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Mehrphasige Asynchronmaschine Die Erfindung verfolgt den Zweck, die
verlustlose Drehzahlregelbarkeit mehrphasiger Motoren mit der einfachen Läuferbauweise
des Drehstromasynchronmotors zu vereinigen.
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Mehrphasige Elektromaschinen, Motoren wie Generatoren, sind als asynchrone,
synchrone und diasynchrone Maschinen bekannt. Die größte Verbreitung erfuhr die
Drehstromasynchronmaschine, insbesondere mit Kurzschlußläufer, da sie in preiswerter
und betriebssicherer Form mit Nebenschlußcharakteristik eine robuste und zuverlässige
Antriebsmaschine darstellt, aber nicht drehzahlregelbar ist. Die Ausführung mit
Schleifringläufer besitzt zwar eine Regelbarkeit der Drehzahl. Diese wird aber erkauft
durch Aufgabe der Nebenschlußcharakteristik und durch Verluste, die mit der durchgesetzten
Leistung und der Drehzahlabweichung von der Leerlaufdrehzahl proportional sind,
also bei starken Drehzahlabsenkungen beachtliche, wirtschaftlich nicht immer vertretbare
Werte annehmen. Eine Abart stellt schließlich die polumschaltbare Drehstromasynchronmaschine
dar, bei der für jede Drehzahl praktisch eine eigene Ständerwicklung vorhanden ist.
Dieser Umstand verteuert die Erstellung und etwa notwendige Reparaturen und gestattet
nur eine Verschiebung der Nebenschlußcharakteristik der normalen Asynchronmaschine
auf verschiedene Drehzahlen, für die aber die Ständerwicklungen eingerichtet sein
müssen.
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Die Drehstromsynchronmaschine ist demgegenüber zahlenmäßig viel seltener,
sie braucht in diesem Zusammenhang auch kaum erwähnt zu werden, da sie ihrer Natur
nach überhaupt nicht drehzahlregelbar ist.
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Die typische drehzahlgeregelte Maschine ist die mehrphasige diasynchrone
Maschine. Ihre Verwendung bei drehzahlveränderlichen Antrieben mit Nabenschluß
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oder Reihenschlußcharakteristik ist wegen der hohen Kosten sowie wegen der Empfindlichkeit
der Läufer mit Drahtwicklungen und rotierenden Kollektoren nicht sehr groß geworden.
Außerdem sind die möglichen Regelbereiche begrenzt durch die Zusatzapparate und
durch die verwendete Bauart. Im allgemeinen wird der Drehzahlbereich das Verhältnis
5: I nicht überschreiten.
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Aufgabe des Erfindung ist es, eine Drehzahlregelmaschine für mehrphasigen
Wechselstrom zu bauen. Diese soll folgende Eigenschaften besitzen: a) Aufbau der
Ständerwicklungen nach bekannten und bewährten Methoden, z. B. Schablonenwicklung,
b) Aufbau der Läuferwicklungen als Kurzschlußkäfigwicklung (mit isolierten Stäben),
c) Drehzahlregelbarkeit vom Stillstand bis zu höchsten Drehzahlen in stufenloser
Folge und ohne zusätzliche Verluste, d) leichte Umsteuerbarkeit, e) Beibehaltung
der Nebenschlußcharakteristik in allen Richtungen und Drehzahllagen, f) Überschreitung
der durch die Frequenz bedingten höchsten Synchrondrehzahl, g) einfache, verlustlose
Anlaßmethode, geringe Anfahrströme, h) Erzielung von Drehzahlen, die sonst nur mittels
Getrieben erreichbar sind.
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Eine Drehstromasynchronmaschine für beispielsweise 3000 Umdrehungen
(synchron) bei 50 Hz hat Wicklungen, die Felder in drei verschiedenen, um 120 räumliche
Grade versetzten Achsen erzeugen und auf eine Läuferkäfigwicklung einwirken. An
Stelle des einen Maschinenständers mit den verketteten Wicklungen kann man auch
drei Ständer auf einen gemeinsamen Läufer einwirken lassen. Jeder einzelne Ständer
besitzt dann nur eine einphasige Wicklung und ist auch nur einphasig angeschlossen.
