DE560047C - Induktionsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf solche an ein Einphasennetz anschließbare Induktionsmotoren, die mit einem eine Kurzschlußwicklung tragenden Zwischenläufer versehen sind, und bezweckt, eine Stufenregelung der Umlaufzahl bei hohen Anlaufs- und Kippmomenten zu erzielen.

Dieser Zweck wird der Erfindung gemäß dadurch erreicht, daß der willkürlich feststellbare Zwischenläufer mit einer Mehrphasenwicklung versehen ist, die wahlweise entweder an eine Gleichstromquelle oder an einen zur Umwandlung des Einphasenstromes in Mehrphasenstrom dienenden Umformer anschließbar ist. Als Umformer wird hierbei zweckmäßig der Ständer des Motors benutzt, und der Umformer kann zugleich mit einem Transformator zur Verminderung der Spannung des zugeführten Stromes verbunden sein.

Es ist bereits bei Einphäseninduktionsmotoren mit Zwischenläufer vorgeschlagen worden, auf dem mit zwei Käfigwicklungen versehenen Zwischenläufer eine Mehrphasenwicklung anzuordnen, die an einen zur Um-Wandlung des Einphasenstromes in Mehrphasenstrom dienenden Umformer angeschlossen ist, wobei gleichfalls der Ständer als Umformer dient und der Umformer mit einem Transformator verbunden ist. Bei diesen Induktionsmotoren, bei denen die Mehrphasenwicklung im Betrieb ständig mit Drehstrom von einer dem Schlupf des Zwischenläufers entsprechenden Frequenz gespeist wird, ist jedoch die Wicklung nicht auch wahlweise an eine Gleichstromquelle anschließbar, und es ist außerdem der Zwischenläufer nicht willkürlich feststellbar.

Auf der Zeichnung zeigen in abgekürzter Darstellungsweise

Abb. ι die Stirnansicht eines Ausführungsbeispieles eines Motors nach der Erfindung und

Abb. 2 bis 5 Ausführungsbeispiele einer für Lokomotiven bestimmten Anordnung von je zwei Motoren nach der Erfindung bei je einer besonderen Benutzungsweise.

Es soll zunächst der Motor nach Abb. 1 beschrieben' werden.

Der Motor besteht in bekannter Weise im wesentlichen aus einem Ständer A, einem Läufer B und einem Zwischenläufer C. Der beispielsweise 4polig ausgeführte Ständer A trägt eine an ein Einphasennetz anschließbare Hauptwicklung α¹ und eine (nicht dargestellte) unter Vorschaltung einer Drosselspule ebenfalls an das Einphasennetz anschließbare Hilfswicklung. Der beispielsweise üpolig ausgeführte Läufer B trägt eine Mehrphasenwicklung b¹, die über einen Anlaßwiderstand kurzgeschlossen werden kann. Der Zwischenläufer C bildet einen in der Umfangsrichtung zusammenhängenden Eisenkörper, der an

seinem äußeren und inneren Rande erfindungsgetnäß mit je einer an eine Gleichstromquelle anschließbaren Erregerwicklung c¹ und c² versehen ist. Die äußere Erregerwicklunge¹ ist, wie in Abb. ι durch die strichpunktierten Linien ι veranschaulicht ist, dem Ständer A entsprechend 4polig und die innere Erregerwicklung c², wie durch die strichpunktierten Linien 2 veranschaulicht ist, dem Läufer B ίο entsprechend 6polig ausgeführt. Die (innere) Zwischenläuferwicklung c² kann anstatt an die Gleichstromquelle auch an eine mehrphasige Wechselstromquelle angeschlossen werden und ist so ausgeführt, daß sie in diesem Falle an dem gegenüber dem Ständer^ mechanisch oder elektrisch willkürlich feststellbaren Zwischenläufer ein Drehfeld erzeugt. An seinem äußeren Rande trägt der Zwischenläufer eine Kurzschlußwicklung c³, die dazu bestimmt ist, das durch die einphasige Hauptwicklung a¹ des Ständers erzeugte gegenläufige Drehfeld zu beseitigen. Ferner ist auf dem Zwischenläufer zwischen den Wicklungen c¹ und c- noch eine zweite Kurzschlußwicklung c⁴ angeordnet, die den Zweck hat, im Falle einer Speisung der Wicklunge² mit Mehrphasenstrom den innern Kraftfluß nach außen hin zu begrenzen, d. h. eine Streuung des Drehfeldes nach außen hin zu verhindern. Die Wicklungen c² und b¹ können auch so ausgeführt sein, daß eine Umschaltung auf eine andere Polzahl, beispielsweise von 6 auf 8 Pole, möglich ist.

