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Drehstrommotor mit axial verschiebbarem Läufer Kurzschlußmotoren zeichnen
sich einerseits durch ihre große bauliche Einfachheit, andererseits aber auch durch
hohe Anlaufströme und die praktische Unmöglichkeit der Drehzahlregulierung aus.
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Die Erfindung behandelt einen Motor, der trotz der Verwendung eines
Kurzschlußläufers beachtlich günstige Anlaufverhältnisse aufweist, dessen Anlauf
willkürlich regelbar ist und der auch in gewissen Grenzen drehzahlregelbar ausgeführt
werden kann. Die Erfindung geht dabei von den an sich bekannten Motoren mit verschiebbarem
Läufer aus. Sie ist auch mit der für solche Motoren bekannten Brems- oder Kupplungssteuerung
zu verbinden.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß den in Gruppen angeordneten
Ständerblechen zwei Gruppen von Läuferblechen gegenübergestellt werden, von denen
die eine Gruppe keine oder eine weifgehend unwirksam gemachte Läuferwicklung und
die andere eine der üblichen Läuferwicklungen (Stabwicklung) trägt. Was unter teilweiser
Unwirksamkeit der Läuferwicklung zu verstehen ist, geht aus der nachfolgenden Erläuterung
hervor.
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Zunächst ist die Erfindung in den Abb. i und 2 im Schema angegeben.
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Die beiden Pakefgruppen des Läufers seien mit A und B bezeichnet.
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Die Nuten der Gruppe A haben keinen Nutenschlitz und sind so tief
im Läufereisen angeordnet, daß zwischen Nuten und Läuferoberfläche ein Eisenrücken
verbleibt, der so stark ist, daß sich der den .Läufer
durchdringende
Hauptfluß fast vollständig ohne Umschlingung der Läufernuten schließt.
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Die Nuten der Gruppe B sind normale bzw. Tief-oder Doppelnuten.
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Die Nutenzahl beider Gruppen ist gleich und, da die Nuten in denselben
radialen Ebenen liegen, überdecken sie sich teilweise an den Stoßstellen der Gruppen.
Wird nun der Läufer mit einer Preßgußwicklung versehen, so bilden sich Läuferstäbe
aus, die das Läuferpaket auf seiner gesamten Länge durchlaufen, wobei sie abwechselnd
die A- und B-Anordnung einnehmen.
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In Abb. i steht die Läufergruppe.A der Ständerpaketgruppe gegenüber,
diese Stellung heiße Endstellung A. In Abb. 2 steht die Läufergruppe
B der Ständerpaketgruppe gegenüber, diese Stellung heiße Endstellung B.
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Befindet sich der Läufer in Endstellung A, so ist die Verkettung zwischen
Hauptfluß und Läuferwicklung sehr gering. Der Ständer führt etwa den Magnetisierungsstrom;
der Durchmesser des zugehörigen Diagrammkreises, Drehmomente und Läuferströme sind
sehr klein.
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Befindet sich der Läufer in Endstellung B, so verhält sich der Motor
wie ein normaler Kurzschlußläufer mit einem der Motorgröße entsprechenden Diagrammkreisdurchmesser.
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Befindet sich der Läufer zwischen beiden Endstellungen, so hat der
Motor die Eigenschaften eines Streuläufermotors, und zwar ist die Streuläufercharakteristik
um so stärker ausgeprägt, der Diagrammkreis also um so kleiner, je näher der Läufer
der Endstellung A, dagegen um so schwächer, der Diagrammkreis also um so größer,
je näher der Läufer der Endstellung B steht.
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Verschiebt man daher den Läufer von der Endstellung A in die
Endstellung B, so wächst der Diagrammkreisdurchmesser kontinuierlich von
einem sehr kleinen Wert bis zur Größe der Endlage B.
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In Abb.,3 sind drei Kreisdiagramme ineinandergezeichnet, und zwar
der A-Kreis mit Bezeichnung und Fußnoten A ; der B-Kreis ist entsprechend
mit B
und ein Kreis für eine Zwischenlage des Läufers mit M gekennzeichnet.
Zur Vereinfachung ist der Ständerwiderstand gleich Null gesetzt. Charakteristisch
für den Kurzschlußregelmotor ist der für alle Diagrammkreise gleichbleibende Magnetisierungsstrom.
