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Selbstbremsender Induktionsmotor mit Kurzschluß-Verschiebeläufer Die
Erfindung geht aus von einem selbstbremsenden Verschiebeläufermotor, bei dem die
unter der Wirkung einer Feder stehende Bremse einfällt, sobald der Motor stromlos
wird. Beim Wiedereinschalten des Motors wird die Federkraft durch den magnetischen
Axialschub überwunden und die Bremse gelüftet. Die Bremslüftung erfolgt dabei schlagartig,
und der Motor läuft unter voller Wirkung seines Anzugsmomentes mit hoher Beschleunigung
an.
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Häufig ist es erforderlich, den Motor langsam in Gang zu setzen, beispielsweise,
um Schwingungen zu vermeiden, die durch das plötzliche Einsetzen von Beschleunigungen
erzeugt werden, oder um durch Totgang in der vom. Motor angetriebenen Maschine verursachte
Schläge zu verhindern. Bei Bremsmotoren, deren Bremse nicht durch den magnetischen
Axialschub gesteuert wird, hat man dieses Ziel durch zusätzliche Einrichtungen erreicht,
z. B. durch Anzapfungen der Wicklung oder einstellbare Ständeranlaßwiderstände,
die durch Schaltelemente gesteuert werden, oder auch durch Schwungmassen, die aber
nur begrenzt anwendbar sind, weil durch diese in Fällen höherer Einschaltzahlen
die Wärmeerzeugung im Motor zu stark ansteigen würde.
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Bei dem Gegenstand der Erfindung wird das angestrebte Ziel ohne zusätzliche
Mittel erreicht, und zwar wird hier die Eigenart der Beziehungen zwischen Anlaufmoment
und Verschiebeweg, zwischen Stillstandsaxialschub und Verschiebeweg sowie zwischen
Stillstandsaxialschub und Drehzahl des
Motors ausgenutzt, um mittels
der Bremse die Anlaufverzögerung zu bewirken.
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Der Verschiebeweg, das ist der Weg, um den sich der Läufer in axialer
Richtung beim Einschalten von der Bremsstellung in die Laufstellung bewegt und der
üblicherweise nur wenige Millimeter beträgt, kann auf ein Mehrfaches dieses Maßes
gesteigert werden, ohne daß sich das Anzugsmoment und der magnetische Axialschub
im Leerlauf nennenswert ändern, hingegen steigt der magnetische Axialschub im Stillstand
mit der Verringerung des Verschiebeweges an und erreicht seinen Größtwert bei voll
eingezogenem Läufer.
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In Abb. I der Zeichnung ist über dem Verschiebeweg s, der von der
Laufstellung A, bei der er die Größe Null hat, bis zu einem Größtwert C, bei dem
das Diagramm abgebrochen ist, ansteigt, der magnetische Axialschub im Stillstand
a, der magnetische Axialschub im Leerlauf b und die Bremsfederkraft c aufgetragen.
Die Kurven a und c schneiden sich über Punkt B.
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Bisher wurden die Werte für den magnetischen Stillstandsaxialschub
und die Federkraft so gewählt, daß diese innerhalb der Grenzen A und
B
lagen, der magnetische Stillstandsaxialschub war also immer größer als die
Bremsfederkraft. Die Länge des Verschiebeweges wurde so knapp wie möglich bemessen,
um die axialen Schläge möglichst klein zu halten. Der Verschiebeweg lag damit schon
zwangläufig in dem Bereich A-B. Bei dieser Wahl des Stillstandsaxialschubs, der
Federkraft und des Verschiebeweges wurde beim Einschalten des Motors die Bremsfederkraft
schlagartig überwunden und die Bremse sofort gelüftet.
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Demgegenüber werden gemäß der Erfindung die Werte für Axialschub und/oder
Federkraft und oder Verschiebeweg so gewählt, daß der Stillstandsaxialschub beim
Einschalten kleiner ist als die Bremsfederkraft. Dieses Ziel läßt sich einmal dadurch
erreichen, daß man die Verschiebeweglänge des Läufers so veränderbar macht, daß
der Läufer sich über das für das Freikommen aus der Bremse und das für das Nachstellen
der Bremse bei Abnutzung des Bremsbelages erforderliche Maß hinaus verschieben läßt.