Bei dem beschriebenen Motor sind drei verschiedeneBetriebsarten möglich. Bei der-ersten Betriebsart ist der Zwischenläufer C frei drehbar. Beim Anlauf ist außer der Hauptwicklung α¹ des Ständers auch die (nicht dargestellte) Hilfswicklung des Ständers an das Einphasennetz angeschlossen, während die Stromkreise der Erregerwicklungen c¹ und c² sowie der Läuferwicklung b¹ geöffnet sind. Infolge der Einwirkung des durch die Wicklung ß¹ und die zugehörige Hilfswicklung am Ständer A erzeugten Drehfeldes auf die Kurzschlußwicklung c³ des Hilfsläufers C läuft dieser leer an und erreicht rasch eine nahezu dem Synchronismus entsprechende Umlaufszahl. Hierauf wird die Hilfswicklung ausgeschaltet und die Erregerwicklung c¹ an die Gleichstromquelle angeschlossen, wodurch der Zwischenläufer synchronisiert wird, so daß er sich bei 50 Perioden der Netzspannung (entsprechend der Ständerpolzahl 4) mit der Umlaufszahl 1500 dreht; Ferner wird jetzt die Erregerwicklung c² an die Gleichstromquelle angeschlossen und dieLäuf erwicklung b¹ über den Anlaßwiderstand kurzgeschlossen. Der Läufer B erhält dann unabhängig von der Polzahl, für die die Wicklungen c² und b¹ ausgeführt sind, eine Umlaufszahl, die nur um einen geringen, der Schlüpfung entsprechenden Betrag kleiner ist als die Umlaufszahl des Zwischenläufers, also angenähert ebenfalls 1500 beträgt. Die Umlauf szahl hängt also nur e₅ von der Polzahl ab, mit der der Ständer und die zugehörige Erregerwicklung c^x ausgeführt ist. Dies ergibt sich auch daraus, daß die durch die Linien 1 und 2 veranschaulichten Einzelkraftflüsse sich, wie in Abb. 1 leicht zu verfolgen ist, zu einem den Ständer, Zwischenläufer und Läufer durchsetzenden resultierenden (an einzelnen Stellen verzweigten) Kraftfluß zusammensetzen, dessen Polzahl stets gleich der Ständerpolzahl ist. Falls die Wicklungen· c^s und b¹ auf 8 Pole umschaltbar sind, wird also auch durch die Polumschaltung an der Umlaufszahl des Motors nichts geändert. Bei der zweiten Betriebsart ist der Zwischenläufer C festgestellt, die Ständerwicklungen sind vom Netz abgeschaltet, und der Stromkreis der Erregerwicklung c¹ ist geöffnet. Die Erregerwicklung c² ist jetzt an die mehrphasige Wechselstromquelle angeschlossen, so daß an dem festgestellten Zwischenläufer C ein Drehfeld entsteht. Wie in einfacher Weise eine mehrphasige Wechselstromquelle geschaffen werden kann, ist weiter unten bei den in Abb. 2 bis g veranschaulichten Ausführungsbeispielen erläutert. Wenn die mehrphasige Wechselstromquelle, wie vorausgesetzt werden soll, die gleiche Periodenzahl wie das Einphasennetz hat, ist die Umlaufszahl des Drehfeldes, je nachdem die Wicklungen c² und b¹ auf 6 oder 8 Pole geschaltet sind, entweder gleich 1000 oder gleich 750. Durch die Einwirkung des Drehfeldes auf die kurzgeschlossene Läuferwicklung b¹ entsteht ein Drehmoment, das den Läufer B mit einer nur um den geringen Betrag der Schlüpfung kleineren Umlaufszahl antreibt, so daß die Motorwelle angenähert ebenfalls 1000 oder 750 Umdrehungen in der Minute macht. Das^r Feststellen des Zwischenläufers kann elektrisch dadurch geschehen, daß die Ständerwicklung α¹ mit Gleichstrom erregt wird, so daß sie durch Zusammenwirken mit der Kurzschlußwicklung des Zwischenläufers bremsend auf diesen wirkt.