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Nimmt man in der ersten Annäherung an, daß die Änderung des Diagrammkreisdurchmessers
der Läuferstellung zwischen den Endlagen proportional ist, so ergeben sich die Regelkurven
M = f (Läuferstellung) mit dem Schlupf als Parameter (Abb. 4).
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Zunächst seien Anzugsstrom und -moment des Kurzschlußregelmotors in
Gegenüberstellung zu den gleichen Werten des Schleifring- und des Kurzschlußmotors
untersucht. Zur Festlegung vergleichbarer Werte seien Motoren mit dem 2,5fachen
Kippmoment und einem lastseitig erforderlichen i,6fachen Anzugsmoment angenommen.
Vereinfachend sei für den Schleifringmotor der B-Kreis der Abb. 3 gewählt.
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In Diagramm Abb. 5 ist 1,"w der Anlaufstrom des Schleifringläufers,
I;R-xz der Anzugsstrom des auf das benötigte Anzugsmoment eingestellten Regelkurzschlußmotors
und I,,K der Anlaufstrom des normalen Kurzschlußmotors. Die aus dem Diagramm abgemessenen
Werte sind nachstehend dargestellt, der Wert für den mitaufgeführten Doppelnutläufer
ist ein Erfahrungswert, wie er mit Spitzenfabrikaten erreicht wird; die gestellten
Bedingungen werden aber vom Doppelnutläufer nicht vollkommen erfüllt, weil das 2,5fache
Kippmoment nicht erreicht, dagegen das nur i,6fach erforderliche Anzugsmoment überschritten
wird.
Im vorliegenden Beispiel liegt der Anlaufstrom des Regelkurzschlußmotors noch um
i5"/" günstiger als der eines .für die gestellten Bedingungen besonders ausgelegten
Doppelnutmotors.
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Der Kurzschlußregelmotor ist im Gegensatz zum normalen Kurzschluß-
und Doppelnutmotor, dessen Anzugsmoment unveränderlich bei hohem Anzugsstrom festliegt,
ähnlich wie der Schleifringmotor für das lastseitig geforderte Anzugsmoment bei
günstigem Anzugsstrom durch die Wahl der Anfangslage des Läufers einstellbar.
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Nachdem das Verhalten im Anzugsaugenblick geklärt ist, soll das Verhalten
während des Hochlaufs durch Betrachtung des Anlaufregulierbetriebes untersucht werden.
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Die Forderungen des Anlaufregulierbetriebes werden, vom Gleichstrommotor
abgesehen, nur vom Schleifringsmotor in idealer Weise erfüllt: Der Anlaufstrom ist
auf den geringstmöglichen Wert einstellbar, der Anlauf kann bei allen Belastungen
so geregelt werden, daß er sanft vor sich geht, und schließlich wird ein erheblicher
Teil der Läuferanlaufwärme außerhalb des Motors vernichtet. Der Kurzschlußmotor,
auch in seiner Form als Doppelläufer, verhält sich bedeutend ungünstiger. Der Anläufstrom
ist durch das höchste zu erwartende Anzugsmoment bestimmt, dabei aber noch wesentlich
höher als er beim Schleifringmotor für das gleiche Anzugsmoment ausfallen würde;
Sanftanlauf ist nur bedingt, nämlich bei etwa gleichbleibender Belastung, zu erreichen;
die gesamte Läuferanlaufwärme bleibt im Motor; die Ständeranlaufwärme ist erheblich
höher als beim Schleifringmotor. Für die Gegenüberstellung mit dem Kurzschlußregelmotor
werden wieder die bereits festgelegten Bedingungen gewählt. Bei einem konstanten
i,6fachen Anzugsmoment ergeben sich für den Schleifringmotor die Kennlinien nach
Abb. 6, für den Kurzschlußregelmotor diejenigen nach Abb. 7, für den Doppelnutmotor
nach Abb. 8 und den KurzschluB-motor nach Abb. g. Aus den Abbildungen ist die große
Ähnlichkeit der Anlaufcharakteristiken des Schleifring- und des Kurzschlußregelmotors
klar zu erkennen.