Andererseits kann man auch die Bremsfederkraft regelbar machen. Man kann auch beide
Maßnahmen gleichzeitig anwenden. Durch welche Maßnahmen der Stillstandsaxialschub
beeinflußt werden kann, ist weiter unten dargelegt.
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Durch das erfindungsgemäße Verhältnis Stillstandsaxiälschub zu Bremsfederkraft
wird erreicht, daß beim Einschalten des Motors die Bremse nicht sofort gelüftet
wird, sondern noch eine Zeitlang schleift, wodurch der Hochlauf verlangsamt wird,
bis der mit zunehmender Drehzahl ansteigende und seinem Leerlaufswert zustrebende
magnetische Axialschub zur Größe der Bremsfederkraft angewachsen ist (Anlaufdämpfung).
In diesem Augenblick kommt die Bremse frei, und der weitere Hochlauf vollzieht sich
normal.
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Beim Einschalten des Motors verringert sich das Bremsmoment, weil
der Axialschub der Bremsfederkraft entgegenwirkt. Es verbleibt also ein Restbremsmoment.
Die Differenz von Anzugsmoment und Restbremsmoment, das »freie« Anzugsmoment, welches
die Beschleunigung und die Leistungsabgabe einleitet, ist -das kennzeichnende Merkmal
der Anlaufdämpfung.
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Der Erfindungsgedanke ermöglicht es, das für die jeweiligen Antriebsverhältnisse
günstigste freie Anzugsmoment auszuwählen. Welche Einflußgrößen hierfür maßgebend
sind, zeigt das nachstehende Beispiel.
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Bei einem Motor, dessen Bremsfederkraft und Axialschub nach Abb. I
verlaufen und dessen Bremsmoment gleich seinem Anzugsmoment ist, soll das freie
Anzugsmoment zwischen den Grenzen; Volles Anzugsmoment und 1/a Anzugsmoment einstellbar
sein.
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In Abb. I stellt sich die das Restbremsmoment bewirkende Axialkraft
als Ordinatendifferenz der Bremsfederkraft-Kurve und der Kurve des magnetischen
Stillstandsaxialschubes dar. Da das Bremsmoment und die die Bremse andrückende Axialkraft
verhältnisgleich sind, ist auch das Restbremsmoment durch die vörgenannte Ordinatendifferenz
darstellbar.
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Nimmt man für die Bremsstellung den Punkt C der Abb. I an, wobei der
Läufer um den Verschiebeweg A-C aus der Laufstellung herausgerückt ist, so stellt
die Strecke C-F das Bremsmoment und, da Anzugs- und Bremsmoment gleich groß
sind, auch das Anzugsmoment dar. Bei Anlauf aus dem Punkt C setzt sich also vom
Anzugsmoment C-F ein Restbremsmoment E-F ab, so daß nur ein freies Anzugsmoment
C-E für Beschleunigung und Leistungsabgabe übrigbleibt.
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Das freie Anzugsmoment C-E ist zeichnungsmäßig etwa 1/s des Anzugsmomentes
E-F; um also eine Verminderung des freien Anzugsmomentes auf 1/s des Anzugsmomentes
zu erreichen, ist es notwendig, den Läufer um den Verschiebeweg A-C aus der Laufstellung
herauszurücken.
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Soll das freie Anzugsmoment beispielsweise etwa 2/s des Anzugsmomentes
betragen, so ist zeichnungsmäßig die Bremsstellung des Läufers im Punkte
D, entsprechend einem Verschiebeweg A-D zu wählen. Falls das volle Anzugsmoment
ausgeübt werden soll, darf der Verschiebeweg höchstens A-B sein.
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Bei vorgegebenem Verlauf der Kurve a ist der erforderliche Verschiebeweg
also durch das kleinste freie Anzugsmoment bestimmt, er ist immer größer als der
bisher verwendete, höchstens mit A-B bemessene Verschiebeweg.
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Die Einstellbarkeit des freien Anzugsmomentes bedingt, daß die Kurve
a vom Punkt A bis zum Punkt C abfällt, weiterhin, falls beispielsweise aus konstruktionsbedingten
Gründen der Verschiebeweg kürzer gewählt werden muß als A-C, kann auch noch ein
stärkeres Abfallen der Kurve a erforderlich werden.
