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Elektrische Maschine (insbesondere Drehfeldmotor) mit verstellbaren
Polen In der ersten Zeit der Entwicklung der Elektrotechnik hat man daran gedacht,
die Drehzahl von Dreh,feldmotoren, z. B. Drohstrommotoren, @durch Verstellung der
von den einzelnen Phasen erregten Pole zu regeln. In Patentschriften sind Motoren
mit tangential verstellbaren Polen dargestellt und beschrieben, allerdings in solcher
Anordnung, daB sie einen vollkommen unwirtschaftlichen Wirkungsgrad haben und wahrscheinlich
auch wegen zu starken Hervortretens der höheren Harmonischen nicht einmal richtig
anlaufen können. Der magnetische RückschluB der Flüsse ist so unvollkommen, daß
sich kaum ein nennenswertes Drehmoment ergeben kann. Auch ein Drehfeldmotor mit
radial verstellbaren Polen ist in der älteren Patentliteratur enthalten, der ebenfalls
nicht wirtschaftlich arbeiten kann. Solche Motoren haben deshalb auch nie eine praktische
Bedeutung erlangt und sind wahrscheinlich auch nie gebaut worden.
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Erst in letzter Zeit wurde dieses Gebiet wieder aufgegriffen, und
es wurden verschiedene Vorschläge für Drehfeldmotoren .mit tangential verstellbaren
Polen gemacht, die infolge ihrer vorteilhaften Konstruktion und Polverteilung wirtschaftlich
arbeiten. Bei diesen Motoren wird ein guter magnetischer R'ückschluß der Flüsse
erreicht, Pole gleicher Phase, aber entgegengesetzter Polarität sind um r8o° der
Polteilung gegeneinander
versetzt, so daß also z. B. bei einer Drehfeldmaschine
mit den Phasen RST die Pole im folgenden Sinne aufeinanderfolgen: + R, - T, + S,
- R, + T, - S. Die störendie Wirkung höherer Harmonischer wird durch
folgende Maßnahme beseitigt oder schon im Keim erstickt: Der Läufer erhält einen
Kurzschlußkäfig so geringen Widerstandes, daß ähnlich wie durch eine Dämpferwicklung
bei einer Synchronmaschine fast alle !höheren Harmonischen unterdrückt werden. Die
Pole oder Polkanten werden in bestimmter Weise ungleichmäßig über den Umfang verteilt.
Die Ankernuten werden geschrägt. Durch solche Mittel ist es möglich, eine lästige
Eigenart von Drehfeldmotoren mit ausgeprägten Polen und konzentrierten Wicklungen,
nämlich das Hängenbleiben bei niederen Drehzahlen während des Hochlaufens, zu verhüten.
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Unter Beachtung dieser neuen Erkenntnisse lassen sich auch Dreffeldmotoren
-mit verstellbaren Polen und wirtschaftlichem Wirkungsgrad hauen, ,die im Gegensatz
zu den üblichen Dre(hstrommotoren durch mechanische Polverstellung in der Drehzahl
regelbar sind.
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Die Erfindung geht von der neuen Erkenntnis aus, daß sich durch kombinierte
tangentiale und radiale Verstellung der Pole neuartige Wirkungen bei drehzahlregelbaren
Drehfeldmotoren mit scheibenförmigem Läufer und axial neben diesem angeordneten
Polen erzielen lassen, und daß sich dabei ein Mangel der Motoren mit nur tangential
verstellbaren Polen, nämlich die Vergrößerung und Verkleinerung der Polzwischenräume
umgehen läßt.