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Um einen Anlauf, beispielsweise wieder unter den im vorstehenden zugrunde
gelegten Bedingungen, auszuführen, muß der Läufer des Kurzschlußregelmotors aus
einer vom Anzugsmoment bestimmten Anfangsstellung
mit einer durch
das abverlangte Drehmoment gegebenen Verschiebegeschwindigkeit in die Endlage B
geführt werden.
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In ihrer einfachsten Form könnte diese Läuferverschiebung durch einen
an der Welle angreifenden Handhebel geschehen, der in gleicher Weise wie ein Anlasserhebel
gehandhabt wird. Für die in den meisten Fällen erforderliche Fernsteuerung reicht
diese Einrichtung nicht aus, der Läufer muß dann durch eine elektrisch erzeugte
Kraft verschoben werden, weiterhin ist eine Einrichtung erforderlich, die den Läufer
in der jeweiligen Stellung festhält. Als besonders geeignet erscheint die Benutzung
der magnetischen Axialkraft des kegeligen Verschiebeläufers, die, wenn der Kurzschlußregelmotor
als Motor mit Eigenbremsung gebaut wird, nebenher auch noch für die Verschiebung
zur Drehmomenteinregelung verfügbar ist.
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Bei dem Kurzschlußregelmotor mit kegeligem Läufer ist die Läuferwicklung
so angeordnet, daß sich der Läufer bei ausgeschaltetem Motor und eingefallener Bremse
etwa in der Endstellung A befindet. Beim Einschalten tritt sofort der magnetische
Axialschub auf, und zwar, weil die Ströme niedrig sind, mit hohem Anfangswert. Einsattelungen
des magnetischen Axialschubes während der Läuferverschiebung treten nicht auf, weil
den Stirnflächen der Ständerteilpakete keine Stirnflächen im Läufer zugeordnet sind.
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In den meisten Fällen wird es genügen, wenn der Läufer nach dem Einschalten
und Freikommen aus der Bremse gegen einen axialen Reibungswiderstand arbeitet, der
bei dem wählbar eingestellten Hochlauf- , moment einsetzt und den Läufer auf seinem
axialen Verschiebeweg derart verzögert, daß bei dem schwersten zu erwartenden Anlauf
gerade das über den gesamten Anlaufvorgang etwa konstante Hochlaufmoment auftritt.
Dieses Verzögerungsglied ist zweckmäßigerweise ein einseitig wirkender Oldämpfer,
der, da lange Verschiebewege zu durchlaufen sind, keine konstruktiven Schwierigkeiten
bereiten dürfte. Die Einstellung des Dämpfers wird einmalig mittels der Einstellschraube
für den Verzögerungsbeginn und der Durchlaßregelschraube zur Einstellung der Verzögerungszeit
vorgenommen. Die wesentlichen Teile eines in dieser Art ausgeführten Motors sind
in Abb. io skizziert.
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Die axiale Einstellung der Motorwelle wird über den Kniehebel i durch
den Dämpferkolben 2 bewirkt. Die Einstellschraube 3 für den Verzögerungsbeginn ist
als Schraubstift ausgebildet, der durch den Dämpferkolben hindurchgeführt ist. Solange
der Dämpferkolben den oberen Teil des Schraubstiftes umschließt, kann
01 durch Einfräsungen des Schraubstiftes aus dem Zylinderraum heraustreten,
so daß die Dämpferwirkung aufgehoben ist und der magnetische Axialschub den Läufer
verstellen kann. Sobald die untere Kolbenkante die Einfräsungen überfährt, ist der
Ölaustritt durch den Schraubstif t gesperrt. Jetzt beginnt die Verzögerung, da das
01 nur noch durch den wählbaren Durchlaßquerschnitt der Regelschraube 4 aus
dem Zylinderraum austreten kann. 5 ist ein Rückschlagventil, das bei Ausschaltung
des Motors während des Rückganges des Läufers in die Bremse die Verzögerung aufhebt
oder vermindert. Bei Asynchronmotoren ist ein stationärer Betrieb mit beliebig einregelbarer
Drehzahl nur sehr unvollkommen zu erreichen. Verwendet man einen Schleifringläufermotor
mit Läufervorschaltwiderständen, so lassen sich untersynchrone Drehzahlen einstellen,
jedoch ist der Wirkungsgrad schlecht und die Drehzahl so stark drehmomentabhängig,
daß diese Art der Drehzahlregelung nur bei Antrieben mit konstantem, lastseitigem
Moment, insbesondere also bei Hubwerksantrieben brauchbar ist.
