-
Wechselstrom-Induktionsmotor mit einem eine Kurzschlußwicklung tragenden
Hilfsrotor Bei Wechselstrom-Induktionsmotoren tritt in der Regel außer dem im Sinne
der Motordrehung umlaufenden Arbeitsdrehfeld noch ein störendes gegenläufiges (inverses)
Drehfeld auf, das insbesondere bei Einphasen-Induktionsmotoren von großem Nachteil
ist, weil es hier von der gleichen Größenordnung wie das Arbeitsdrehfeld ist und
die Ursache für den schwerwiegenden Mangel bildet, daß die Motoren nicht von selbst
unter Last anlaufen können und nur in geringem Maße überlastungsfähig sind. Man
hat bereits versucht, das gegenläufige Drehfeld durch Anordnung eines mit einer
Kurzschlußwicklung versehenen Hilfsrotors- zu unterdrücken, ohne daß es bisher gelungen
ist, auf diese Weise einen betriebsfähigen Motor zu schaffen. Die Erfindung beruht
auf der Erkenntnis, daß dieser Mißerfolg einerseits auf die große, durch die Anordnung
des Hilfsrotors verursachte magnetische Streuung und andererseits auf die große
Phasenverschiebung des zugeführten Wechselstromes zurückzuführen ist, die dadurch
entsteht, daß infolge der Anordnung des Hilfsrotors der Kraftlinienweg einen doppelten
Luftspalt enthält -und daher ein entsprechend hoher Magnetisierungsstrom erforderlich
ist. Der Erfindung gemäß ist daher zwecks Kompensation der Streuung und Phasenverschiebung
in den magnetischen Kreis des Motors mittels einer auf dem Hilfsrotor angeordneten
Erregerwicklung ein zusätzliches, synchron mit der Frequenz des zugeführten Wechselstromes
umlaufendes Magnetfeld eingefügt. Auf diese Weise ist es gelungen, einen Motor zu
schaffen, der sich z. B. auch zum Antrieb elektrischer Lokomotiven eignet, die aus
einem Einphasennetz beliebiger Frequenz mit Strom versorgt werden.
-
Mit einem Hilfsrotor ausgerüstete Einphasen-Induktionsmotoren sind
an sich bekannt (vgl. z. B. die deutsche Patentschrift 79 588,). Bei diesen bekannten
Motoren ist zwar das inverse Drehfeld durch die Anordnung eines eine Kurzschlußankerwicklungtragenden
Hilfsrotors mehr oder weniger unterdrückt-; es sind aber bisher keine Mittel bekannt,
um das andere, nicht unterdrückte Drehfeld im Hauptrotor des einphasigen Motors
wirksam werden zu lassen. Infolge des großen Streuflusses, der bei den bekannten
Einrichtungen den Hilfsrotor in der Umfangsrichtung durchsetzt, wird daher der größte
Teil des Statordrehfeldes gehindert, sich über den Hauptrotor zu schließen, so daß
die angestrebte Wirkung nur sehr unvollkommen eintreten kann.
-
Außerdem sind bei dem bekannten Einphasen-Induktionsmotor mit Hilfsrotor
keinerlei
Vorkehrungen getroffen, die zwischen Stromstärke und
Spannung des zugeführten Stromes bestehende Phasenverschiebung zu verkleinern oder
aufzuheben.
-
Auf der Zeichnung sind als Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
zwei Einphasen-Induktionsmotoren veranschaulicht, und zwar zeigt Abb. i den aufrechten
Längsschnitt durch einen Motor (erstes Ausführungsbeispiel), Abb. z eine Einzelheit
der Abb. i in größerem Igaßstabe, Abb. 3 einen Schnitt nach 3-3 der Abb. a, von
rechts gesehen, und Abb. q. eine schematische Darstellung der Eisenkörper und ihrer
Wicklungen (zweites Ausführungsbeispiel).