Bei der dritten Betriebsart ist der Ständer ebenso wie bei der ersten Betriebsart an das Einphasennetz und die Erregerwicklung c¹ an die Gleichstromquelle angeschlossen, während die Erregerwicklung c² ebenso wie bei der zweiten Betriebsart an die mehrphasige Wechselstromquelle angeschlossen ist.. Der Zwischenläufer C ist in diesem Falle frei drehbar. Der Läufer B erhält jetzt eine Umlaufszahlj die im wesentlichen gleich der Summe, oder der Differenz der Umlaufszahlen ist, mit denen sich der Läufer B bei der zweiten Betriebsart gegenüber dem

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Zwischenläufer C und dieser bei der ersten Betriebsart gegenüber dem Ständer^ dreht, je nachdem das durch die Erregerwicklung cerzeugte Drehfeld im gleichen Sinne wie der Zwischenläufer oder im entgegengesetzten Sinne umläuft. Die Motorwelle macht also, je nachdem die Wicklungen c² und b¹ auf 6 oder 8 Pole geschaltet sind, angenähert entweder (1500+1000=) 2500 bzw. (1500—

ίο 1000=:) 500 oder (1500 + 750=) 2250 bzw. (1500 — 750=) 750 Umdrehungen in der Minute. Der Motor kann in diesem Falle als ein Doppelmotor betrachtet werden, der aus einem von der mehrphasigen Wechselstromquelle gespeisten Einzelmotor C, c², B und einem aus dem Einphasennetz gespeisten Einzelmotor A, C, c¹, c^s besteht.

Wenn man den Motor im Sinne der vorstehenden Angaben als Doppelmotor auffaßt, kann man auch sagen, daß er bei der ersten Betriebsart als einfach gespeister Doppelmotor und bei der zweiten Betriebsart als gewöhnlicher Einzelinduktionsmotor wirkt. In Abb. 2 bis 5 sind für Lokomotiven bestimmte Anordnungen von zwei nicht polumschaltbaren Motoren nach der Erfindung beispielsweise dargestellt. Beide Motoren sind darin als Ganzes mit I und II bezeichnet. Die Ständer A der Motoren sind an ein Einphasennetz D von beispielsweise i6²/₃ Hertz und die Zwischenläuferwicklungen c¹ und c² jedes Motors an eine Gleichstromquelle E anschließbar. Es ist angenommen, daß bei dem Motor I sowohl der Ständer A und die Wicklung c¹ als auch die Wicklung c² und die beispielsweise dreiphasige Läuferwicklung b¹ 4polig ausgebildet sind, während bei dem Motor II der Ständer A nebst der Wicklung c¹ 4polig und die Wicklung c² nebst der gleichfalls dreiphasigen Läuferwicklung b¹ 6polig ausgeführt ist. Die beiden Ständerwicklungen jedes Motors, d. h. die (bei dem Motor nach Abb. ι mit a¹ bezeichnete) Hauptwicklung und die zugehörige Hilfswicklung können durch Leitungen F (Abb. 3 bis 5) mit der Zwischenläuferwicklung c~ des anderen Motors verbunden werden. Da in den beiden Ständerwicklungen, wenn sie an das Einphasennetz D angeschlossen sind, ein Zweiphasenstrom mit angenähert 90⁰ Phasenverschiebung fließt, so bildet der betreffende, in diesem Falle als Phasenspalter wirkende Ständer eine mehrphasige Wechselstromquelle, die bei der zweiten und dritten Betriebsart des Motors nach Abb. 1 zur Erzeugung des Drehfeldes am Zwischenläufer verwendbar ist. Bei der Anordnung nach Abb. 2, die bei der Fahrt auf freier Strecke benutzt wird, ist jeder der beiden Motoren I und II so geschaltet wie der Motor nach Abb. 1 bei der ersten Betriebsart, d. h. es sind beide Ständer A an das Einphasennetz D und beide Erregerwicklungen c¹ und c² an die Gleichstromquelle E angeschlossen, und die Läuferwicklungen b¹ sind beide kurzgeschlossen. Da in diesem Falle die Umlaufszahl jedes Motors außer von der Periodenzahl des beiden Motoren gemeinschaftlichen Einphasennetzes D nur von der Ständerpolzahl abhängt, so haben beide Motoren, da ihre Ständerpolzahlen gleich sind, trotz der Verschiedenheit der Polzahlen der Wicklungen c² und b¹ die gleiche Umlaufszahl, die bei der Ständerpolzahl 4 und i6²/₃ Hertz 500 beträgt. Beide Motoren können daher gemeinsam auf die Achsen der Lokomotive arbeiten.

