DE69002575T2 - Asynchronmotor. - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Induktionsmotor mit einem einzelnen, einstückig ausgebildeten Rotor und einer Vielzahl von Statoren, der sanft anlaufen kann und ein hohes Antriebsmoment in einem weiten Bereich von einem Niedrigdrehzahlbereich bis zu einem Hochdrehzahlbereich abgibt, und insbesondere eine Phasenveränderungseinrichtung für den Motor, die eine Phasenumschaltungsoperation in den rotierenden magnetischen Feldern um die leitenden Rotorelemente des Rotors herum bewirkt, erzeugt durch die den Rotor umgebenden Statoren.
• Was die Verfahren zur Steuerung des Drehmoments und der Drehzahl bei einem Induktionsmotor des mit einer Vielzahl von Statoren versehenen Typs angeht, besteht eine konventionelle, verfügbare Methode darin, zwischen den Statoren Phasendifferenzen zu bewirken. Ein mechanisches System zum Bewirken solcher Phasendifferenzen kann eine Anordnung aufweisen, bei der auf die Relativdrehung von Statoren zurückgegriffen wird, um eine Phasendifferenz zu erzeugen, und ein elektrisches System kann daher eine Anordnung aufweisen, bei der die Anschlüsse von Statorwindungen geändert werden, um verschiedene Arten von Phasendifferenzen zu erzeugen. Andere verfügbare Systeme weisen eine auf, bei der ein Y-Δ-Verbindungsänderungssystem kombiniert ist.
• Irgendeine geeignete Methode wird in einer Anzahl unterschiedlicher Arten aus den vorstehenden Methoden oder Systemen entsprechend den Belastungscharakteristiken der Belastung, die an den Motor angeschlossen ist, oder der Verwendung des Motors, wie beispielsweise der Notwendigkeit, der Belastung durch Änderung des Drehmoments oder der Drehzahl des Motors zu entsprechen und der Notwendigkeit, ein sanftes Ansteigen der Drehzahl beim Anfahren des Motors zu erzielen, ausgewählt.
• Die vorliegende Erfindung schafft eine Anordnung, in der gewisse stufenartige Phasendifferenzen vorgesehen sind, um der angeschlossenen Belastung zu entsprechen, und die als zugehörig zu den elektrischen Systemen zum Bewirken von phasenveranderungen, auf die vorstehend bei der Erläuterung der konventionellen Verfahren Bezug genommen wurde, angesehen werden kann.
• Bei den vorstehend erläuterten konventionellen elektrischen Systemen wird die Phasenveränderung durch die Anschlußveränderung der Statorwindungen bewirkt, so daß, während die verfügbaren Phasendifferenzen 0º, 60º, 120º, 180º betreffend die elektrischen Winkel betragen können, die Zahl der erforderlichen Schalter ein Dutzend oder mehr übersteigt. Dies ist einer der Gründe für die hohen Herstellungskosten eines solchen Systems.
• Es gibt auch einen gewöhnlichen Induktionsmotor, bei dem ein Y-Δ-Verbindungsänderungssystem für den Zweck der Verbesserung der Anlaufcharakteristiken des Motors vorgesehen ist. In solch einem Motor sind trotz der Vorsehung lediglich eines Stators dessen Verdrahtungen ziemlich komplex. Auch tritt eine Drehmomentveränderung, verursacht durch eine temporäre Unterbrechung des Arbeitsstroms zu dem Zeitpunkt auf, wenn die Umschaltung von der Y-Verbindung zur Δ-Verbindung stattfindet, und darüber hinaus tritt ein unvermeidbarer Schock, verursacht durch ein plötzliches Ansteigen des Arbeitsstroms und eine plötzliche Änderung beim erzeugten Drehmoment unmittelbar nach der vorstehenden Verbindungsänderung auf. Die Drehmoment-Drehzahl und die Strom-Drehzahl- Kennlinien, die entsprechend der konventionellen Y- Δ-Verbindungsänderung erhalten werden, sind in Fig. 14 dargestellt.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung hat daher die Schaffung eines Phasenveränderungssystems zum Ziel, bei dem, während die Drehmomentcharakteristiken basierend auf den Phasendifferenzen, wie sie bei den konventionellen Verfahren erhalten werden, erhalten bleiben, lediglich die minimale Anzahl der Schalter für den Schaltvorgang notwendig ist, was zu einer beträchtlichen Reduktion der Herstellungskosten führt. Durch die Verwendung des Phasenveränderungssystems der Erfindung tritt keine Unterbrechung des Arbeitsstroms zum Zeitpunkt der Betätigung der betreffenden Schalter auf, und es tritt lediglich eine geringe Drehmomentänderung und ein geringes Ansteigen des Arbeitsstroms auf.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Induktionsmotor geschaffen mit:
• einem einzelnen Rotor, der einstückig ausgebildet ist mit einem ersten und einem zweiten Rotorkern, die axial auf einer gemeinsamen Achse montiert sind, wobei ein Luftspalt oder ein nichtmagnetischer Abschnitt zwischen den zwei Rotorkernen vorgesehen ist und wobei auf den zwei Rotorkernen eine Vielzahl von leitenden Rotorelementen vorgesehen ist, die sich hierdurch erstrecken;
• einem ersten und einem zweiten Stator, die Seite an Seite angeordnet sind und die jeweiligen Rotorkerne umgebend diesen gegenüberstehen, wobei der erste und der zweite Stator einen ersten und einen zweiten Statorkern aufweisen, auf die eine Vielzahl von Wicklungen von mehreren Phasen gewickelt sind, wobei die Vielzahl von Mehrphasenwicklungen des ersten und des zweiten Stators angeschlossen ist unter Ausbildung einer seriellen Δ-Verbindung; und
• einer Phasenveränderungseinrichtung mit Kurzschlußschaltern, die jeweils zwischen seriellen Verbindungsknoten der jeweiligen Statorwicklungen von unterschiedlichen Phasen des ersten und des zweiten Stators angeordnet sind, und zwar zum Verändern der Phasendifferenz zwischen den magnetischen Rotationsfeldern um den ersten Rotorkern, erzeugt durch den ersten Stator, und den magnetischen Rotationsfeldern um den zweiten Rotorkern, erzeugt durch den zweiten Stator, und zwar durch den Betrieb der Kurzschlußschalter.