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Der Verlauf der Kurve a ist also nicht beliebig, sondern durch die
vorgenannten Bedingungen mindestens in seinen Grenzwerten festliegend. Dieser
spezielle
Verlauf der Kurve a ist aber bei normalerweise von der Leistungsseite her ausgelegten
Motoren meist nicht gegeben. Er muß also durch besondere, nachstehend umrissene
Auslegungsmaßnahmen erreicht werden.
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Der magnetische Stillstandsaxialhub besteht aus zwei Anteilen, dem
Grundwellenanteil, in Abb. I durch die Kurve d dargestellt, und dem durch die Ordinatendifferenz
der Kurven a und d dargestellten Oberwellen- und Querfeldanteil. Der Grundwellenanteil
verläuft angenähert parallel zur Abzisse; bei einem Kurvenverlauf nach Abb. I bestimmt
er das freie Anzugsmoment in Punkt C, seine Größe hängt von der Luftinduktion sowie
der Anordnung und den Abmessungen der den Luftspalt begrenzenden und vom magnetischen
Nutzfluß durchdrungenen Flächen ab, in der Hauptsache also vom Kegelwinkel und von
der Oberfläche des kegeligen Läufers.
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Der dem Grundwellenanteil überlagerte Oberwellen- und Querfeldanteil
hat seinen Höchstwert beim Verschiebeweg Null, also in der Laufstellung des Motors,
und fällt mit wachsendem Verschiebeweg ab, er bestimmt die Neigung der Kurve a und
kann durch oberwellenbildende und qüerfeldverstärkende Maßnahmen, wie geeignete
Bemessung der Nuten oder Wahl der Nutenzahl, dem vorgegebenen Kurvenlauf angepaßt
werden.
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Nachstehend soll an dem bereits als Beispiel benutzten Motor mit den
Axialschubkennlinien der Abb. I gezeigt werden, wie und durch welche Maßnahme die
Stillstands-Axialschubkurve verändert werden muß, wenn beispielsweise aus konstruktionsbedingten
Gründen für den Verschiebeweg nur die kürzere Strecke A-D zur Verfügung steht. Da
die Bedingung Einstellbereich des freien Anzugsmomentes in den Grenzen ein Drittel
bis volles Anzugsmoment beibehalten bleibt, ergibt sich aus der Abb. I, daß die
veränderte. Kurve a durch den Punkt L laufen muß, weil L I = E-F zu bemessen ist,
da E-F das 2/3fache Anzugsmoment darstellt. Die Verlegung der Kurve a kann nur durch
Verringerung des Läuferwiderstandes erreicht werden. Hierzu sei durchsichtigkeitshalber
angenommen, daß das Anzugsmoment unverändert bleibt, was mit für die Betrachtung
ausreichender Genauigkeit erreicht werden kann, wenn das dem ersten wie auch dem
vorliegenden Beispiel zugehörige Anzugsmoment etwas kleiner als das Kippmoment gewählt
wird. Weiterhin sei vereinfachend angenommen, daß die magnetischen Pfade des Oberwellen-
und Querfeldanteiles des Stillstandsaxialschubes bereits gesättigt sind, so daß
sich dieser Axialschubanteil bei Steigerung seiner Erregung, die durch die Stillstandsströme
gegeben ist, nicht ändert. Mit diesen Voraussetzungen ist das Maß der Widerstandsverringerung
des Läufers durch den folgenden Zusammenhang festgelegt.
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Die Verringerung des Läuferwiderstandes hat eine Vergrößerung der
Stillstandsströme zur Folge. Die Vergrößerung des Ständerstillstandsstromes hat
eine Zunahme des Ständerwirk- und Streuspannungsverlustes im Stillstand zur Folge.
Die Zunahme des Ständerwirk- und Streuspannungsverlustes hat Verringerung der EMK
und der dieser proportionalen Luftinduktion zur Folge.
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Die Verringerung der Luftinduktion hat eine Absenkung des dieser quadratisch
proportionalen Grundwellenanteiles des Stillstandsaxialschubes zur Folge.
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Die Verringerung des Läuferwiderstandes muß, wenn in die Darstellung
der Abb. I übergegangen wird, demnach so gewählt werden, daß der Grundwellenanteil
im Punkte D, der durch die Strecke M-D dargestellt ist, um die Strecke M-N = H-L
abgesenkt wird, so daß sich der abgewandelte Grundwellenanteil durch die Kurve d1
und der abgewandelte gesamte Stillstandsaxialschub durch die Kurve a1 darstellt.