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Erfindungsgemäß sind also die Pole sowohl tangential wie auch radial
derart verstell-bar, daß die Polreihe von Kreisbögen mit größerem Radius und kleinerem
Zentriwinkel auf Kreisbögen mit kleinerem Radius und größerem Zentriwinkel verstellbar
sind und umgekehrt. Insbesondere sind die Getriebe zur tangentialen und radialen
Verstellung miteinander gekuppelt. Tangential kann man die Pole durch Hebelgetriebe,
radial durch Schraubengetriebe verstellen und die beiden. Bewegungsarten dadurch
miteinander kuppeln, daß man vom Schwenkweg der Hebel eine Drehbewegung für die
Spindel eines Schraubengetriebes ableitet, wie dies weiter unten näher erläutert
wird.
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Wie bei den neueren Vorschlägen folgen z. B. bei einem Drehstrommotor
die Pole im Sinne + R, - T, + S, - R, + T, - S aufeinander oder, mit anderen Worten,
Pole gleicher Phase, aber entgegengesetzter Polarität sind jeweils um i8o° der Polteilung
gegeneinander versetzt.
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Der mit Kurzschlußwicklung versehene Anker hat die Form einer Scheibe
oder Doppelscheibe. Im ersteren Fall umgreifen die Pole C-förmig die Scheibe, im
letzteren Fall sind die Pole solenoidförmig zwischen den Scheiben angeordnet. Da
beim Anfahren die Pole in der Nähe des Scheibenrandes eng aneinandergerüxkt sind
und erst bei höheren Drehzahlen mehr nach der Scheibenmitte zu vorgeschoben werden
und die höheren Harmonischen sich in der Hauptsache nur bei niedrigeren ' Drehzahlen
oder beim Anlaufen störend bemerkbar machen, genügt es, die Nuten nur in der Nähe
des Scheibenrandes zu schrägen, nach der Scheibenmitte zu aber mehr radial verlaufen
zu lassen. Unter Umständen kann man die Schrägung allmählich in die Radialrichtung
'übergehen lassen. Dadurch erhalten die Nuten des Läufers etwa die Form von Spiralen.
' Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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In Fig. i und 2 sind sechs Pole des Drehstrommotors, die die oben
angegebene Reihenfolge haben, in zwei verschiedenen Stellungen dargestellt. In Fig.
i befinden sich die Pole i in der Nähe des Randes 2 einer mit Kurzschlußwicklungen
versehenen Läuferscheibe 3. Sie sind längs eines Kreisbogens mit dem Radius A und
dem Zentriwinkel z verteilt. In Fig. 2 sind die Pole weiter nach innen gerückt und
längs eines Kreisbogens mit kleinerem Radius a, aber größerem Zentriwinkel Z verteilt.
Die Polabstände können dabei gleichbleiben oder größer oder kleiner werden, je nach
der Wirkung, die durch diese Verstellung erzielt werden soll. So läßt sich z. B.
die Polverstellung derartig abgleichen, daß der Motor ein mit zunehmender Drehzahl
ansteigendes Drehmoment hat, so daß also beispielsweise die Leistung quadratisch
mit der Drehzahl wächst. Solche Motoren eignen sich besonders fü!r den Antrieb von
Arbeitsmaschinen, bei denen der Leistungsbedarf quadratisch mit der Drehzahl ansteigt,
also z. B. für Gebläse, Pumpen od. dgl.
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Die Pole i können aus .Solenoiden io (vgl. Fig. 3) bestehen, die zwischen
den beiden Scheiben 30, 31 eines Läufers angeordnet sind. Durch 4 sind die Feldwicklungen
angedeutet. Ein solcher Motor ist magnetisch besonders günstig, weil sein Kraftlinienweg
sehr kurz ist, infolgedessen auch die Eisenverluste verhältnismäßig klein ausfallen.
Statt dessen können die Pole i i (Fig. 4) auch C-Form haben und den aus einer einzigen
Scheibe 3 bestehenden Läufer umgreifen.
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In Fig. 5 ist beispielsweise ein Verstellgetriebe für die Pole i dargestellt.