• Die Verbindung der Statorwicklungen des erfindungsgemäßen Motors ist beim Starten nach Art einer seriellen Δ-Verbindung oder einer parallelen Y-Verbindung angeordnet, von denen jede eine vorbestimmte elektrische Phasendifferenz mittels Drahtverbindungen der Statorwicklungen schafft. Die so erhaltenen Phasendifferenzen können beide jeweils 180º, 120º oder 60º betragen. Bei den Statorwicklungen, die solche Drahtverbindungen aufweisen, sind Kurzschlußschalter vorgesehen zum Bewirken eines Kurzschlusses zwischen den jeweiligen Verbindungsknoten, an denen die Statorwicklungen seriell angeschlossen sind. Beispielsweise können solche Schalter aus einem ersten Kurzschlußschalter zum Kurzschließen bestimmter serieller Verbindungsknoten und einem zweiten Kurzschlußschalter zum Kurzschließen bestimmter anderer Verbindungsknoten bestehen. Da der erste Kurzschlußschalter derart angeordnet ist, um lediglich einen Teil der seriellen Verbindungsknoten in Folge eines Schließen des Schalters kurzzuschließen, wird bewirkt, daß die Statorwicklungen sich einmal nicht im Gleichgewichtszustand befinden. Wenn der zweite Kurzschlußschalter ebenfalls geschlossen wird, ändert sich die Verbindung der statorwicklungen wieder in eine im Gleichgewicht befindliche Verbindung.
• Somit ändert sich in dem Stadium, in dem die Verbindung der Statorwicklungen beim Anfahren des Motors eine serielle Δ-Verbindung ist zum Bewirken einer vorbestimmten Phasendifferenz (eine von 180º, 120º, oder 60º), die Verbindung zu einer nicht im Gleichgewichtszustand befindlichen Verbindung, wenn der erste Schalter geschlossen ist, und ändert sich in eine parallele Y-Verbindung, deren Phasendifferenz abweichend von der der seriellen Δ-Verbindung ist, wenn der zweite Schalter ebenso geschlossen ist. In diesem Fall wird, wenn die serielle Δ-Verbindung mit einer elektrischen Phasendifferenz (von 180º, 120º oder 60º) direkt, wie es der Fall ist, zur parallelen Y-Verbindung geändert wird, gleichzeitig die Phasendifferenz geändert. Insbesondere werden, wenn die serielle Δ-Verbindung in die parallele Y-Verbindung geändert wird, die jeweiligen Phasendifferenzen von 180º zu 120º, 120º zu 60º und 60º zu 0º geändert.
• Die Betriebsweisen des Induktionsmotors, der Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden: Zuerst startet der Motor infolge des Einschaltens des Leistungsschalters unter der seriellen Δ-Verbindung, wobei die oben erwähnte vorbestimmte Phasendifferenz zwischen den Statoren erzeugt wird. Die Belastung, die an den Motor angeschlossen ist, wird dann entlang der Drehmomentkennlinie der vorbestimmten Phasendifferenz beschleunigt. Als nächstes wird nach dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit oder nach dem Erreichen eines vorbestimmten Drehzahlwertes der erste Schalter eingeschaltet oder geschlossen, während der zweite Schalter in seinem geöffneten Zustand verbleibt, wodurch der Ungleichgewichtszustand erreicht wird. Die Spannung über den Wicklungen, die Teil der Wicklungen sind, die in den Ungleichgewichtszustand gebracht worden sind, steigt und dementsprechend das Drehmoment. Somit wird die Belastung entlang der Drehmomentkennlinie, die auf den im Ungleichgewichtszustand befindlichen Wicklungen basiert, weiter beschleunigt und die Drehzahl des Motors steigt. Als letztes ermöglicht das Schließen oder das Einschalten des zweiten Schalters nach dem Verstreichen der vorbestimmten Zeitdauer nach dem Einschalten des ersten Schalters oder nach dem Erreichen des vorbestimmten Drehzahlwertes die Verbindung der Statorwicklungen in paralleler Y-Verbindung, wo die Phasendifferenz um 60º kleiner ist als die, die durch die serielle Δ-Verbindung beim Starten erzeugt wird, und die Belastung wird in Übereinstimmung mit der Drehmomentkennlinie dieser parallelen Y-Verbindung gefahren.
• Auf der anderen Seite kann die Verbindung der Statorwicklungen beim Starten gut eine parallele Y-Verbindung sein, die eine vorbestimmte Phasendifferenz (eine von 180º, 120º oder 60º) erzeugt. In diesem Fall wird die Verbindung der Statorwicklungen zu einem Ungleichgewichtszustand geändert mittels des Öffnens oder Ausschaltens des ersten Schalters und wird weiter in eine serielle Δ-Verbindung geändert, deren Phasendifferenz abweichend von der der parallelen Y-Verbindung beim Anlaufen ist, mittels des Öffnens des zweiten Schalters zusätzlich zu dem oben erwähnten ersten Schalter. In diesem Fall wird, wenn die parallele Y-Verbindung mit einer elektrischen Phasendifferenz (von 180º, 120º oder 60º) direkt, wie es der Fall ist, zur seriellen Δ-Verbindung geändert wird, gleichzeitig die Phasendifferenz geändert. Insbesondere werden, wenn die parallele Y-Verbindung direkt in die serielle Δ-Verbindung geändert wird, die jeweiligen Phasendifferenzen von 180º zu 120º, 120º zu 60º und 60º zu 0º geändert.