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Auch der Kurzschlußläufermotor ist unter Voraussetzung eines konstanten
lastseitigen Momentes mittels Ständervorschaltwiderstandes drehzahlregelbar. Von
dieser Regelart wird kaum Gebrauch gemacht, weil sie bei etwa gleichem Aufwand wie
bei dem geregelten Schleifringläufermotor mit den Nachteilen des hohen Anlaufstromes
während des Anlaufs unter hohem Moment, und des Durchgehens unter Last, wenn mit
kleiner Drehzahl gesenkt werden soll, behaftet ist.
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Eine Drehzahlregelung, die derjenigen mittels Schleifringläufers entspricht,
ist auch durch den Kurzschlußregelmotor zu erreichen, wenn am Dämpfer an Stelle
der Regelschraube ein beispielsweise elektromagnetisch betätigtes Steuerventil,
in Abb. ii mit Nr. 6 bezeichnet, verwendet wird. Zweckmäßigerweise wird ein Betätigungsschalter
verwendet, der in der ersten Stellung den Motor ein- und in der zweiten die Zugspule
des Steuerventils hinzuschaltet.
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Zum Vergleich der Ströme bei einem durch Läufervorschaltwiderstand
geregelten Schleifringläufermotor und einem durch Läufereinstellung geregelten Kurzschlußregelmotor
wird ein Betrieb mit Nennmoment und einer auf die Hälfte der synchronen heruntergeregelten
Drehzahl angenommen. Benutzt wird wieder das Diagramm Abb. 3.
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Beim Schleifringläufermotor tritt der Strom IB und der Leistungsfaktor
o,81 auf, beim zylindrischen Kurzschlußregelmotor der Strom IM und der Leistungsfaktor
o,7i. Im ist etwa 15% größer als IB_ Beim Kurzschlußregelmotor mit kegeligem Läufer
ergeben sich etwas ungünstigere Werte, weil der Läufer noch nicht voll eingezogen
und der Luftspalt daher etwas größer als beim zylindrischen Motor ist. Überschläglich
läßt sich aussagen, daß bei kleinen Schlüpfungen die Ströme beider Motorenbauarten
gleich sind und bei größeren Schlüpfungen der Strom des Kurzschlußregelmotors in
erträglichen Grenzen größer als der des Schleifringläufermotors ist. Der wesentliche
Unterschied besteht darin, daß die Läuferverlustwärme, die bei großen Schlüpfungen
entsprechend erheblich ist; beim Schleifringläufermotor zum überwiegenden Anteil
außerhalb, bei Kurzschlußregelmotor innerhalb des Motors erzeugt wird.
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Um also den Kurzschlußregelmotor bei hohen Schlüpfungen dem Schleifringläufermotor
auch erwärmungsmäßig anzugleichen, ist für gute Durchlüftung des Läufers zu sorgen.
Hierzu können die Zwischenräume zwischen den Ständerpaketen herangezogen werden,
indem durch diese ein die freiliegenden Teile der Läuferoberfläche bespulender Luftstrom
getrieben wird.
Schließlich ist noch auf die drehmomentunabhängige
Einregelung auf eine wählbare untersynchrone Drehzahl einzugehen.
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Bekannt ist die Einregelung erheblich untersynchroner Drehzahlen (Feingang
bei Aufzügen) bei Kurzschlußläufermotoren durch die Tippschaltung. Soll beispielsweise
der Motor mit seinem Nennmoment und einem Drittel seiner synchronen Drehzahl betrieben
werden, so kommt im Diagramm Abb. 3 sein Arbeitspunkt I für s = o,67 zwischen den
Kurzschlußpunkt 1 und den Kippunkt I zu liegen. Hierbei AB KB
ist der
Strom etwa das 3,6fache des Nennstromes und das Drehmoment etwa das 2,4fache des
Nenndrehmomentes. Unter dem überschießenden i,4fachen Moment strebt der Motor nach
dem Einschalten über die gewünschte Drehzahl hinaus, wird aber, sobald er eine durch
ein Regelgerät festgelegte obere Drehzahl erreicht hat, abgeschaltet. In der anschließenden
stromlosen Pause sinkt die Motordrehzahl bis auf eine ebenfalls durch das Regelgerät
festgelegte untere Grenzdrehzahl ab, worauf das Regelgerät wieder einschaltet und
das Schaltspiel von neuem einsetzt.