Hier sind die Pole i mittels Spindeln 5 an Speichenkörpern 6, die konzentrisch zur
Maschinenachse schwenkbar gelagert sind, gehaltert. Auf den Spindeln sitzen Kettenräder
7, die mittels einer Kette 8 von einem mit einem Kegelrad 9 verbundenen Kettenrad
12 angetrieben werden können. Das Kegelrad 9 kämmt mit einem an dem Speichenkörper
6 gelagerten größeren Kegelrad 13, an dem ein Glied 14 eines Kniegelenks 14 bis
16 befestigt ist. Das andere Glied 16 des Kniegelenks ist bei 17 drehbar auf der
Welle des benachbarten Kegelrades i 8 gelagert. An dem Kniegelenk 15 ist eine Stange
i9 abgelenkt, die zu einem konzentrisch zur Maschinenachse gelagerten Zaihnrad 20
führt. Dort brat die Stange i9 die Form einer Schleife 21, die auf der einen Seite
22 mit einer mit dem Zahnrad 2o kämmenden Verzahnung versehen ist. (Entsprechendes
gilt für die anderen Pole. Einer der mittleren Speichenkörper 6 oder eine der mittleren
Stangen i9 ist durch eine Führung
oder in anderer Weise gegen Bewegung
in tangentialer Richtung gesichert, um eine Drehung der Polkranzreihe zu verhüten.
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Das Getriebe arbeitet folgendermaßen: Wird das Zahnrad 20 gedreht,
dann verschieben sich die Stangen i9 radial. Dadurch werden die Kniegelenke 14 bis
16 mehr oder weniger stark gebeugt. Gleichzeitig werden die Räder 13, 9, 12, 7 und
mit ihnen die Spindeln 5 gedreht und dadurch die Pole radial verschoben. Durch Beugung
und Streckung der Kniegelenke werden außerdem auch die Speichenkörper 6 und damit
die Pole i verschwenkt. Die Pole können deshalb Bewegungen ausführen, wie sie durch
die Fig. i und 2 in zwei Stellungen angedeutet sind. Je nach Abgleichung der Spindelsteigungen
der Zahnradübersetzungen usw. lassen sich nun die Pole nach den verschiedenen Gesetzen
kombiniert tangential und radial verschieben. Man kann dadurch verschiedene Drehzahlcharakteristiken
und Drehmoments-drehzahlcharakteristiken einstellen. Da sich bei Drehung des Zahnrades
20 die Stangen nicht nur radial verschieben, sondern sich auch verschwenken, ergibt
sich eine zusätzliche radiale Verschiebung durch Abwälzen der Verzahnung 22 auf
dem Zahnrad 2o, die entweder erwünscht oder unerwünscht sein kann. Man kann diese
zusätzliche Verschiebung dadurch ausgleichen, daß man den einzelnen Stangen i9 Zahnräder
verschiedenen Durchmessers gibt. So kann man z. B. die Durchmesser der Zahnräder
für die mittleren Stangen größer machen als die der Zahnräder für die weiter außen
liegenden Stangen, derart, daß sich für alle Stangen eine gleiche zusätzliche Radialverschiebung
durch Abwälzen ergibt. Statt dessen könnte man auch die Zahnräder der einzelnen
Stangen mit verschiedenen Geschwindigkeiten antreiben.
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NattUirlich können derartig kombinierte Polbewegungen auch noch durch
zahlreiche andere Getriebe, z. B. Kulissengetriebe, herbeigeführt werden.
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In Fig.6 und 7 sind zwei Läuferkäfigformen beispielsweise dargestellt.
Aus den eingangs geschilderten Gründen werden die Läufernuten am Scheibenumfang
stärker geschrägt als an der Scheibenmitte. So sind z. B. bei Fig. 6 zwischen den
Kurzschlußringen 32, 33 die Nuten 34 mehr geschrägt als zwischen den Kurzschlußringen
32, 35. In Fig. 7 ist die Änderung der Schrägung stetig. Die zwischen den Kurzschlußringen
36, 37 liegenden Läufernuten 38 verlaufen hier etwa spiralig.