• Die Wirkungsweisen des Induktionsmotors, der mit der parallelen Y-Verbindung anläuft, können wie folgt zusammengefaßt werden: Als erstes startet der Motor infolge des Einschaltens des Leistungsschalters unter der parallelen Y-Verbindung, wobei die oben erwähnte vorbestimmte Phasendifferenz zwischen den Statoren erzeugt wird. Die aufgebrachte Belastung wird dann entlang der Drehmomentkennlinie der vorbestimmten Phasendifferenz beschleunigt. Als nächstes wird nach dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit oder nach dem Erreichen eines vorbestimmten Drehzahlwertes der erste Schalter eingeschaltet oder geöffnet, während der zweite Schalter in seinem geschlossenen Zustand gehalten wird, wodurch die Verbindung der Statorwicklungen in das Ungleichgewicht überführt wird. Die Spannung über den Wicklungen, die ein Teil der Wicklungen sind, die in den Ungleichgewichtszustand gebracht worden sind, steigt und dementsprechend das Drehmoment. Somit wird die Belastung entlang der Drehmomentkennlinie, die auf den im Ungleichgewichtszustand befindlichen Wicklungen basiert, weiter beschleunigt, und die Drehzahl des Motors steigt. Als letztes macht die Öffnung oder die Ausschaltung des zweiten Schalters nach dem Verstreichen der vorbestimmten Zeitspanne nach dem Ausschalten des ersten Schalters oder nach dem Erreichen des vorbestimmten Drehzahlwertes die Verbindung der Statorwicklungen zu einer seriellen Verbindung, wobei die Phasendifferenz um 60º geringer ist als die, die durch die parallele Y-Verbindung beim Anlaufen erzeugt worden ist, und die Belastung wird entsprechend der Drehmomentkennlinie dieser seriellen Δ-Verbindung gefahren.
• Wie oben erläutert, ist es möglich, die Phasendifferenz in drei Stufen, lediglich durch Schaltoperationen der zwei Schalter, nämlich des ersten Kurzschlußschalters und des zweiten Kurzschlußschalters, zu ändern und ein Phasenveränderungssystem zu schaffen, bei dem die Zahl der zum Bewirken der notwendigen Schaltoperation notwendigen Verbindungsschalter beträchtlich kleiner ist als in einem konventionellen System. Auch, wie schon hierin vorstehend beschrieben, können, da zumindest einer der beiden Schalter immer in seinem Einschaltzustand oder seinem Ausschaltzustand nach dem Anlaufen unter der seriellen Δ-Verbindung oder der parallelen Y-Verbindung ist, die Kapazitäten der Kontakte des ersten Schalters und des zweiten Schalters klein gemacht werden. Darüber hinaus besteht, da die zwei Schalter derart geschaltet sind, daß sie die seriellen Verbindungsknoten der Statorwicklungen kurzschließen oder trennen, keine Möglichkeit, daß der Arbeitsstrom während der Operation unterbrochen wird, und daher auch keine Möglichkeit, daß das Antriebsdrehmoment zu 0 wird. Auch selbst dann, wenn irgendwelche Schaltfehler infolge des Einschaltzustands eines oder beider Schalter bewirkt werden, beispielsweise durch das Verschmelzen der Anschlußkontakte der Schalter, besteht wegen des Vorhandenseins des Zustands, in dem sowohl der erste als auch der zweite Schalter gleichzeitig in ihrem Einschaltzustand sind, keine Möglichkeit, daß sich solche Fehler zu irgendwelchen elektrischen Problemen entwickeln.
• In dem erfindungsgemäßen Induktionsinotor beträgt die Anzahl der Drähte, die notwendig sind, um den Anschluß einer Stromversorgungsquelle und den Anschluß des Phasenveränderungssystems mit dem ersten und dem zweiten Kurzschlußschalter zu komplettieren, drei Leitungen für die Stromversorgungsguelle und vier für das Phasenveränderungssystem, was insgesamt sieben Leitungen für die Spezifikation eines Dreiphasenmotors ergibt. Wo das Phasenveränderungssystem auf der Seite der Stromversorgungsquelle vorgesehen ist, beträgt die Anzahl der notwendigen Drahtleitungen sechs Leitungen von der Motorseite und drei Leitungen von der Stromversorgungsquellenseite, was einige Schwierigkeiten bei der Einstellung oder Installation dieses Induktionsmotors am Arbeitsplatz darstellt. Jedoch erweist es sich durch die Konsolidierung des Phasenveränderungssystems und des Motors und der Anbringung der befestigten Drahtleitungen daran als ausreichend, daß nur drei Drahtleitungen an der Stromversorgungsquellenseite verwendet werden, und dies ermöglicht die Installation des Induktionsmotors an jedem beliebigen Arbeitsplatz. In einem gewöhnlichen, groß bemessenen Motor machen die sechs Leitungen, die erforderlich sind, um das Y-Δ- Anlaufen auszuführen, die Verdrahtungsarbeit kompliziert. Jedoch sind bei dem erfindungsgemäßen Induktionsmotor das Phasenveränderungssystem und der Induktionsmotor als eine Einheit ausgebildet, so daß die Anzahl der für den Betrieb notwendigen Drahtleitungen lediglich drei Leitungen für die Stromversorgungsquelle beträgt. Somit ist es selbst bei einem groß bemessenen Motor lediglich erforderlich sicherzustellen, daß an einem Arbeitsplatz die Verdrahtung mit den drei Stromquellenleitungen und die Drehrichtung des Motors gleich der wie im Fall eines klein bemessenen Motors ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Die vorstehende und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, von denen:
• Fig.1 eine teilweise gebrochen dargestellte Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Induktionsmotors ist;
• Fig.2 ein Anschlußdiagramm der Phasenveränderungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Induktionsmotors ist;
• Fig.3 eine Δ-Verbindung, die eine vorbestimmte Phasendifferenz erzeugt, zeigt;
• Fig.4 (a) und Fig. 4 (b) Schaltbilder einer im Ungleichgewicht befindlichen Verbindung zeigen, bei der ein Kurzschlußschalter geschlossen ist;
• Fig.5 eine parallele Y-Verbindung, die die Phasendifferenz von 0º erzeugt, zeigt;
• Fig. 6 (a) und 6 (b) typische Kennlinien zeigen, die durch den Motor mit den Widerstandselementen erhalten werden;
• Fig.7 (a) und 7 (b) typische Kennlinien zeigen, die durch den Motor ohne Widerstandselemente erhalten werden;
• Fig.8 eine parallele Y-Verbindung zeigt, die eine vorbestimmte Phasendifferenz erzeugt;
• Fig.9 eine serielle Δ-Verbindung zeigt, die die Phasendifferenz von 0º erzeugt;
• Fig. 10 ein Anschlußdiagramm der Steuervorrichtung mit einer Zeitgebereinrichtung am Phasenveränderungssystem ist;
• Fig.11 ein Anschlußdiagramm der Steuervorrichtung mit einer Drehzahlerfassungseinrichtung am Phasenveränderungssystem ist;
• Fig.12 ein Anschlußdiagramm der Steuervorrichtung mit sowohl der Zeitgebereinrichtung als auch der Drehzahlerfassungseinrichtung an der Phasenveränderungseinrichtung ist;
• Fig.13 die Gesamt-Drehmoment/Drehzahl- und Gesamt- Strom/Drehzahlkennlinie zeigt, die durch den Induktionsmotor mit dem erf indungsgemäßen Phasenveränderungssystem erhalten werden; und
• Fig.14 die Drehmoment/Drehzahl- und die Strom/Drehzahl-Kennlinie zeigt, die durch das konventionelle Y-Δ-Veränderungssystem erhalten werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung ist hierin hauptsächlich in Bezug auf eine Phasenveränderungsvorrichtung für einen Induktionsmotor erläutert, der einen Käfigläuferrotor und zwei Statoren aufweist, jedoch versteht es sich, daß die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Es ist möglich, daß die Erfindung in einen Induktionsmotor vom Schleifringläufertyp ausgebildet ist, oder kombiniert ist mit der Schaltung von Y-Δ- Verbindungen der Statorwicklungen, um die Diversifikation von Drehmomentcharakteristiken zu erzielen. Zwischen den Rotorkernen kann ein Luftspalt vorhanden sein, ein nicht-magnetischer Kern oder ein magnetischer Kern.
• Der Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung hat bereits im Detail in der US-Patentschrift Nr. 4,785,213, die am 15. November 1988 mit dem Titel "Mit variabler Drehzahl steuerbarer Induktionsmotor" veröffentlicht wurde, den Aufbau und die Funktion eines Induktionsmotors mit einem einzelnen Rotor und einer Vielzahl von Statoren offenbart.
• Fig.1 zeigt einen Teil des Induktionsmotors, der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet den Induktionsmotor mit einer Vielzahl von Statoren, wobei der Motor im wesentlichen folgende Anordnungen aufweist: Rotorkerne 2, 3 aus magnetischem Material sind an einer Rotorwelle 4 mit einem dazwischen vorgesehenen, vorbestimmten Zwischenraum befestigt. Zwischen den Rotorkernen 2 und 3 kann entweder ein nicht-magnetischer Kern 5 oder ein Luftspalt vorgesehen sein. Jeweilige leitende Rotorelemente 6..., die auf den Rotorkernen 2, 3 angeordnet sind, sind derart verbunden, daß sie sich durchgehend darauf erstrecken, wodurch sie einen einheitlichen Rotor 7 bilden, und beide Enden der leitenden Elemente 6..., sind durch Kurzschlußringe 8, 8 kurzgeschlossen. Auch sind in dieser Konfiguration die leitenden Rotorelemente 6..., die auf dem Rotor 7 montiert sind, im nichtmagnetischen Kernbereich 5 zwischen den Rotorkernen 2, 3 mittels Widerstandselementen 9... kurzgeschlossen. Die Widerstandselemente 9 ermöglichen den Stromfluß, wenn vorbestimmte Vektordifferenzen in den Strömen, die in den leitenden Elementen 6... fließen, bestehen. Sämtliche leitende Elemente 6..., die auf dem Rotor 7 montiert sind, sind nicht notwendigerweise durch die Widerstandselemente 9... kurzgeschlossen, und lediglich eins von ihnen kann in Abhängigkeit von den Belastungscharakteristiken der angeschlossenen Belastung kurzgeschlossen sein.
• Ein erster Stator 12 und ein zweiter Stator 13, die mit auf den Statorkernen 12a, 13a vorgesehenen Statorwicklungen 10, 11 versehen sind, sind Seite an Seite, die jeweiligen Rotorkerne 2 und 3 jeweilig umgebend diesen zugewandt. Der erste Stator 12 und der zweite Stator 13 sind fest auf einem Maschinenrahmen 14 montiert. Die Statorwicklungen 10, 11 sind so miteinander verbunden, daß sie eine serielle Δ- Verbindung bilden, die beispielsweise die Phasendifferenz von 60º im elektrischen Winkel erzeugt.
• Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die Fig.2 und fortfolgende das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert.
