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Mechanisch regelbare Drehfeldmaschine Die Drehstromasynchronmotören
haben eine mehr oder weniger starr durch die Frequenz, die Polzahl und den Schlupf
festgelegte Drehzahl. Durch die bekannte Polumschaltung sind sie nur in groben Stufen
regelbar. Die Drehzahlregelung durch Frequenzänderung ist meist zu umständlich,
da beispielsweise beim Anschluß an ein Netz immer nur eine starre Frequenz zur Verfügung
steht und zur Erzeugung einer veränderlichen Frequenz ein besonderer Frequenzwandler
erforderlich wäre. Für die stetige oder feinstufige Regelung bleibt also praktisch
nur die Änderung des Schlupfes, beispielsweise durch Regelung des Läuferwiderstandes.
Man braucht aber dann einen Schleifringläufer. Bei größerem Schlupf ergeben sich
außerdem verhältnismäßig große Verluste, so daß ein Dauerbetrieb mit großem Schlupf
sehr unwirtschaftlich ist. Vor vielen Jahren wurde einmal vorgeschlagen, einen Drehstromasynchronmotor
mechanisch durch Änderung der Polabstände zu regeln. Dabei wurden längs einer größeren
massiven Scheibe drei an verschiedene Phasen angeschlossene Solenoide mit kurzen
Eisenkernen tangential durch Schraubengetriebe gegen den Scheibenumfang verstellt.
Durch eine solche Anordnung kann man wohl eine Drehung der Scheibe herbeiführen,
aber durchaus nicht in dem Sinne, daß die Drehzahl mit zunehmendem Polabstand wächst,
sondern es stellt sich bei einem bestimmten Polabstand ein Maximum des Drehmomentes
ein und deshalb bei gegebener Belastung eine maximale Drehzahl. Bei Verkleinerung
oder Vergrößerung der Polabstände nimmt die Drehzahl wieder ab. Mit solchen Anordnungen
kann man auch keine nennenswerten mechanischen Leistungen aufbringen, weil der
Motor
einen sehr schlechten Wirkungsgrad hat, und deshalb haben solche Motoren auch keine
praktische Bedeutung erlangt.
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Auch die Erfindung macht von einer mechanischen Regelung durch Polabstandsänderung
Gebrauch, geht aber auf einen Motor mit wirtschaftlichem Wirkungsgrad aus. .Insbesondere
soll der Wirkungsgrad bei Zwischendrehzahlen besser sein als bei den üblichen Motoren,
bei denen diese Drehzahlen nur durch wesentliche Erhöhung des Schlupfes zustande
kommen.
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Erfindungsgemäß hat der Motor eine Vielzahl von .Ständerpolen mit
konzentrierten Wicklungen, und die Flüsse der Pole haben, von den notwendigen Luftspalten
abgesehen, vollkommenen Eisenrückschluß. So kann man z. B. bei zylindrischem oder
scheibenförmigem Läufer den Ständer aus hufeisenförmigen, bewickelten Magneten zusammensetzen,
so daß sich die Flüsse durch diese Magnete und den Läufer schließen. Wesentlich
ist dabei, daß der Läufer eine Käfigwicklung hat, vorzugsweise mit so geringem Widerstand,
daß die höheren Harmonischen, die sich besonders bei zu großen Polabständen ergeben,
genügend stark gedämpft werden.
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Damit sich beim tangentialen Auseinanderziehen der Pole nicht ungünstig
große Polabstände ergeben, empfiehlt es sich, für jede Phase des Ständers den Pol
in zwei oder mehrere Teilpole .mit konzentrierten Wicklungen zu zerlegen und diese
Teilpole bei der Vergrößerung des Polabstandes entsprechend auseinanderzuziehen.
Man erhält dadurch bei Polabstandsvergrößerung gleichzeitig eine Verbreiterung der
Pole der einzelnen Phasen und kann dadurch das Auftreten höherer Harmonischer weitgehend
unterdrücken oder die Ordnungszahl der Harmonischen gegenüber einteiligen Polen
in einem für die Drehmomentsbildung günstigeren Sinne ändern.
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Störende Harmonischen können auch dadurch verringert werden, daß man
Polanordnungen verwendet, die ein Drehfeld ähnlich der sonst üblichen verteilten
Wicklung hervorrufen. Zu diesem Zweck werden die Teilpole der einzelnen Phasen entsprechend
durchmischt, oder sie erhalten je zwei konzentrierte, an verschiedene Phasen angeschlossene
Wicklungen, bei solcher Schaltung, daß sich für jede Phase im ganzen die Spannungen
der Teilspulen geometrisch zur Phasenspannung zusammensetzen können.