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Der Motor arbeitet also im Beschleunigungsbetrieb mit sehr schlechtem
Wirkungsgrad und großem, kräftige Schaltelemente erfordernden Strom. Wegen der hohen
Stromwärme kann der Motor nur kurzzeitig eingeschaltet bleiben. Die Drehzahlkurve
pendelt sägezahnförmig um ihren Einstellwert Abb. 12.
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Eine drehmomentunabhängige Einregelung auf eine wählbare untersynchrone
Drehzahl ist auch beim Kurzschlußregelmotor zu erreichen.
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Es ist zwischen der Regelung des Motors mit zylindrischem, und der
des Motors mit kegeligem Läufer zu unterscheiden.
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Der Regelteil des Kurzschlußregelmotors mit zylindrischem Läufer erfordert
einen erheblichen Aufwand, so daß die praktische Anwendung trotz des guten elektrischen
Verhaltens in `Frage gestellt ist.
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Der Vollständigkeit halber sei eine solche Regelanordnung beschrieben
Der Kurzschlußregelmotor i in Abb. 13 ist mit einem Wechselstromdrehzahlgenerator
2 gekuppelt. Der Generator liefert über einen Gleichrichtersatz die Generatorspannung
U8 in linearer Drehzahlabhängigkeit. Der Regeltrafo 3 liefert ebenfalls über
einen Gleichrichtersatz die auf konstante Werte einstellbare Regelspannung UR,.
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U, und UR, können nur entgegengesetzte Erregerströme durch die zugehörigen
Feldspulen des polarisierten Relais 4, das je nach Richtung der Erregerdifferenz
(siehe Kurve in Abb. 13) eine der beiden Zugspulen des Wendeschützes 5 einschaltet,
treiben. Durch das Wendeschütz wird der den Läufer verstellende Steuermotor 6 geschaltet.
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Läuft der Kurzschlußregelmotor mit der eingestellten Drehzahl, so
ist U8 = UR" und die Erregungsdifferenz im polarisierten Relais ist Null.
Das Relais befindet sich in Mittelstellung, der Steuermotor ist stromlos.
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Beschleunigt sich der Kurzschlußregehnotor, so überwiegt die von U8
gelieferte Erregung, und das Relais schaltet über das Wendeschütz den Steuermotor
im Sinne der Diagrammkreisverkleinerung und Drehzahlsenkung des Kurzschlußregelmotors
so lange ein, bis Erregungsgleichgewicht im Relais eintritt.
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Verzögert sich der Kurzschlußregelmotor, so überwiegt die von UR"
gelieferte Erregung, und das Relais schaltet über das Wendeschütz den Steuermotor
im Sinne der Diagrammkreisvergrößerung und Drehzahlsteigerung so lange ein, bis
wieder Erregungsgleichgewicht eintritt.
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Die Motordrehzahl spielt also um die durch den Schnittpunkt beider
Spannungslinien in der Kurvendarstellung in Abb. 13 bestimmte Solldrehzahl.
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Der Regelteil des Kurzschlußregelmotors mit kegeligem Läufer ist wesentlich
einfacher, sein elektrisches Verhalten nicht so gut wie das des Kurzschlußregelmotors
mit zylindrischem Läufer.
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In Abb. 14 ist eine derartige Anordnung skizziert. i ist wieder der
Kurzschlußregelmotor, der mit dem @Drehlzahlgenerator 2 gekuppelt ist, 3 der Regeltrafo,
4 das polarisierte Relais, 5 das ohnehin vorhandene Wendeschütz des Kurzschlußregelmotors
und 6 der Öldämpfer mit dem elektromagnetisch betätigten Steuerventil. An Motor
angebaut sind nur Dämpfer und Drehzahlgenerator.
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Der Regelvorgang vollzieht sich wie folgt: Läuft der Motor gerade
mit der durch den Regeltrafo eingestellten Drehzahl, so ist die Erregungsdifferenz
im Relais gleich Null. Das Regelventil ist geschlossen, der magnetische Axialschub
ist vom Dämpfer abgefangen und der Läufer dadurch in seiner axialen Stellung fixiert.