• Fig.2 zeigt ein Diagramm von Drahtleiterverbindungen. Die statorwicklungen 11 für jeweilige Phasen sind an Enden (U&sub1;, V&sub1;, W&sub1;) an einer Seite verbunden mit den jeweiligen Phasen A, B, C der Dreiphasen- Stromversorgungsquelle durch Leistungsschaltereinrichtungen S&sub0; und sind an den Enden der anderen Seite (X&sub1;, Y&sub1;, Z&sub1;) mit Enden (Y&sub2;, Z&sub2;, X&sub2;) einer Seite der Statorwicklungen 10 verbunden. Die Enden (U&sub2;, V&sub2;, W&sub2;) der anderen Seite der Wicklungen 10 sind mit den vorstehend erwähnten Enden (U&sub1;, V&sub1;, W&sub1;) einer Seite der Wicklungen 11 verbunden, um eine serielle Δ-Verbindung hinsichtlich der Stromversorgungsquelle zu bilden. Der erste Kurzschlußschalter S&sub1; ist zwischen dem Anschluß X&sub1; der Wicklungen 11 und dem Anschluß Z&sub2; der Wicklungen 10 angeschlossen, während der zweite Kurzschlußschalter S&sub2; zwischen dem Anschluß Y&sub1; der Wicklungen 11 und dem Anschluß X&sub2; der Wicklungen 10 angeschlossen ist.
• Nachfolgend wird hierin die relevante Betätigung erläutert.
• Zuerst bilden, wenn der Stromquellenschalter S&sub0; geschlossen ist, die Statorwicklungen 11 und die Statorwicklungen 10 eine serielle Δ-Verbindung, die die Phasendifferenz von 60º hinsichtlich der Dreiphasen- Stromquellen A, B, C, wie in Fig.3 dargestellt, erzeugt. Die jeweiligen Statorwicklungen 11, 10 sind derart miteinander verbunden, daß die Phasendifferenz von 60º zwischen der Spannung E&sub1; über der Spule U&sub1;-X&sub1; der Statorwicklungen 11 und der E1' über der Spule U&sub2;-X&sub2; der Statorwicklungen 10 erzeugt wird. Jede der Spannungen E1, E1', die über jeder Spule entsteht, beträgt die Hälfte der Außenleiterspannung der Stromversorgungsspannung.
• Als nächstes ändert sich, wenn der erste Kurzschlußschalter S&sub1; geschlossen wird, so daß der Anschluß X&sub1; der Wicklungen 11 und der Anschluß Z&sub2; der Wicklungen 10 kurzgeschlossen sind, die Verbindung der jeweiligen Statorwicklungen zum Ungleichgewichtszustand, wie in Fig.4 dargestellt. Die Spule V&sub2;-Y&sub2; und die Spule V&sub1;-Y&sub1; sind parallel geschaltet. Die Spannungen, die über den Spulen auftreten, außer bei den Spulen, die zwischen den Leitern C, A der Stromversorgungsquelle angeschlossen sind, steigen, und demgemäß wächst das Drehmoment. Die erhaltene Drehmomentkennlinie wird zu einer mittleren zwischen den Kennlinien, die unter der seriellen Δ-Verbindung und der parallelen Y-verbindung über eine bestimmte Drehzahl erhalten wurden. Das Anwachsen in der Spannung ist in diesem Fall ähnlich dem Anwachsen in der Spannung unter der hierin nachfolgend erläuterten parallelen Y-Verbindung. Fig.4 (b) ist ein Schaltbild vom ersten Schalter S&sub1; als Zentrum gesehen zur Vereinfachung des in Fig.4 (a) dargestellten Schaltbildes.
• Als nächstes wird, wenn der zweite Kurzschlußschalter S&sub2; ebenfalls geschlossen wird, während der erste Schalter S&sub1; in seinem geschlossenen Zustand gehalten wird, die Drahtleiterverbindung der Statorwicklungen zur parallelen Y-Verbindung, die, wie schon vorstehend erläutert, die Phasendifferenz von 0º erzeugt. Die Drahtleiterverbindung unter diesem Zustand ist in Fig.5 dargestellt.
• Die Größe der Spannung E&sub1;, die über der Spule U&sub1;-X&sub1; bei dem obigen Zustand auftritt, ist 2/ 3=1,15 mal größer im Vergleich zu der bei der Verbindung unter der seriellen Δ-Verbindung auftretenden Spannung. Dieser Anstieg in der Spannung liegt innerhalb des Toleranzbereichs und bereitet keine Probleme beim Betrieb des Motors. Es ist eher ein Vorteil, da das Drehmoment durch solch einen Anstieg in der Spannung vergrößert wird.
• Wie durch das Vorstehende erläutert, ist es möglich, drei verschiedene Drehmomentcharakteristiken T&sub1;, T&sub2; und T&sub3; zu erzielen, die jeweils für den Anlaufvorgang, den Übergangsbetrieb und den Dauerbetrieb oder normalen Betrieb geeignet sind durch Umschaltung der beiden Kurzschlußschalter, nämlich des ersten Schalters S&sub1; und des zweiten Schalters S&sub2;. Die Figuren 6 und 7 zeigen typische Kennlinien, die durch den Motor der vorliegenden Erfindung erhalten werden. Die Figuren 6 (a) und 6 (b) zeigen jeweils typische Drehmoment/Drehzahl-Verläufe und Strom/Drehzahl-Verläufe des Motors mit den Widerstandselementen 9... Wenn der Vektordifferenz-Strom beim Anlaufen, wenn die Phasendifferenz groß ist, in den Widerstandselementen 9... fließt, kann der Motor ein vergleichsweise hohes Drehmoment trotz des geringen Stroms liefern. Es ist möglich, die Drehzahl des Motors wirksam zu erhöhen mittels einer Veränderung der Verbindung der Statorwicklungen zum Ungleichgewichtszustand beim Schlupf Sa, der dem Schnittpunkt der Drehmomentkennlinien T&sub1; und T&sub2; entspricht und deren weitergehende Veränderung zur Verbindung der Phasendifferenz von 0º beim Schlupf Sb, der dem Spitzenpunkt der Drehinomentkennlinie T&sub2; beim Ungleichgewichtszustand entspricht. Die Figuren 7 (a) und (b) zeigen jeweils typische Drehmoment/Drehzahl und Strom/Drehzahl-Verläufe des Motors ohne Widerstandselemente 9... Da keine Widerstandselemente 9... vorgesehen sind, wird das Drehmoment, das beim Anlaufen unter der vorbestimmten Phasendifferenz und dem ungleichgewichtszustand erzeugt wird, kleiner im Vergleich zu dem, das in dem Fall erzeugt wird, wenn die Widerstandselemente 9... vorgesehen sind. Es ist überflüssig zu sagen, daß die Drehmomentverläufe entsprechend dem Widerstandswert der leitenden Elemente 6..., dem der Widerstandselemente 9... oder der Anzahl der Widerstandselemente 9... veränderbar sind.