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Wenn man von der Forderung Bremsmoment gleich Anzugsmoment abgeht,
also eine Änderung der Bremsfederkraft zuläßt, dann ist eine Einstellbarkeit des
freien Anzugsmomentes auch durch diese Maßnahme zu erzielen. Wird beispielsweise
die Bremsfederkraft geschwächt, etwa nach der Kurve c1, so verringert sich auch
das Restbremsmoment, wodurch das freie Anzugsmoment größer und damit die Anlaufdämpfung
stärker wird, umgekehrt wird die Anlaufdämpfung bei Verstärkung der Bremsfeder etwa
nach der Kurve c2 geschwächt.
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Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß der Motor
bei ungeänderter Bremsfeder, also ungeändertem Bremsmoment, über Ständervorschaltwiderstände
eingeschaltet wird. Durch die Vorschaltung voh Ständerwiderständen während des Anlaufvorganges
werden die Stillstandswerte des Anzugsmomentes und des Stillstandsaxialschubes verringert,
der Leerlaufaxialschub bleibt unverändert. Das Restbremsmoment, gegeben durch die
Differenz der Bremsfederkraft und dem gegenüber dem ursprünglichen Beispiel kleineren
Stillstandsaxialschub, ist größer geworden; das freie Anzugsmoment als Differenz
des durch die Vorschaltwiderstände verringerten Anzugsmomentes und des Restbremsmomentes
hat sich also von zwei Einflußseiten her verringert.
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Gegenüber der bei normalen zylindrischen Motoren angewandten Anlaufverzögerung
durch Vorschaltwiderstände hat die vorgeschlagene Methode den Vorteil, daß im vorliegenden
Fall die Vorschaltwiderstände erheblich kleiner und daher billiger ausfallen als
bei normalen zylindrischen Motoren, da sie nur einen Teil der Anlaufdämpsung bewirken
müssen.
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Bei Drehstro;n-Verschiebeankermotoren hat man bereits die Anwendung
von Ständervorschaltwiderständen vorgeschlagen. Hier dienen diese aber nur dem Zweck,
einen sich dem Motormagnetfeld auflagernden, sehr schnell in einer gedämpften Schwingung
abklingenden Feldanteil zu dämpfen. Die Widerstände sind hier deshalb nur ganz kurzzeitig
nach dem Einschalten des Motors wirksam.
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In Abb. 2 ist als Ausführungsbeispiel ein Motor mit Kegelbremse unä
veränderbarem Verschiebeweg des Läufers dargestellt. Auf der Läuferwelle i ist die
Bremsscheibe 2 axial verschiebbar, aber
drehfest gelagert. Das über
den Wellenstumpf hinausragende Ende der Bremsscheibennabe umschließt mit der Schraubkappe
3 den Bund 4a einer am Wellenstumpf vorgesehenen Schraube 4. Wird diese Schraube
gedreht, dann verschiebt sich die Bremsscheibe 2 auf der Welle I. Auf diese Weise
läßt sich der Verschiebeweg des Läufers, der durch den Anschlag der Bremsscheibe
am Bremsring 5 begrenzt wird, beliebig einstellen.
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Wird an Stelle einer axial unnachgiebigen Bremse, z. B. einer Kegelbremse
mit hartem Bremsbelag, eine axial nachgiebige Bremse, z. B. eine Kegelbremse mit
gummiunterlegtem Bremsbelag öder eine Lamellenbremse, verwendet, so ist ein Ablöseweg,
z. B. der Weg DZ für den Kurvenzug H-K, zurückzulegen, bis die Bremsberührung aufhört.
Insbesondere im Falle der Verwendung von Lamellenbremsen mit hohem Bremsmoment,
großer Lamellenzahl und daher langem Ablöseweg ist es von ausschlaggebender Bedeutung,
daß die Kurve a im Bereich B und C höher liegt als bei normalen Verschiebeläufermotoren,
weil erst dadurch die besondere Eigenschaft der Lamellenbremse, mit zunehmender
Lamellenzahl ein erhöhtes Bremsmoment zu liefern, voll ausnutzbar wird.