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Regelbarer Wechselstrommotor, insbesondere für den Antrieb von Werkzeugmaschinen
Im Werkzeugmaschinenbau spielt die Regelung der Drehzahlen zwischen Kraftquelle
und Arbeitswelle eine wichtige Rolle. Man benutzt heute noch vielfach für diesen
Zweck mechanische Regelgetriebe, d. h. Rädergetriebe, hydraulische Getriebe, Reibungsgetriebe
u. ä. Alle diese Regelgetriebe sind schwierig herzustellen und daher teuer. Hinzu
kommt, daß sie meistens für die im modernen Werkzeugmaschinenbau in steigendem Maße
angewandte Schaltautomatik für den Drehzahlwechsel noch einen weiteren erheblichen
Aufwand benötigen.
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Als Antrieb für Werkzeugmaschinen wird in den meisten Fällen ein Elektromotor
benutzt. Es ist bekannt, derartige Motoren in ihrer Drehzahl zu regeln. Diese Regelung
wird beispielsweise durch Polumschaltung, Kaskadenschaltung, Regelsätze, Frequenzwandler,
Elektronensteuerung bewirkt. Die erwähnten Regelungsarten des Elektromotors haben
jedoch den Nachteil, daß sie entweder einen zu großen und damit teuren Aufwand benötigen
bzw. für einen rauhen Betrieb nicht sonderlich geeignet sind oder daß der Regelbereich
zu klein ist bzw. die erreichten Drehzahlstufen nicht den praktischen Erfordernissen
genügen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei sinkender Drehzahl bestenfalls
das Drehmoment konstant bleibt, obwohl in den meisten Fällen eine
Regelung
bei gleichbleibender Leistung, d. h. Drehmomenterhöhung bei kleiner werdender Drehzahl,
gefordert wird. Bei diesen elektrischen Getrieben macht jedoch die Schaltautomatik
keine Schwierigkeiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisher
für den Antrieb von Werkzeugmaschinen verwendeten drehzahlgeregelten Elektromotoren
zu vermeiden und die mit der einfachen Bauart verbundenen Vorteile der Induktionsmotoren
beizubehalten. Sie besteht darin, daß zur Einstellung einer bestimmten Drehzahl
jeweils eine Stator- bzw. eine Rotorwicklungsgruppe einer räumlich feststehenden
Wicklungsanordnung eingeschaltet wird, bei der alle Phasen auf dem Stator- bzw.
auf dem Rotorumfang gleichmäßig über einen von 36o° abweichenden Segmentwinkel verteilt
sind. Nach der Erfindung sind mehrere, sich jeweils über einen verschieden großen
Segmentwinkel erstreckende, wahlweise einzeln oder in Gruppen einschaltbare Wicklungsgruppen
vorgesehen.
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Eine Schaltung mit »konzentrierten« Windungen zur Erzielung abnormaler
Drehzahlen durch Polteilungen, die im Maschinenumfang nicht aufgehen, ist bereits
Gegenstand eines älteren Rechtes. Bei dem letzteren wird die Drehzahländerung jedoch
nur durch Verkürzung einer, zweier oder dreier Phasen erreicht und ein echtes Wanderfeld
nur dann erzeugt, wenn alle drei Phasen des Drehstrommotors gleichmäßig verkürzt
sind. Durch die Erfindung wird jedoch immer ein echtes Wanderfeld geschaffen, und
bei ihr kann auch eingrößeres Segmentmittel als 36o° Verwendung finden. Eine weitere
Drehzahldifferenzierung kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß die Wanderfelder
von unterschiedlicher Winkelgeschwindigkeit erzeugenden Wicklungsgruppen in an sich
bekannter Weise polumschaltbar ausgeführt sind. Damit die geforderte Motorleistung
den verschiedenen Drehzahlstufen angepaßt werden kann, haben die verschiedenen Wicklungsgruppen
bei dem Wechselstrommotor nach der Erfindung eine unterschiedliche axiale Breite
und sind gegebenenfalls teilweise auch nebeneinander. oder hintereinander auf dem
Stator bzw. auf dem Rotor angeordnet. Schließlich können erfindungsgemäß die zu
den einzelnen Wicklungsgruppen gehörenden Stator- bzw. Rotorsegmente baulich so
getrennt sein, daß sie einzeln oder in Gruppen zu entfernen oder auszutauschen sind.
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Um einen Wechselstrommotor mit Kurzschluß-bzw. mit Stromverdrängungsläufer
verwenden zu können, wird man zweckmäßigerweise die verschiedenen -Wicklungsgruppen
auf dem Stator unterbringen. Mehr oder minder große Teile des Statorumfanges bleiben
unbewickelt. Diese sind zweckmäßig frei von Eisen zu halten. Zum Unterbringen der
Wicklung sind lediglich an beiden Segmentenden einige Nuten mehr erforderlich.
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Fig. I zeigt schematisch die Phasenanordnung eines zweipoligen Drehstrommotors,
dessen Drehzahl beispielsweise auf 2/3 der normalen herabgesetzt wurde. Die von
den drei Phasen I; 2, 3 gespeiste Wicklungsgruppe erstreckt sich hierbei über ein
Segment von 240° oder 2/3 des Statorumfanges. Fig. 2 stellt ein weiteres Beispiel
eines dreiphasigen Motors dar, dessen polbildende Wicklungsgruppen sich über ein
Segment von I00° erstrecken. Seine Drehzahl-ist gegenüber derjenigen eines normalen
zweipoligen Motors im Verhältnis 3,6 : I herabgesetzt. Auf solche Weise ist es möglich,
jede beliebige Drehzahl zu erzielen, denn bei gegebener Frequenz und Polzahl ist
die Drehzahl vom Segmentwinkel abhängig. Grundsätzlich kann ein solches Segment
auch größer als 360° sein, z. B. durch spiralförmige Anordnung. Bei einer Frequenz
von 5o Hz kann man damit also auch Drehzahlen über 3000 UpM erreichen.
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Die Fig. 3 zeigt schematisch die Statorabwicklung eines nach dem erläuterten
Erfindungsgedanken ausgeführten regelbaren Wechselstrommotors. Die schraffierten
Flächen I, II, III und IV sind bei diesem Schema ein Maß für die den einstellbaren
Drehzahlen entsprechende Motorleistung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wäre also
die Leistung bei jeder einstellbaren Drehzahl annähernd gleich. Die Strecken aI,
aII, aIIl und aIV kennzeichnen den jeweiligen Segmentwinkel im Bogenmaß und die
Strecken bI, bII, b I,1 und bIV die axiale Breite der jeweiligen Wicklungsgruppe.
aI ₧ bI = alI, bII = aIII ₧blll = aIV ₧ bIV.
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Da hier die Segmenteinteilung nach der I,4Ier Drehzahlreihe vorgenommen
ist, ergeben sich unter der Voraussetzung einer Polumschaltung der einzelnen Wicklungsgruppen
folgende Drehzahlbereiche: Statorwicklung Drehzahl in UpM I 375/I90 II 53o/265 III
1500/750 IV 2100/1050 Das im vorstehenden erläuterte Bauprinzip eines regelbaren
Wechselstrommotors läßt sich sinngemäß auch für den Bau von Wechselstromgeneratoren
verwenden. Bei gleichbleibender Drehzahl des Generators kann man an seinen Wicklungssegmenten
einen Wechselstrom beliebiger Frequenz und beliebiger Spannung erreichen und damit
normale Wechselstrommotoren speisen. Auf diese Weise ist ebenfalls eine beliebige
Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren möglich.