Der Unterbrechungskontakt im Relais für den Schützspulenstromkreis ist geschlossen.
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Läuft der Motor über die eingestellte Drehzahl hinweg, so unterbricht
das Relais den Spulenstromkreis des Wendeschützes. Das Schütz schaltet den Motor
aus, und der Motorläufer bewegt sich unter dem Druck der Bremsfeder axial im Sinne
der Diagrammkreisverkleinerung. Die Drehzahl fällt ab, weil der ausgeschaltete Motor
ausläuft. Mit dem Absinken der Drehzahl wird die Erregungsdifferenz im Relais Null,
der Spulenstromkreis des Wendeschützes schließt sich wieder und der Motor wird eingeschaltet.
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Sinkt die Motordrehzahl unter die eingestellte, so schließt das Relais
den Stromkreis des Steuerventils. Da das Ventil sich geöffnet hat, bewegt sich der
Läufer unter dem magnetischen Axialschub im Sinne der Diagrammkreisvergrößerung,
wodurch die Drehzahl ansteigt bis Erregungsgleichgewicht im Relais eintritt und
seine Kontakte in die Ausgangsstellung zurückgehen. Das Steuerventil schließt sich
und der Läufer ist wieder, jedoch bei einem größeren Diagrammkreis, festgestellt.
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Drehzahl und Stromkurven verlaufen ähnlich wie die des normalen Kurzschlußmotors
mit Tippschaltung, jedoch mit dem Unterschied, daß der Strom, bezogen auf den gleichen
Belastungsfall, nur unwesentlich größer als der Nennstrom ist (IKZ-Reg-M
in Abb. i2).
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Gegenüber der Einschaltdauer bei Betrieb mit voller Drehzahl sinkt
die Einschaltdauer nur wenig, die Wendeschützkontakte schalten nur den Nennstrom,
und zwar viel selteAer als bei der Tippschaltung mit normalem Kurzschlußmotor, weil
bei dieser ständig aus- und eingeschaltet werden muß, hingegen beim
Kurzschlußregelmotör
nur Korrektuisch'altungen vorzunehmen sind, sobald die Drehzahl zufolge Drehmomentänderung
ihre Grenzwerte erreicht.
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Mehrere Kurzschlußregelmotoren lassen sich auch im Gleichlauf betreiben,
wenn ihre Regelgeräte über einen gemeinsamen Regeltrafo bedient werden.
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Erwähnt sei noch eineAbwandlung der eingangs beschriebenen A-Paketgruppg,
bei der am Umfang dünne Kurzschlußstäbe angeordnet sind, die leitend mit@den Stäben
der B-Paketgruppe verbunden sind (Abb. 15). In der Endstellung A hat dieser Motor
ausgeprägtes Doppelnutverhalten, also hohes Anzugsmoment bei erheblich gesenktem
Anlaufstrom. In der Endstellung B ist der Läufer wieder ein normaler Kurzschlußläufer.
Diese Anordnung ist möglicherweise für reinen Anlaufbetrieb besser geeignet als
die eingangs beschriebene.
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Das elektrische Material in den Paketen der GruppeA kann unter Verzicht
auf Drehmomentbildung als lediglich leitende Verbindung, z. B. als Kurzschlußringe
der Wicklung der Gruppe B, benutzt werden. In der Endstellung B ist dann der Wirk-
und der induktive Läuferwiderstand auf ein Kleinstmaß gebracht.
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Damit in der Endstellung A dem magnetischen Fluß ein Eisenweg geboten
wird und magnetische Axialkräfte zufolge Stirnflächenwirkung verhindert werden,
ist es zweckmäßig, zwischen den leitenden Verbindungen oder Kurzschlußringen und
der Läuferoberfläche einen eisenerfüllten Raum anzuordnen. Durch diesen Raum schließt
sich ein Teil des Hauptflusses ohne den Läufer zu induzieren, der andere Teil tritt
in die Läuferzähne der Paketgruppe B über und schließt sich über den Läuferrücken,
wobei es zu einer geringen erreichbaren Drehmomentbildung kommt, die sich entsprechend
der Verschiebung des Läufers erhöht und in der Endlage B ihren Maximalwert erreicht.