-
A ist der Stator (Abb. i), B der Rotor eines Einphasen-Induktionsmotors,
bei dem der Zwischenraum zwischen Stator und Rotor erweitert und bei dem in diesem
erweiterten Zwischenraum der Mantelteil eines um die Rotorachse drehbaren trommelförmigen
Körpers angeordnet ist. Dieser Körper, der im nachstehenden als Hilfsrotor bezeichnet
werden soll, besteht aus parallel zur Rotorachse verlaufenden, durch Zwischenräume
in Richtung des Trommelumfanges voneinander getrennten Eisenstäben C, deren Enden
beiderseits durch je einen Messing- oder Stahlbronzering cl zusammengehalten und
leitend miteinander verbunden sind. Der nach Art eines Käfigankers gebaute Hilfsrotor
C cl bildet demnach eine mehrphasige Kurzschlußankerwicklung. Zugleich stehen die
Eisenstäbe C für die in radialer Richtung verlaufenden Kraftlinien einen sehr geringen,
die Zwischenräume dagegen für die tangential verlaufenden Streulinien einen sehr
hohen magnetischen ZViderstand dar. jeder der beiden Ringe cl ist mit der benachbarten
Stirnwand c2 des trommelförmigen Körpers C cl c2 verschraubt; der
Körper C cl c2 selbst ist mittels zweier Kugellager c3 auf der Rotorwelle
b1 drehbar gelagert. Durch die Anordnung der Kugellager ist die bei der Verwendung
eines zwischen Stator und Rotor umlaufenden Hilfsrotors besonders wichtige Unveränderlichkeit
der radialen Luftzwischenräume gewährleistet. Zwischen den Eisenstäben C ist noch
eine Erregerwicklung c4 untergebracht, die über Schleifringe c5, die an den Stirnwänden
c2 angeordnet sind, mit einer Gleichstromquelle von regelbarer Spannung verbunden
werden kann. Die Erregerwicklung c4 ist so angeordnet, daß beim Anschluß an eine
Gleichstromquelle sich im Hilfsrotor C cl Magnetpole ausbilden, deren Zahl mit der
Zahl der Statorpole übereinstimmt und bei denen der Richtungssinn des Kraftschlusses
von Pol zu Pol wechselt. Der Stator A ist in an sich bekannter Weise mit einer einphasigen
Hauptwicklung a1 und einer (auf der Zeichnung nicht sichtbaren) nur beim Anlauf
wirksamen und daher durch besondere (nicht dargestellte) Hilfsmittel in bekannter
Weise abschaltbaren Hilfswicklung (Hilfsphase) versehen. Der Rotor B trägt eine
dreiphasige Wicklung b2, deren Enden einerseits miteinander in Sternschaltung verbunden
und andererseits über drei auf der Rotorwelle b1 sitzende Schleifringe b3 (Abb.
i) an einen Anlaßwiderstand angeschlossen sind.
-
Will man den beschriebenen Motor, einerlei ob leer oder unter Last,
anlaufen lassen, so schaltet man zunächst bei offener Rotorwicklung b2 und unerregter
Hilfsrotorwicklung c4 die Statorwicklung a1 nebst der erwähnten Hilfsphase ein.
Unter der Wirkung des vom Stator mittels der Hilfsphase erzeugten zweiphasigen Drehfeldes
und der im Hilfsrotor C cl induzierten Kurzschlußströme läuft der Hilfsrotor C cl
in einem bestimmten Drehsinne, nämlich im Sinne der Umlaufsrichtung des durch die
Hilfsphase erzeugten Drehfeldes, an und gelangt schnell auf eine vom Synchronismus
wenig verschiedene Drehzahl. Wird nun die Hilfsphase abgeschaltet, so wirkt der
umlaufende Hilfsrotor C cl auf die beiden gegeneinander rotierendem. Drehfelder,
in die man sich. nach einer allgemein verbreiteten Anschauung das einphasige Statorwechselfeld
zerlegt denken kann, in der Weise ein, daß das im Drehsinne des Hilfsrotors C cl
umlaufende Drehfeld erheblich verstärkt, das entgegengesetzt umlaufende Drehfeld
dagegen praktisch zum Verschwinden gebracht wird. Durch das Zusammenwirken des gleichsinnig
mit dem Hilfsrotor umlaufenden Drehfeldes mit - den im Hilfsrotor induzierten Kurzschlußströmen
ents:eht ein Drehmoment, durch welches die Drehbewegung des Hilfsrotors und- damit
auch das gleichsinnig umlaufende Drehfeld selbst aufrechterhalten wird.
-
Wird nun die auf dem Hilfsrotor C cl angeordnete Erregerwicklung c4
an die bereits erwähnte Gleichstromquelle angeschlossen, so wird der Hilfsrotor
C cl gewissermaßen zum Rotor eines Synchronmotors, indem er synchron mit dem wirksamen
Statordrehfelde umläuft, wobei er in diesem Drehfelde eine solche Stellung einnimmt,
daß auf dem magnetischen Pfade der Kraftlinien ungleichnamige Pole aufeinanderfolgen,
also z. B. einem Statornordpol ein Hilfsrotorsüdpol und dem diesem zugeordneten
Hilfsrotornordpol ein Rotorsüdpol gegenübersteht. Damit ist die Aufrechterhaltung
des gleichsinnig mit dem Hilfsrotor umlaufenden Drehfeldes selbst bei starker Überlastung
des Motors vollständig gesichert.
Dieser Umstand ermöglicht es,
den Rotor F' unter Benutzung von Anlaßwiderständen genau so wie den Rotor eines
Mehrpliasenniotors anlaufen- zu lassen. Denn da das im Stator umlaufende Drehfeld
wegen des in Richtung des Durchmessers niedrigen und in Richtung des Umfanges hohen
magnetischen Widerstandes gezwungen ist, sich durch den Rotor B hindurch zu schließen,
der magnetische Kraftfluß also im Hilfsrotor in Richtung des Umfanges größtenteils
unterdrückt ist, so ist die Rotorwicklung b' mit dem erwähnten Drehfelde genau wie
bei einem Mehrphasenmotor verkettet, und es entsteht kein nennenswerter Streufluß
und demzufolge kein durch das inverse Drehfeld herv orgerufenes negatives Drehmoment.
