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Induktionsmotor für Wechsel- und Drehstrom Die Erfindung bezweckt
die Vervollkommnung von Induktionsmotoren mit kurzgeschlossener Läuferwicklung.
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Der Kurzschlußläufertnotorweist bekanntlich ein geringes Anlaufdrehmoment
bei großer Anlaufstromstärke auf. Zur Verbesserung der Anlaufbedingungen wurden
der Doppelkäfigläufer und der Wirbelstromläufer entwickelt. Die Verbesserung der
Anlaufberlingungen erfolgt hier auf Kosten der für den Betrieb wesentlichen Faktoren,
nämlich des Leistungsfaktors, der Schlüpfung und des mit diesen Werten zusammenhängenden
Wirkungsgrades.
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In Hinsicht auf die einander widersprechenden Anforderungen für den
Anlauf und für den Betrieb des Kurzschlußmotors bedeutet die Erfindung einen erheblichen
Fortschritt. Ihr zufolge besteht die Läuferwicklung eines Induktionsmotors für Wechsel-
oder Drehstrom aus in sich geschlossenen Windungsgruppen, die in Serie geschaltete
Windungen bzw. Stäbe wesentlich verschieclener Streuinduktivitä t enthalten.
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Eine besondere Anlaufwicklung ist demnach grundsätzlich nicht nötig;
die Betriebswicklung ist so aufgebaut, daß sie Windungen bzw. Stäbe enthält, die
in nahezu streuungsfreien Nuten an der Läuferoberfläche ähnlich wie bei dem normalen
Motor liegen, und Windungen, die in tiefer gelegenen Nuten untergebracht sind, die
eine größere Streuung besitzen. Die Windungen von größerer und geringerer Streuung
sind in Reihe geschaltet, so daß der Betriebsstrom beide Arten von Windungen durchfließen
muß.
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Die Wicklung besteht in ihrem einfachsten Aufbau aus elektrisch voneinander
getrennten, in sich kurzgeschlossenen Wicklungselementen. In Abb. i ist ein derartiges
Wicklungselement TI' dargestellt. Der Einfachheit halber ist für jede Windungsgruppe
nur je eine Windung W, bzw. W, angenommen. Der Anker besitzt zwei Systeme von Nuten,
und zwar die an der Ankeroberfläche gelegenen -Nuten N,, N. . . ., die für geringe
Streuung ausgelegt sind, und die tiefer gelegenen Nutete N',, N% .. ., die eine-
größere Streuung aufweisen. Die Windung W, des Wicklungselementes W liegt nun in
den oberen streuungsfreien Nuten N" N.- die mit W, in Serie geschaltete Windung
W-, in den unteren Nuten N'" N'_. Die Windungen sind, wie ersichtlich, so geschaltet,
daß ein durch die obere Windung W, fließender Strom gezwungen ist, durch die Windung
tY_ in der gleichen Umlaufsrichtung zu fließen, was durch Pfeile angedeutet ist.
Dadurch wird erreicht, daß die in übereinanderliegenden Nuten N" N', bnv.
IN', N', befindlichen Leiter a, ä bzw.
b, b'
von bleichgerichteten Strömen durchflossen werden und daher gleichgerichtete Drehmomente
ergeben. Der Verlauf des Hauptfeldes der Maschine während des Betriebes cbl, ist
in der Abbildung gestrichelt eingezeichnet.
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Bei Stillstand und während des Anlaufes ist die Wirkungsweise und
damit die Feldverteilung eine andere. Der größte Teil des Hauptfeldes cDa nimmt
seinen Weg zwischen den beiden Läufernutensystemen. Dementsprechend wird in den
Windungen W1 jedes Wicklungselementes eine Spannung induziert. Durch den auftretenden
Strom, der auch durch die Windungen W, hindurchfließt, wird ein mit diesen Windungen
verkettetes Feld erzeugt, dessen Verlauf cD'Q in der Abbildung eingezeichnet ist.
Dieses Hilfsfeld induziert in den Wicklungen WZ eine Gegenspannung gegen die in
den Windungen W, vom Hauptfeld erzeugte Spannung. Ist die Windungszahl von W1 und
W, gleich groß, so wird auch das Feld c', gleich groß werden müssen wie der mit
Wi verkettete Teil cD, des Hauptfeldes.
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Das Anlaufdrehmoment der Maschine kann j nach bekanntem Vorgange noch
durch eine besondere Anlaufwicklung von hohem Ohmschen Widerstand und geringer Streuung
vergrößert werden, von der einige Stäbe und ein Teil der Kurzschlußringe punktiert
in Abb. r eingezeichnet sind.
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Um die Wirkungsweise der Erfindung und den durch sie erzielten Fortschritt
näher zu erläutern, ist es notwendig, die Flußverteilung im Kurzschluß (beim Anlauf)
und im Betriebszustand zu untersuchen.
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Bekannt ist, daß die sekundäre Betriebswicklung von Asynchronmotoren
nur zum Teil mit dem primären Hauptfluß verkettet ist. Man bezeichnet diese Erscheinung
als Leerlauf- oder Primärstreuung- Diese weist bei den in üblicher Weise an der
Läuferoberfläche angeordneten Wicklungen, z. B. dem Käfig eines normalen Kurzschlußläufers,
einen verhältnismäßig geringen Wert auf. Wird die Reaktanz der Wicklung zur Herabsetzung
des Kurzschlußstromes durch tiefere Lage der Nuten vergrößert, so wächst dadurch
die Primärstreuung bezüglich dieser Wicklung erheblich an. Dies gilt auch für eine
Tieferlegung der Betriebswicklung (innerer Käfig) eines Doppelkäfigläufers.