Bei der Anordnung nach Abb. 3, die ebenfalls für die Benutzung auf freier Strecke bestimmt ist, sind wieder beide Ständer A an das Einphasennetz D angeschlossen. Die Erregerwicklungen c¹ der Zwischenläufer beider Motoren bleiben an die Gleichstromquelle E angeschlossen; dagegen werden die Erregerwicklungen c² von der Gleichstromquelle abgeschaltet. Die Erregerwicklung c² des Motors II wird hierauf durch die Leitungen F an den als Phasenspalter wirkenden und daher eine mehrphasige Wechselstromquelle darstellenden Ständer A des Motors I angeschlossen. Von den Läuferwicklüngen b¹ bleibt die des Motors II kurzgeschlossen, während der Stromkreis der Läuferwicklung des Motors I geöffnet wird. Der Motor II ist jetzt so geschaltet wie der Motor nach Abb. 1 bei der dritten Betriebsart, bei der er als Doppelmotor wirkt. Da die Wicklungen c² und b¹ des Motors II 6polig sind, macht er also jetzt, wie sich aus den Darlegungen über die dritte Betriebsart des Motors nach Abb. 1 ergibt, (500 + 333 =) 833 Umdrehungen in der Mi- too nute. Der durch die Achsen der Lokomotive mit dem Läufer des Motors II gekuppelte Läufer des Motors I dreht sich mit der gleichen Umlaufszahl leer mit. Der unbelastete Zwischenläufer des Motors I wird, da seine Erregerwicklung c¹ an die GleichstromquelleE angeschlossen ist, von dem Drehfeld des zugehörigen Ständers A mit der gleichen Umlaufszahl mitgenommen, macht also ebenso wie das Drehfeld 500 Umdrehungen in der Minute.

Die Anordnung nach Abb. 4, die ebenfalls für die Benutzung auf freier Strecke bestimmt ist, unterscheidet sich von der Anordnung nach Abb. 3 nur dadurch, daß jetzt der Motor I so geschaltet ist wie der Motor II in Abb. 3. Es arbeitet jetzt also der Motor I als Doppelmotor und macht, dabei ihm die Wicklungen?)¹ und c² 4polig sind, (500 + 500=) 1000 Umdrehungen in der Minute.

Die Leistungen der Motoranlage sind in den Fällen der Abb. 3 und 4 nur wenig kleiner als im Falle der Abb. 2.