• Bei der Phasendifferenz von 0º, bei der der erste Schalter S&sub1; und der zweite Schalter S&sub2; beide geschlossen sind, sind die Enden (X&sub1;, Y&sub1;, Z&sub1;) der anderen Seite der Statorwicklungen 11 und die Enden (X&sub2;, Y&sub2;, V&sub2;) der einen Seite der Statorwicklungen 10 in ihrem kurzgeschlossenen Zustand, so daß es verständlich ist, daß keine Möglichkeit eines Auftretens irgendeines elektrischen Problems, selbst wenn sie durch irgendwelche anderen Ursachen kurzgeschlossen sind, möglich ist.
• Darüber hinaus ist, da der erste Schalter S&sub1; und der zweite Schalter S&sub2; zur Ausführung der notwendigen Phasenveränderung für das Kurzschließen zwischen den seriellen Verbindungsknoten der Wicklungen der seriellen Δ-Verbindung bestimmt sind, und es keine vorübergehende Umschaltunterbrechung in dem Belastungsströmen gibt, es möglich, die Kontaktkapazität an jedem der Schalter zu minimieren, wodurch das Phasenveränderungssystem mit dem ersten Schalter S&sub1; und dem zweiten Schalter S&sub2; verkleinert wird.
• Aus Fig.2 wird verständlich, daß, wenn das Phasenveränderungssystem mit den Schaltern S1, S2 an der Motorseite installiert ist, lediglich drei Leitungen von der Stromquelle zum Motor ausreichend sind, und, anders als in dem Fall, wie es bei einem normalen, groß bemessenen Motor gesehen werden kann, es möglich ist, einen Motor zu schaffen, der mit einem hohen Antriebsdrehmoment von einem Niedrigdrehzahlbereich bis zu einem Hochdrehzahlbereich arbeitet, ohne die Notwendigkeit, einen komplizierten Verdrahtungsprozeß für ein Y-Δ-Anlaufen des Motors vorzunehmen.
• Darüber hinaus kann der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung folgende Anordnungen aufweisen. D.h., es ist möglich, eine Anordnung vorzusehen, mittels derer ein seqentielles Schalten ausgeführt werden kann und in der die Drahtleitungsverbindungen beim Anlaufen des Motors in einer parallelen Y-Verbindung zur Erzeugung einer vorbestimmten Phasendifferenz vorliegen können, einmal in einer Zwischenphase nach dem Anlaufen des Motors zu einer Verbindung im Ungleichgewichtszustand und schließlich in eine serielle Δ-Verbindung im Dauerbetrieb zur Erzeugung der Phasendifferenz von 0º oder einer vorbestimmten Phasendifferenz, die 60º kleiner ist als die vorbestimmte Phasendifferenz beim Anlaufen, geändert werden können. Fig.8 zeigt den Zustand des Motoranlaufens, bei dem beide Kurzschlußschalter S&sub1;, S&sub2; in ihren Einschaltzustand geschaltet sind, wodurch eine parallele Y-Verbindung ausgebildet wird, und Fig.9 zeigt den Zustand der Drahtleitungsverbindung während des Dauerbetriebs oder normalen Betriebs, bei dem die Kurzschlußschalter S&sub1;, S&sub2; beide geöffnet sind, wodurch eine serielle Δ-Verbindung ausgebildet wird.
• Nun wird die Methode der Steuerung des Phasenveränderungssystems unter Bezugnahme auf die Figuren 10 bis 12 erläutert. In der in Fig.10 gezeigten Konfiguration ist der Induktionsmotor 1 an eine Dreiphasen-Stromquelle 22 mit Schalteinrichtungen angeschlossen. Zudem ist der Induktionsmotor mit dem Phasenveränderungssystem 20 in einer einheitlichen Art versehen. An das Phasenveränderungssystem 20 ist eine Steuervorrichtung 21 angeschlossen, die einen sequentiellen Schaltkreis mit einer Zeitgebereinrichtung 21a aufnimmt. Was die in Fig.11 gezeigte Anordnung betrifft, ist der Induktionsmotor 1 an eine Dreiphasen-Stromquelle 22 angeschlossen, die mit einer Schalteinrichtung ausgerüstet ist. Der Induktionsmotor ist mit dem Phasenveränderungssystem 20 ebenso in einer einheitlichen Art versehen und das Phasenveränderungssystem 20 ist mit einer Steuervorrichtung 21 verbunden, die beispielsweise aus einem Festlogikschaltkreis besteht, verbunden. Ein Signal von einer Drehzahlerfassungseinrichtung 21b zur Erfassung der Drehzahl des Motors wird in die Steuervorrichtung 21 eingegeben. Wie in Fig.12 gezeigt ist, kann die Steuervorrichtung 21 sowohl die Zeitgebereinrichtung 21a als auch die Drehzahlerfassungseinrichtung 21b aufweisen, und in diesem Fall wird die Phasenveränderungseinrichtung 20 durch eine Steuereinrichtung 21c gesteuert.