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Um den Regelbereich für die Drehzahl zu vergrößern, können die Pole
oder Teilpole polumschaltbar sein. Durch die Polumschaltung erhält man eine grobstufige
Drehzahlregelung, durch die Polabstandsänderung eine Feinregelung innerhalb -der
Grobstufen. Man kann also auf diese Weise große Drehzahlbereiche feinstufig durchregeln.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Fig. z zeigt einen Motor mit einem aus zwei Scheiben 1,:2 bestehenden
Läufer und dazwischen angeordneten, auf Eisenkernen 3 sitzenden Solenoiden 4 mit
konzentrierten Wicklungen. Die Scheiben r, 2 haben Käfigwicklungen und sitzen auf
einer gemeinsamen Welle 5. In Fig.2 ist der Motor in der Abwicklung dargestellt.
,Er hat zwölf !Solenoide, die .der Reihe nach paarweise an die Phasen -f- R, -T,
-i- S, -R, -I- T, -S angeschlossen sind. Der Fluß der Solenoide schließt sich durch
den Eisenkern 3 über den einen Läuferluftspalt durch die Scheibe r, den Eisenkern
eines weiteren Solenoids, den anderen Luftspalt, die Scheibe 2 und kehrt durch den
letztgenannten Luftspalt zu dem zuerst genannten Eisenkern zurück. Jeder Pol einer
Phase besteht hier also aus zwei Teilpolen mit konzentrierten Wicklungen. Bei der
Fig. 2 sind die Teilpole sämtlich eng aneinandergerückt. Es ergibt sich hier die
kleinste Wandergeschwindigkeit des Drehfeldes, und der Läuferumfang ist nur zu einem
Teil beaufschlagt. Soll die Drehzahl erhöht werden, dann werden, wie die ' Fig.
3 zeigt, die Pole und Teilpole auseinandergerückt. Dadurch wird die Wandergeschwindigkeit
des Drehfeldes und damit die Läuferdrehzahl erhöht. Bei zu starker Abstandsvergrößerung
der Pole besteht die Gefahr, daß sich höhere Harmonischen ausbilden, die durch die
Käfigwicklung des Läufers nicht mehr genügend unterdrückt werden und infolgedessen
das Drehmoment und der Wirkungsgrad des Motors stark zurückgehen. Dies kann aber,
wenn es die Betriebsverhältnisse zulassen, in Kauf genommen werden. Diese Gefahr
ist aber um so kleiner, je feiner die Pole in Teilpole unterteilt werden, weil dann
bei der Polabstandsvergrößerung auch die Pole der einzelnen Phasen entsprechend
vergrößert werden, die Bildung großer Pollücken also vermieden wird.
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Um die Wirkung einer verteilten Wicklung hinsichtlich Drehfeldbildung
zu erzielen, kann man jedem Teilpol oder einigen der Teilpole zwei konzentrierte
Wicklungen q.z, q.2 (Fig. 2) geben, die etwa gemäß Fig. q. geschaltet sind. Die
Gruppe I ist hier beispielsweise im Sinne -I- R, -S, die Gruppe II im Sinne -I-
R, die Gruppe III -I- R, - T, die Gruppe IV im Sinne - T, die Gruppe V im Sinne
-I- S, - T, die Gruppe VI im Sinne - S usw. geschaltet. Es entsteht
hier ein zwölfachsiges, also ziemlich gleichförmiges Drehfeld. Sämtliche an der
Phase R liegenden Wicklungen und Teilwicklungen der Gruppen I bis III sind beispielsweise
in Reihe geschaltet. Die Spannungen der R-Wicklungen in Gruppe I und III addieren
sich zu einer resultierenden Spannung in Richtung der Phasenspannung. Mit solchen
und ähnlichen Mitteln erhält man schon ein sehr gleichförmiges Drehfeld, das einen
guten Wirkungsgrad geben muß. Beim Auseinanderziehen der einzelnen Teilpole und
Pole können sich keine ungünstigeren Verhältnisse ergeben als beim Motor mit verteilter
Wicklung, denn die auseinandergezogenen Teilpole entsprechen mehr oder weniger den
Ständerzähnen bei in Nuten verteilter Wicklung. Selbst beim weiteren Auseinanderziehen
können sich keine ungünstigeren Verhältnisse ergeben als bei einem üblichen Drehstrommotor,
bei
dem die Lücken zwischen den Zähnen übernormal groß sind.