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Es kann natürlich auch die Umdrehungszahl (500 — 333 =) 167 bei verminderter Leistung, aber bei gleichem Drehmoment erreicht werden. '

Bei der Anordnung nach Abb. 5, die für Verschiebezwecke in Frage kommt, arbeitet der Motor I gemäß der zweiten Betriebsart des Motors nach Abb. 1 als Einzelinduktionsmotor. Der Zwischenläufer des Motors ist ίο demgemäß gegenüber dem vom Netz D abgeschalteten Ständer^ festgestellt, die Wicklungen c¹ und c² -sind von der Gleichstromquelle B abgeschaltet, und die Läuferwicklung b^% ist kurzgeschlossen. Die Wicklung c² ist durch die Leitungen F mit dem als Phasenspalter an das Netz D angeschlossenen Ständer A des Motors II verbunden und erzeugt daher am festgestellten Zwischenläufer des Motors I das Drehfeld. Bei dem Motor II ao bleibt die Wicklung c¹ an die Gleichstromquelle E angeschlossen, während dieWicklung c² abgeschaltet ist. Der Stromkreis der Läuferwicklung b¹ des Motors II ist geöffnet. Der Motor I arbeitet jetzt entsprechend der Umlaufszahl des an seinem Zwischenläufer erzeugten Drehfeldes mit der Umlaufszahl 500, der Motor II läuft mit der gleichen Umlaufszahl leer mit. Die Leistung der Motoranlage ist jetzt gleich der Einzelleistung des Motors I. Anstatt des Motors I kann man natürlich auch entsprechend den Motor II als Einzelinduktionsmotor arbeiten lassen.

Anstatt, wie in Abb. 3 bis 5 angenommen, den Ständer des einen Motors als mehrphasige Stromquelle zu benutzen, kann man natürlich auch den Läufer dieses Motors als Stromquelle benutzen, wobei aber die Welle dieses Motors vom Treibrade der Lokomotive abgekuppelt und festgebremst werden muß. Durch diese Kombination lassen sich außer den bereits erwähnten noch andere Drehzahlbereiche erreichen.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Lokomotive soll nur ein einziger Lokomotivmotor angenommen werden. Der Ständer A und die Wicklung c¹ dieses Motors soll mit 12 Polen ausgeführt, die Wicklunge² und die Läuferwicklung b¹ von 10 auf 20 Pole umschaltbar sein. Wird dieser Motor an ein Einphasennetz von beispielsweise i6²/₃ Hertz angeschlossen, so erhalten wir die folgenden Umlaufszahlen:

1. Bei der Betriebsart als einfach gespeister Motor, entsprechend der Pohlzahl des Ständers, etwa 167 Umdrehungen, wobei es gleichgültig ist, ob die 1 op öligen oder die 2opoligen Wicklungen c² und b¹ benutzt werden.

2. Bei der Betriebsart als Doppelmotor, je nachdem die iopolige oder die 2opolige Wicklung c² im Sinne oder gegen den Sinn I der Drehrichtung des Zwischenläufers angeschlossen werden, die Drehzahlen:

= —33

167—>

167—100 =
167 + 100 =
167 -j- 200 =

₇ 267 367·

Ohne Benutzung der anderen im vorangegangenen Ausführungsbeispiel erwähnten Betriebsmöglichkeiten erreicht man also 5 Geschwindigkeitsstufen von — 33, + 67, -(- 167, + 267, -+- 367 Umdrehungen.

Die Leistungen des Motors bei den letzten drei Drehzahlen entsprechen der vollen Leistung, für welche die Wicklungen^, c¹, c² und b¹ ausgeführt wurden, während bei den ersten zwei Drehzahlen der Motor eine geringere Leistung, jedoch die normalen Drehmomente entwickelt.