• Die Betriebsweise der wie vorstehend beschrieben angeordneten Vorrichtung wird nachfolgend erläutert.
• Die steuervorrichtung 21 steuert das Schalten des ersten Kurzschlußschalters S&sub1; und des zweiten Kurzschlußschalters S&sub2; des phasenveränderungssystems 20 basierend auf den Zeitgrenzen, die durch die Zeitgebereinrichtung 21a gesetzt sind, oder den Signalen, die von der Drehzahlerfassungseinrichtung 21b ausgesendet werden.
• Mit der steuervorrichtung 21, die die Zeitgebereinrichtung 21a aufweist, kann, da das normale Y-Δ-Anlaufen in einer Durchschnittszeit von 10 Sekunden geschaltet wird, die Phasendifferenz beim Anlaufen 60º betragen, und das Hochschalten in den Normalbetrieb bei der Phasendifferenz von 0º kann beispielsweise von 60º beim Anlaufen ausgeführt werden, und nachfolgend kann die Zeit zum Umschalten in den Ungleichgewichtszustand auf 4-5 Sekunden nach dem Anlaufen eingestellt werden, und die Zeit zum Umschalten vom Ungleichgewichtszustand in die Phasendifferenz von 0º kann auf 4-5 Sekunden nach dem Erreichen des Ungleichgewichtszustands eingestellt werden, so daß mittels des Phasenveränderungssystems 20 die Phasendifferenzen in drei Stufen sequentiell von 60º zu 0º umgeschaltet werden. Natürlich können die mittels der Zeitgebereinrichtung 21a eingestellten Zeitgrenzen entsprechend den Belastungscharakteristiken der an den Motor angeschlossenen Belastung geändert werden.
• Die Steuervorrichtung 21 mit der Drehzahlerfassungseinrichtung 21b kann eine sein, die ein einfacher logischer Schaltkreis ist, oder eine, in welcher ein Mikroprozessor installiert ist, je nach der hiermit im Zusammenhang stehenden Notwendigkeit. Diese Steuervorrichtung 21 macht sich die zeitgemäße Technologie zu eigen und weist einen Schaltkreis zum Empfang eines Signals von der Drehzahlerfassungseinrichtung 21b und zur Ausführung jeglicher notwendigen Umwandlung solch eines Signals auf, einen Schaltkreis zum Vergleich des umgewandelten Signals mit einem vorbestimmten Referenzwert, einen Schaltkreis zur Speicherung des vorbestimmten Referenzwertes und einen Signalausgangsschaltkreis zur Ausgabe jeglichen notwendigen Steuersignals, das auf dem Vergleich zwischen dem umgewandelten Signal und dem vorbestimmten Referenzwert basiert. Das Steuersignal von dem Signalausgangsschaltkreis veranlaßt das Phasenveränderungssystem 20, die notwendige Phasendifferenz in einer sequentiellen Weise zu erzeugen.
• Die Zeitgrenzen und die vorbestimmten Referenzwerte für die steuervorrichtung 21 werden beispielsweise mittels den Belastungscharakteristiken und den Ausgangssignalen des Motors bestimmt. Jede der Steuervorrichtungen ist eine zum einfachen Steuern des Umschaltens der beiden Kurzschlußschalter, so daß, als steuervorrichtung für den Induktionsmotor mit Dreistufen-Phasendifferenzen, es für sie möglich ist, als einheitliche Elemente im Phasenveränderungssystem mit den Verbindungsänderungsschaltern aufgenommen zu werden.
• Die Gesamtdrehmomentcharakteristiken, die mittels der Steuervorrichtung zur Steuerung des Phasenveränderungssystems, wie vorstehend erläutert, erzielt werden, sind, wie in Fig.13 dargestellt, aus der zu entnehmen ist, daß der Bereich von Drehzahlvariationen und der Betriebsstrom, insbesondere, der Anlaufstrom kleiner gehalten werden kann, im Vergleich zu dem bei der konventionellen Y-Δ-Verbindungsveränderung (siehe Fig.14).
• Darüber hinaus ist es, obwohl die Ausführungsbeispiele der Erfindung, soweit wie erläutert, auf die Dreistufen-Phasendifferenzen gerichtet sind, natürlich möglich, in Abhängigkeit von den Belastungscharakteristiken eine Einrichtung zu verwenden, durch die sämtliche seriellen Verbindungsknoten der Statorwicklungen gleichzeitig mittels den Kurzschlußschaltern kurzgeschlossen werden. Anders als bei dem Y-Δ-Veränderungssystem kann, da keine Unterbrechung des Belastungsstroms beim Schalten gegeben ist, und auch da eine Vielzahl von Statoren vorhanden ist, die Phasenveränderung gleichzeitig ausgeführt werden, und die Drehmomentcharakteristiken können wirkungsvoll von denen beim Anlaufen zu denen beim Dauerbetrieb geändert werden. Die Vorrichtung zur Ausführung dieses Schaltens ist einfach und nicht teuer und kann dieselben oder ähnliche Vorteile erzielen wie bei den anderen, vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen.
• Wie vorstehend erläutert, hat die vorliegende Erfindung es für den Induktionsmotor mit einer Vielzahl von Statoren ermöglicht, daß die Phasendifferenzen in drei Stufen gesetzt sind mittels des einfachen Phasenveränderungssystems und darüber hinaus, daß solche Phasendifferenzen für drei unterschiedliche Zustände bestimmt sind, nämlich für das Anlaufen, für den Übergangsdrehzahlbetrieb und für den normalen oder Dauerbetrieb. Insbesondere ist, mit Ausnahme für die Situation, wo der Motor drehzahlvariabel sein muß, der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet, die Anforderungen zur Verbesserung der Anlaufcharakteristiken für beispielweise eine Belastung mit konstanten Belastungscharakteristiken oder abfallenden Belastungscharakteristiken zu erfüllen, und die Aufgabe zu lösen, die Anlaufzeit zu verringern. Auch ist es ein Vorteil, daß der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung keine kostspielige Vorrichtung, wie einen Wechselrichter, erfordert.