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Auch im synchronen Lauf des Motors nach der Erfindung tritt gemäß
Abb. t ein Teil des Hauptflusses auf dem Pfad von cD, zwischen clen Nutensystemen
hindurch. Dieser Anteil wird wesentlich durch .den magnetischen Widerstand der Zähneschicht
zwischen den unteren Nuten beeinflußt. Nun können aber die Zahnbreiten und damit
die- Zahnquerschnitte der unteren Wicklung des Motors nach der Erfindung wesentlich
größer gehalten werden als die entsprechenden Abmessungen der Betriebswicklung eines
Doppelkäfib Läufers, da in den tiefgelegenen Nuten des Motors nach der Erfindung
nur ein geringerer Teil des Rotorkupfers untergebracht -werden muß als bei jenem.
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Im Betriebszustand wird nun wegen der geringen magnetischen Sättigung
der Zähne der überwiegende Teil des Hauptflusses im Motor nach der Erfindung mit
den unteren Windungen der Betriehs.wicklung verkettet sein. Hierzu kommt, daß die
oberen Windungen praktisch vollkommen mit dem Hauptfluß verkettet sind. Dagegen
ist im Betriebszustand des Doppelkäfigmotors die Streuung des primären Flusses bezüglich
der Betriebswickhirig wegen der höheren Sättigung der Zähne unverhältnismäßig größer.
Nun ist es aber bekannt, daß bei gleichem Drehmoment der zugehörige Sekundärstrom
und damit die sekundäre Phasenverschiebung, die Kupferverluste und die Schlüpfung
um so mehr anwachsen, j e weniger der primäre Kraftfluß mit der Betriebswicklung
des Läufers verkettet ist. Deshalb wird der Leistungsfaktor und Wirkungsgrad des
Motors nach der Erfindung unter sonst gleichen Verhältnissen höher als derjenige
des Doppelkäfigmotors sein.
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Die Verminderung der magnetischen Sättigung der Zähne @ zwischen den
unteren Nuten des Motors nach der Erfindung hat außerdem eine Verringerung des Magnetisierungsstromes
und damit eine weitere Verbesserung des Leistungsfaktors zur Folge.
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Im Stillstand (oder im Bereich niedriger Drehzahlen) ist die Zahnsättigung
des Doppelkäfigläufers zwischen den Nuten des inneren Käfigs gering, da das sekundäre
Streufeld das Hauptfeld in der Zähneschicht praktisch aufhebt. Bei der Anordnung
nach der Erfindung dagegen muß sich gemäß Abb. r der sekundäre Streufluß V, deswegen
kräftig ausbilden, weil die vollverketteten oberen Windungen mit den unteren in
Reihe geschaltet sind. Die Zähneschicht des unteren Nutensystems ist daher gesättigt,
und der Hauptfluß wird auf den für (»a eingezeichneten Pfad zwischen den beiden
Nutensystemen abgedrängt. Dieser Vorgang wird durch das Auftreten der sekundären
Streufelder noch verstärkt. Deshalb ist im Kurzschlußfall die Primärstreuung des
Motors nach der Erfindung größer 11
als im Doppelkäfigläufer. Daher sind bei
gegebenem primären Kurzschlußstrom größere Sekundärströme möglich, und demzufolge
werden größere Kupferverluste in der Betriebswicklung und damit ein größeres An-
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läufmoment erreicht.
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Die neue Anordnung wirkt also im Kurzschluß
wie eine
relative Erhöhung des auf den Ständer reduzierten Ohmschen Winderstandes des Motors.
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Die kurzgeschlossenen Wicklungselemente, aus denen die Gesamtwicklung
besteht, können auch einfacher nach Abb.2 ausgeführt «erden. Hier werden nur einfache,
geschlossene Windungen oder Windungsgruppen W verwendet, die mit der einen Spulenseite
a in den oberen streuungsfreien Nuten N und mit der anderen Spulenseite b in den
unteren Nuten N' untergebracht sind. Die Anordnung wirkt ähnlich wie diejenige der
Abb. i.
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Statt der Anwendung einzelner voneinander getrennter Wicklungselemente
kann auch eine größere Gruppe von Windungen zusammengeschaltet werden. In Abb. 3
ist im oberen und im unteren iNutensvstem je eine mehrphasige Wicklung
W bzw. W untergebracht, wobei die einzelnen Phasen P, P' aus in mehreren
Nuten verteilten Spulengruppen ca, b, c . .. , a1, hl,
c, bzw. a', b', c'. . ., a', b'1, c'1 bestehen. Eine Phase P, P' einer Dreiphasenwicklung
eines vierpoligen Ankers ist phasen sind also wie oben die einzelnen Will-Jungen
in Abb. 3 mit drei Nuten pro Pol und Phase schematisch angedeutet. Die untere Wicklung
W' ist der Deutlichkeit halber getrennt von der oberen Wicklung W eingezeichnet.
Der Wicklungsanfang A der oberen Wicklungsphase P wird mit dem Wicklungsende E'
der unteren Wicklungsphase P' (und umgekehrt E mit A') verbunden. Die Wicklungsdurch
kreuzweise Verbindung der Anfänge und Enden übereinander kurzgeschlossen.
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Diese Anordnung hat den praktischen Vorteil der einfachen und üblichen
Wicklungsart und einer geringen Anzahl von Schaltverbindurigen.