Man braucht daher lediglich die Rotorwicklung b' unter Einschaltung von Anlaßwiderständen
zu schließen, um das zum Anlauf des Motors erforderliche Drehmoment zu erzielen,
wobei eine verhältnismäßig hohe mechanische Belastung des Motors zugelassen werden
kann, da ein Anlaufdrehmoment vom mehrfachen Betrage des normalen Drehmomentes sich
leicht erreichen läßt. Je nach der Wahl der Stärke des Erregerstromes in der @Vicklung
cl läßt sich genau wie bei einem gewöhnlichen synchronen Motor die Phasenverschiebung
zwischen Stromstärke und Spannung des der Statorwicklung a1 zugeführten Einphasenstromes
nach Wunsch beeinflussen. Man kann daher z. B. diese Phasenverschiebung vermindern
oder auch ganz aufheben, d. h. dem Motor einen Leistungsfaktor cos rp = i erteilen,
oder man kann die Nacheilung des Stromes gegenüber der Spannung in Voreilun_g verwandeln.
-
Ohne an der Erfindung etwas zu ändern, könnte man auch, anstatt die
Erregerwicklung in den Zwischenräumen des gleichmäßig verteilten Feldeisens unterzubringen,
den Hilfsrotor als Polrad mit ausgeprägten bewickelten Polen ausführen. In der Wirkungsweise
würde sich ein derart abgeänderter Hilfsrotor von dem beschriebenen grundsätzlich
nicht unterscheiden.
-
Bei dem durch Abb. q. veranschaulichten zweiten Ausführungsbeispiele
besteht der Hilfsrotor aus einer Trommel, in deren eisernen Mantelteil F von außen
und von innen einander paarweise gegenüberliegende, zur Aufnahme der Erregerwicklung
f' bestimmte Nuten f1 eingefräst sind. Die Erregerwicklung f' ist dabei so ausgeführt,
daß die zwischen den Nuten befindlichen Zähne f außen die entgegengesetzte Polarität
wie innen aufweisen, wobei der Richtungssinn des Kraftflusses mit jeder Polteilung
wechselt, und daß ferner -entsprechende Punkte benachbarter Pole gleiches magnetisches
Potential auf-@: eisen. Dem Hilfsrotor F ist ein Stator D und ein eine Dreiphasenwicklung
e1 tragender Rotor E' zugeordnet, wobei in jeder Polteilung des mit einer Einphasenwicklung
dl ausgerüsteten StatorsD zwei Nuten d-' leer gelassen sind, um die nur den Anlauf
des Hilfsrotors F ermöglichende (nicht abgebildete) Hilfsphase aufzunehmen. Bei
der beschriebenen Ausbildung des Hilfsrotors F steht jedem Statornordpol ein Hilfsrotorsüdpol
und jedem Rotorsüdpol ein- dem Hilfsrotorsüdpol zugeordneter Hilfsrotornordpol gegenüber.
Diese Ausführungsform weist also hinsichtlich des Kraftlinienverlaufes im allgemeinen
dieselbe '?irkung auf wie die früher beschriebene; insbesondere ist infolge des
fehlenden Potentialunterschiedes zwischen entsprechenden Punkten benachbarter Pole
jeder magnetische Kraftfluß in Richtung des Umfanges des Hilfsrotors F unterdrückt.
Eine Änderung der primären Phasenverschiebung durch Regelung der Stärke des die
Erregung des Hilfsrotors F bewirkenden Gleichstromes ist genau so wie bei der zuerst
beschriebenen Einrichtung möglich.
-
Ein wesentlicher Vorteil der beiden beschriebenenEinphasen-Induktionsmotoren
liegt in der Möglichkeit, mit einfachen Mitteln die Phasenverschiebung zwischen
Primärstrom und Spannung vollständig aufzuheben oder in Voreilung zu verwandeln.
Ein weiterer Vorteil -besteht darin, daß der Motor unter Last. ja sogar mit erheblicher
überlastung anzulaufen vermag und sich im Laufe genau wie der wegen seiner Betriebssicherheit
besonders geschätzte Mehrphasen-Induktionsmotor verhält.
-
Man kann bei den beschriebenen Wechselstrom-Induktionsmotoren auch
die einphasige Statorwicklung a1 oder dl durch eine mehrphasige, z. B. eine Drehstromwicklung,
ersetzen. Man erhält dann einen auf bequeme Weise kompensierbaren, Mehrphasenmotor;
der sich vor bekannten Mehrphasenmotoren mit Einrichtung zur Kompensierung der Phasenverschiebung
dadurch auszeichnet, daß er weder -eines- Kommutators noch eines Hintermotors o.
dgl. bedarf.