• Die Verdrahtung im Motor ermöglicht es der Phasenveränderungsvorrichtung, einen simplen Aufbau zu haben, wobei die Vorrichtung einheitlich in den Motor eingebaut ist und die Verdrahtung fest ausgeführt ist, so daß lediglich drei Drahtleitungen für die Dreiphasen-Stromquelle vorhanden sein können, und daß, insoweit als kein Fehler bei der Bestätigung der Drehrichtung vorhanden ist, jeder Beliebige die notwendigen Verdrahtungen und Installationen des Motors einfach ausführen kann.

Claims (10)

1. Induktionsmotor (1) mit:

einem einzelnen Rotor (7), der einstückig ausgebildet ist mit einem ersten und einem zweiten Rotorkern (2, 3), die axial auf einer gemeinsamen Achse montiert sind, wobei ein Luftspalt oder ein nicht magnetischer Abschnitt (5) zwischen den zwei Rotorkernen vorgesehen ist und wobei auf den zwei Rotorkernen eine Vielzahl von leitenden Rotorelementen (6) vorgesehen ist, die sich hierdurch erstrecken;

einem ersten und einem zweiten Stator (12, 13), die Seite an Seite angeordnet sind und die jeweiligen Rotorkerne (2, 3) umgebend diesen gegenüberstehen, wobei der erste und der zweite Stator einen ersten und einen zweiten Statorkern (12a, 13a) haben, auf die eine Vielzahl von Wicklungen (10, 11) von mehreren Phasen gewickelt ist, wobei die Vielzahl von Mehrphasenwicklungen des ersten und des zweiten Stators angeschlossen ist unter Ausbildung einer seriellen Δ-Verbindung; und

einer Phasenveränderungseinrichtung (20) mit Kurzschlußschaltern (S&sub1;, S&sub2;), die jeweils zwischen seriellen Verbindungsknoten der jeweiligen Statorwicklungen von unterschiedlichen Phasen des ersten und des zweiten Stators angeordnet sind, und zwar zum Verändern der Phasendifferenz zwischen den magnetischen Rotationsfeldern um den ersten Rotorkern, erzeugt durch den ersten Stator, und den magnetischen Rotationsfeldern um den zweiten Rotorkern, erzeugt durch den zweiten Stator, und zwar durch den Betrieb der Kurzschlußschalter.

2. Induktionsmotor nach Anspruch 1, der Widerstandselemente (9) aufweist, die bei dem Luftspalt oder dem nicht magnetischen Abschnitt (5) angeordnet sind, der zwischen den zwei Rotorkernen (2, 3) angeordnet ist, und wobei die Vielzahl von leitenden Rotorelementen (6) wechselseitig durch die Widerstandselemente kurzgeschlossen ist.

3. Induktionsmotor nach Anspruch 1, wobei die Phasenveränderungseinrichtung (20) zumindest zwei Kurzschlußschalter (S&sub1;, S&sub2;) aufweist und wobei die Statorwicklungen (12a, 13a) des ersten und des zweiten Stators (12, 13) angeschlossen sind unter Ausbildung einer parallelen Y-Verbindung, wobei keine Phasendifferenz vorliegt, wenn die zwei Kurzschlußschalter (S&sub1;, S&sub2;,) geschlossen sind.

4. Induktionsmotor nach Anspruch 3, wobei die Statorwicklungen (12a, 13a) des ersten und des zweiten Stators (12, 13) angeschlossen sind unter Ausbildung einer nicht im Gleichgewicht stehenden Verbindung, wobei eine vorbestimmte Phasendifferenz auftritt, wenn einer der zwei Kurzschlußschalter (S&sub1;, S&sub2;) geschlossen ist.

5. Induktionsmotor nach Anspruch 1, wobei die Phasenveränderungseinrichtung (20) zumindest zwei Kurz schlußschalter (S&sub1;,S&sub2;) aufweist und wobei die Statorwicklungen des ersten und des zweiten Stators angeschlossen sind unter Ausbildung einer parellelen Y- Verbindung, wobei eine vorbestimmte Phasendifferenz erzeugt wird, wenn die zwei Kurzschlußschalter geschlossen sind.

6. Induktionsmotor nach Anspruch 1, welcher weiterhin eine Steuereinrichtung (21) aufweist zum Bewirken des EIN/AUS-Steuerns bzw. -Schaltens der Kurzschlußschalter (S&sub1;, S&sub2;).

7. Induktionsmotor nach Anspruch 6, wobei die Steuereinrichtung (21) eine Zeitgebereinrichtung (21a) hat zum Steuern der Zeitgabe zum Schließen oder Öffnen der Kurzschlußschalter (S&sub1;, S&sub2;).

8. Induktionsmotor nach Anspruch 6, wobei die Steuereinrichtung (21) eine Geschwindigkeitserfassungseinrichtung (21b) hat zum Erfassen der Rotationsgeschwindigkeit des Motors und zum Steuern der Zeitgabe zum Schließen oder Öffnen der Kurzschlußschalter (S&sub1;,S&sub2;)

9. Induktionsmotor nach Anspruch 1, wobei die Phasenveränderungseinrichtung (20) an einem Maschinenrahmen (14) des Motors montiert ist.

10. Induktionsmotor nach Anspruch 6, wobei die Steuereinrichtung (21) als ein unitäres Element in der Phasenveränderungseinrichtung (20) aufgenommen ist.