Bei allen fünf Geschwindigkeitsstufen ist der Drehsinn des Zwischenläufers derselbe, und die negative Drehrichtung des Läufers ergibt sich dadurch, daß das Drehfeld, mit welchem die Innenwicklüng des Zwischenläufers gespeist wurde, eine höhere Drehzahl besitzt als die des Zwischenläufers. Der Betrieb der Lokomotive wird sich so gestalten, daß der Zwischenläufer ein für allemal angelassen und synchronisiert wird, wonach ohne Umsteuerung desselben die fünf Geschwindigkeitsstufen — vier für Vorwärtsbewegung und eine für Rückwärtsbewegung — erhalten werden können, wovon die vier ersten für den normalen Betrieb der Lokomotive, die letzte (Rückwärtsbewegung) für Rangierzwecke benutzt wird.

Bei sämtlichen Geschwindigkeitsstufen kann durch entsprechende Erregung bzw. Übererregung mittels der Erregerwicklunge¹ i°oeine Vollkompensierung bzw. Überkompensierung des Motors erreicht werden.

Auch ist auf bekannte Weise bei allen Betriebsschaltungen eine Stromrückgewinnung möglich.

Schließlich kann im Ständer außer der für Hochspannung — z.B. 15 000 Volt — ausgeführten einphasigen Hauptwicklung α¹ noch eine in denselben Nuten untergebrachte dreiphasige Niederspannungswicklung angeordnet werden, in welcher durch Transformatorwirkung der Wicklung α¹ infolge der Vernichtung des Gegenfeldes durch die Zwischenlauf erkurzschlußwicklung c³ ein zur Speisung der Zwischenläuferwicklung c² geeigneter Drehstrom niederer Spannung erzeugt werden kann.

Es sei noch schließlich bemerkt, daß im Zwischenläufer die Erregerwicklung c¹ auch wegfallen kann, da die Wirkung teilweise bereits durch die Dämpferwicklung c³ erreicht wird. Durch die Erregerwicklung c¹, durch

welche der Zwischenläufer mit dem Ständer synchron verknüpft ist, wird aber ein höheres Anzugs- und Kippdrehmoment sowie Kompensierung ermöglicht.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   i. An ein Einphasennetz anschließbarer Induktionsmotor mit einem eine Kurzschlußwicklung tragenden Zwischenläufer,

   xo dadurch gekennzeichnet, daß der willkürlich feststellbare Zwischenläufer (C) an der dem Läufer zugekehrten Seite mit einer Mehrphasen wicklung (c²) versehen ist, die eine andere Polzahl besitzt als die Ständerwicklung und die wahlweise entweder an eine Gleichstromquelle oder an einen zur Umwandlung des Einphasenstromes in Mehrphasenstrom dienenden Umformer anschließbar ist.

   ίο 2. Induktionsmotor nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer des Motors als Phasenzahlumformer ausgebildet ist.

   3. Induktionsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Zwischenläufer (C) zwischen einer außenliegenden Kurzschlußwicklung (c³) und der innenliegenden Mehrphasenwicklung (c²) eine weitere Kurzschlußwicklung (c⁴) angeordnet ist.

   4. Induktionsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer zugleich als Transformator zur Verminderung der Spannung des zugeführten Stromes ausgebildet ist.

   5. Elektrischer Antrieb mit mindestens zwei Induktionsmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem einen Motor (z. B. I) die Mehrphasenwicklung (c²) des Zwischenläufers und die Läuferwicklung (b¹) mit einer anderen Polzahl ausgeführt ist als bei dem mit dem ersten Motor (I) mechanisch gekuppelten anderen Motor (II).

   6. Induktionsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklung an eine Gleichstromquelle anschließbar ist, so daß die Feststellung des Zwischenläufers durch die gegenseitige Einwirkung der mit Gleichstrom gespeisten Ständerwicklung und der Kurzschlußwicklung des Zwischenläufers erfolgt.

   7. Induktionsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenläufer (C) an der dem Ständer zugekehrten Seite mit einer mit Gleichstrom gespeisten zusätzlichen Erregerwicklung (c¹) versehen ist, deren Polzahl mit derjenigen der Ständerwicklung übereinstimmt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen