in diejenigen der starken Bleche gedrängt, welche keine Unterbrechung; haben. Bei
geringer Periodenzahl findet also eine starke Wirbelstrombildung statt. Bei höherer
Periodenzahl vermögen die Kraftlinien den Luftspalt zu durchfließen, sie nehmen
dann also infolge des durch die Wirbelstrombildung in dem wenig lamellierten Teile
erzeugten hohen Widerstandes ihren Weg in der Hauptsache durch die dünn lamellierten
Querschnittsteile, so daß die Wirbelstrombildung bei hoher Periodenzahl verhältnismäßig
gering wird.
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Wie in Abb.6 dargestellt ist, können zur Erhöhung der Wirbelstromverluste
um jeden Schenkel der Anlaufvorrichtung ein oder mehrere Ringe aus massivem Metall
gelegt werden, und zwar solche, die infolge des bei hohen Periodenzahlen stark wachsenden
\Vechselstromwiderstandes gleichfalls die Tendenz zeigen, die darin erzeugten Verluste
linear anwachsen zu lassen. Dies ist der Fall bei Spulen aus magnetisierbarem Metall,
z. B. Eisen, von quadratischem oder kreisförmigem Querschnitt.
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Abb. 6 zeigt auch schematisch den gesamten Aufbau der Anlaßvorrichtung.
Diese besteht aus dem in sich geschlossenen Kern a, auf dessen Stege b die
Drosselspulen d geNvikkelt sind. Die Stege tragen außerdem die Sekundärwicklung
w.
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Die beschriebene Anlaßvorrichtung wirkt vollkommen selbsttätig, ohne
.daßirgendwelche bewegten Teile erforderlich wären. Eine überlastung des Motors
kann auch bei Stillstand nicht eintreten, da dann die Anlaßvorrichtung die Energie
verzehrt und der Motor lediglich als Transformator wirkt. Wenn also bei gel:egentlichem
Fortbleiben der Spannung der Motor stehenbleibt, so läuft -er, sobald die Spannung
wiederkommt, vollkommen normal wieder an, ohne daß irgendwelche Schaltung des Anlassers
von Hand erforderlich wäre. Durch Einbau der Anlaßvorrichtung- in den Motor, also
z. B. an Stelle der Schleifringe auf die Motorachse, entsteht der ideale Kurzschlußmotor
mit großem Anlaufmoment bei kleinem Einschaltstrom.
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Ein Vorteil der in den Motor eingebauten Anlaßvorrichtung besteht
auch darin, daß wegen der Vermeidung der Schleifringe jede Funkenbildung ausgeschlossen
ist, so daß der Motor explosionsicher und für staubige Betriebe geeignet wird. Die
Anwendung der Anlaßvorrichtung verhindert auch das Entstehen von Rotorfehlern, da
auch bei Stabwicklung im Rotor die Spannung niedrig gehalten werden kann.
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Die Kühlung der in den -Motor eingebauten Anlaßvorrichtung erfolgt
durch die Ventilatorwirkung beim Umlauf; bei getrennter Aufstellung können die Anlaßvörrichtungen
auch durch 01 gekühlt werden.