Zwei Ständer sind entweder um die Maschinenachse drehbar angeordnet, oder sie besitzen
eine Faßwicklung, die an zwei gegenüberliegenden Punkten so gespeist werden kann,
daß durch die Wahl der Lage dieser Einspeisungspunkte praktisch derselbe Affekt
erreicht werden kann wie durch Verdrehung des Ständers. Durch sämtliche drei Ständer
erstreckt sich ein Läufer mit einer gemeinsamen Kurzschlüßwicklung, die jedoch nur
vor dem ersten und hinter dem letzten Ständer einen Kurzschlußring trägt, während
zwischen den Ständern eine Durchschaltung der einzelnen Stäbe vorgenommen worden
ist. Die einzelnen Stäbe liegen mit dünner Isolation in den Läufernuten, um eine
Kurzschließung der induzierten Ströme innerhalb der Ständerbreite durch das Eisenblech
auszuschließen. Es ist einleuchtend, daß eine so aufgeteilte Maschine, deren Feldachsen
im Raum um je 120° verdreht sind, zwar teurer wird, aber in ihrer Wirkungsweise
praktisch keinen Unterschied gegenüber der eingangs erwähnten Drehstrommaschine
aufweist. Neu ist an der angeführten, in drei einphasige Ständer aufgeteilten Maschine
gemäß der Erfindung die Verstellbarkeit der Feldachsen von zwei Teilständern.
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Verkleinert man z. B. mit den angegebenen Mitteln den räumlichen Einschließungswinkel,
so sinken die synchronen Drehzahlen der Maschine und ihre tatsächlichen proportional
bis zum Stillstand beim eingeschlossenen Winkel 0°. Es bestehen dann folgende Drehzahlen
(synchrone) bei den entsprechenden eingeschlossenen Winkeln der Feldachsen bei Drehstrom
5o Hz: Winkel: 120° 90° 60° 50° 40° Drehstrom: 3000 2250 1500 1250 1000 Winkel:
30° 20° 15° 10° 0° Drehstrom: 750 500 375 250 0 Bei weiterer Verdrehung der Ständer
tritt ansteigende Drehzahl in umgekehrter Drehrichtung ein. Hieraus erhellt, daß
die Anlaßvorgänge und das Reversieren denkbar einfach werden.
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Erweitert man die eingeschlossenen Winkel über 120°, so steigt die
Drehzahl über n = 3000 an.
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Bei dem geringen Luftspalt, den asynchrone Maschinen besitzen, wird
die Verdrehbarkeit der Ständer auf mechanische Schwierigkeiten stoßen. Die Erfindung
gibt jedoch durch die Wahl der Anschlüsse an die einzelnen Spulen einer Faßwicklung,
die an die Lamellen eines Schaltwerkes ähnlich einem stehenden Kommutator geführt
werden, ein geeignetes Mittel an, um die Verdrehung der Felder auf elektrische Weise
durchzuführen. Die Kontakte des Schaltwerkes bzw. Bürsten des Schaltkommutators
müßten mit Anfang und Ende einer Phase verbunden sein. Bei größeren Spannungen werden
Schalteinrichtungen verwendet, die einem Zellenschalter von Akkumulatorenbatterien
gleichen; bei Hochspannung kommen Schaltwerke in Verwendung, wie sie bei den Vorwählern
und Lastschaltern von Regulierumspannern gebraucht werden.
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Die nach der Erfindung gebauten Maschinen können sowohl als Motoren
wie auch als Generatoren Verwendung finden. Hierbei tritt a) die Regulierbarkeit,
b) die Erzielung von Drehzahlen, die zwischen den bekannten synchronen Drehstromwerten
liegen, und c) die Erzielung von Drehzahlen über dem Wert der Frequenz besonders
hervor.
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Zu a) zählen Antriebe von Gebläsen, Kreiselpumpen, Kolbenpumpen, Förderbändern,
elektrischen Lokomotiven, Druckereimaschinen, Werkzeugmaschinen; auch alle Anlagen
mit Energierückgewinn bei häufigen Stillsetzungen, z. B. Zentrifugen; zu b) Textilmaschinen,
Dreschmaschinen und Holzbearbeitungsmaschinen, Wasserkraftgeneratoren; zu c) Holzbearbeitungsmaschinen
und Turbogeneratoren.