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Statt den einzelnen Teilpolen mehrere Teilwicklungen zu geben, kann
man eine ähnliche Wirkung auch dadurch erzielen, daß man Teilpole verschiedener
Phasen entsprechend durchmischt, also z. B. in Gruppe I (Fig. q.) dem ersten Teilpol
eine Wicklung im Sinne -I- R, dem zweiten eine solche im Sinne-S, der Gruppe II
eine Wicklung im Sinne -f- R, dem ersten Teilpol der Gruppe III eine Wicklung im
Sinne - T, dem zweiten Teilpol eine Wicklung im Sinne -f- R gibt usw. Da bei dieser
Anordnung die Flüsse der einzelnen Teilpole genügend ineinanderstreuen, lassen sich
störende höhere Harmonischen in erträglichen Grenzen halten.
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Zur Änderung der Pol- und Teilpolabstände können irgendwelche Kurbel-,
Kulissen-, Hebel-oder Schraubengetriebe, z. B. Hebelgetriebe entsprechend der sogenannten
Nürnberger Schere verwendet werden. Dabei ist nach Möglichkeit das Spiel zwischen
den einzelnen Getriebeteilen mit den üblichen Mitteln auszugleichen, um in allen
Stellungen einen sicheren Sitz der Pole zu gewährleisten und ein Brummen zu verhüten.
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In den Fig. 5 bis 12 sind schematisch für einen polumschaltbaren Motor
mit Scheibenläufer für die verschiedenen Polstellungen und -schaltungen die Feldverteilungen
dargestellt.
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In Fig. 5 und 7 sind die Teilpole im Sinne -I- R, -T, +S, -R
usw. geschaltet. Sind diese wie in Fig. 5 eng aneinandergerückt, dann ergibt sich
ein Feldverlauf gemäß Fig. 6, beim Auseinanderrücken (Fig. 7) ein Feldverlauf gemäß
Fig. B. ;Sind die Teilpole im Sinne -f- R, -f- R, -T, -T, -I- S, -I- S usw.,
wie bei Fig. 9 und i i geschaltet, dann ergibt sich bei aneinandergerückten Polen
(Fig.9) eine Feldverteilung gemäß Fig.1o, bei auseinandergerückten Polen (Fig. ii)
eine Feldverteilung gemäß Fig. 12. Den Feldverteilungen nach den geradzahligen Figuren
entsprechen Leerlaufdrehzahlen von 750,
1500, 1500, 3ooo. Durch die Polumschaltung
ergibt sich somit eine Grobregelung in zwei Stufen. Alle dazwischenliegenden Drehzahlen
lassen sichdurch Polabstandsänderung einstellen. Man kann auf diese Weise also den
Drehzahlbereich 75o bis 3000 stetig durchsteuern.
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Wie die Fig. 13 und 1¢ zeigen, können die Teilpole auch in zwei diametral
angeordneten Gruppen zusammengefaßt werden. Diametral gegenüberliegende Teilpole
können gemeinsam bewegt, also starr miteinander verbunden werden. Dadurch heben
sich die radialen magnetischen Kräfte bei zylindrischem Rotor (vgl. Fig.2i) auf.
Fig. 13 zeigt die aneinandergerückten Pole, Fig. 14 die auseinandergezogenen.
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Der Eisenrückschluß läßt sich auf verschiedene Weise durchführen.
Es können z. B. wie in Fig. 15 hufeisenförmige Polmagnete 6 verwendet werden, die
einen Scheibenanker 7 umgreifen. Die konzentrierten Wicklungen lassen sich in verschiedener
Weise, z. B. wie bei 8 auf dem Joch oder wie bei 9 auf den Schenkeln oder wie bei
io in der Nähe der Pole, anordnen. In Fig. 16 sind zu beiden Seiten eines Scheibenläufers
i i mit zwei radial übereinander angeordneten Käfigwicklungen U-förmige Magnete
12 angeordnet. Bei Anordnung nach Fig. 16 entsteht kein axialer Zug auf dem Scheibenläufer.
Die Magnete 12 können entsprechend den Fig. 17 bis 2o ausgeführt sein. Die Magnetwicklungen
13 sitzen hier sämtlich auf den Schenkeln. In Fig. 17 und 18 sind die Magnete in
der Stirnansicht rechteckig, in Fig. i9 und 2o sektorförmig. Die Sektorform wird
durch Neigung der Lamellen oder Lamellenpakete erzielt. Zu diesem Zweck sind zwischen
den einzelnen Lamellenpaketen Distanzstücke 14 auf der radial außenliegenden Seite
eingeschoben.
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Fig. 21 zeigt einen zylindrischen Läufer 15 mit axial nebeneinander
angeordneten Käfigwicklungen und U-förmigen Magnet 16, die beispielsweise gemäß
Fig. 22, also mit gekreuzten Lamellenebenen und konzentrierten Wicklungen auf den
Schenkeln ausgeführt werden können. Durch die Kreuzung der Lamellenebenen läßt sich
der Polschuh 17 (Fig. 22) bis zur Wicklungsbreite B verbreitern, so daß sich also
die Teilpole eng aneinanderrücken lassen. Damit die Wicklungen das Aneinanderrücken
der Pole nicht erschweren, können die U-förmigen Magnete auch gemäß Fig.23 und 2.4
ausgeführt werden. Längs des Läuferumfangs folgen abwechselnd Magnete nach den beiden
Figuren aufeinander. Dadurch sind die Wicklungen axial gegeneinander versetzt und
sind sich deshalb beim Aneinanderrücken der Magnete nicht im Wege. Ähnliche Mittel,
die das enge Aneinanderrücken der Magnete gestatten, können auch bei Motoren mit
Scheibenläufer angewendet werden. Fig. 25 zeigt schematisch ein Getriebe entsprechend
der Nürnberger "Schere für die Polabstandsänderung, das etwa gemäß Fig. 26 angeordnet
werden kann, also so, daß die Gelenkstäbe in den Seiten eines Prismas liegen. Die
Pole müssen außerdem noch durch Schlitze, Rollen, konzentrisch zur Achse gelagerte
Kurbeln od. dgl. geführt sein.
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Um bei Motoren mit Scheibenläufer größerer Leistung nicht so große
Durchmesser zu erhalten, können, wie beispielsweise die Fig.27 und 28 zeigen, mehrere
Scheiben und Polgruppen in axialen Fluchten hintereinander angeordnet werden.
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Die Erfindung gestattet, bei Anwendung mechanischer Mittel für die
Drehzahlregelung von Drehfeldmaschinen durch Polabstandsänderung Motoren mit gutem
Wirkungsgrad zu bauen, die den gewöhnlichen Drehstromasynchronmotoren od. dgl. durchaus
ebenbürtig und sogar überlegen sind, wenn die betreffende Drehzahl bei dem gewöhnlichen
Motor nur durch starke Schlupfvergrößerung oder durch Frequenzänderung mit Hilfe
besonderer Aggregate herbeigeführt werden kann. Ferner lassen sich beim Erfindungsgegenstand
für die einzelnen Drehzahlen die durch Belastungsänderungen hervorgerufenen Drehzahlschwankungen
wesentlich kleiner halten als bei den gewöhnlichen Motoren mit Drehzahlregelung
durch Schlupfänderung, denn beim Erfindungsgegenstand
sind den verschiedenen
Polstellungen stets bestimmte Leerlaufdrehzahlen zugeordnet, während bei Drehzahländerung
der üblichen Motoren durch Schlupfregelung die Leerlaufdrehzahl immer gleichbleibt.
Solche Motoren werden sich also überall dort anwenden lassen, wo es besonders auf
Drehzahlregelung ankommt, also z. B. bei Papier-. Textil-, Hebezeug-, Bahnbetrieben
usw. Selbstverständlich läßt sich die Maschine gemäß der Erfi@idung statt als Motor
auch als Generator verwenden, falls ein entsprechender Taktgeber zur Verfügung steht.
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Der Erfindungsgegenstand bietet alle die bekannten Vorteile von Motoren
mit konzentrierten Wicklungen und ausgeprägten Polen, also z. B. einfache, maschinelle
Herstellung der Wicklungen und leichte Montage, hervorragende Isolation, namentlich
auch für Motoren höherer Spannungen; Anwendbarkeit auch bei Motoren kleinster Leistung;
Fortfall komplizierter Stanzschnitte, gute Blechausnutzung, leicht ausführbare Reparatur
bei Wicklungsschäden durch Spulenaustausch, keine hohen Anforderungen an die elektrische
und mechanische Festigkeit der Wickeldrahtisolation selbst usw.