DK156353B - Motor med styret magnetisk fluxtaethed - Google Patents

Description

- 1 -

DK 156353 B

Den foreliggende opfindelse angâr en motor med kontrolleret drej-ningsmoment af den i US-patentskrift 4.063.135 angivne art.

I den nævnte US-patentskrift 4.063.135 beskrives en elektromotor/ som har en betydelig bedre virkningsgrad end de hidtil almindelige. I 5 hovedtrækkene virker motoren ved tilvejebringelse af et System, i hvil-ket den magnetiske fluxtæthed i statoren holdes pâ et xnaksimalt niveau, medens str0mmen i rotoren ogsâ holdes pâ en h0j vserdi under fuld be-lastning. Fluxtætheden i statoren reguleres ved hjælp af en kondensa-tor, som er forbundet i sérié med hovedstatorviklingen, og som har en 10 sâdan værdi, at den deri lagrede spænding i forbindelse med indgangs-spændingen bevirker periodisk overskridelse af statorkernens mætnings-flux med det résultat, at kernen periodisk skifter ikke-lineært fra en umættet til en mættet tilstand og tilbage igen. Kondensatoren virker til begrænsning af den mængde energi, som kan overf0res til rotoren, 15 selv nâr rotoren har meget lav impedans, med det résultat at rotor-str0mmen ogsâ kan holdes pâ en maksimal værdi. Fortrinsvis er en hjælpevikling forbundet i parallel med hovedviklingen og kondensatoren til tilvejebringelse af det njJdvendige drejefelt til igangsætning af en enfasemotor og desuden til tilvejebringelse af et betydeligt st0rre 20 igangsætningsmoment af motoren.

Selv om motoren har vist sig at være yderst tilfredsstillende, har det vist sig, at der kan opnâs endnu h0jere virkningsgrader, hvis der med en vikling frembringes en formagnetisering, som varierer den effek-tive mængde af magnetisk materiale, som er disponibelt for motorens ho-25 vedvikling, i overensstemmelse med netbetingelserne, bêlastningsbetin-gelserne eller andre 0nskede betingelser. Ved variering af den effective mængde magnetisk materiale, som er disponibel, kan statorens magnetiske tab og kobbertab, som udg0r en betydelig og ukontrollerbar del af det samlede tab i en kendt motor, bringes til at variere i afhængig-30 hed af motorbelastningen. Med andre ord, hvis motoren if01ge den foreliggende opfindelse I0ber i tomgang, g0res den effektivt disponible mængde magnetisk materiale meget lille, sâ at statorens magnetiske tab og kobbertab er yderst smâ. Det effektivt disponible magnetiske materiale er imidlertid tilstrækkeligt til frembringelse af forn0den kraft 35 til drift af motoren i tomgang. Nâr motorens belastes, for0ges raængden - 2 -

DK 156353 B

af disponibelt magnetisk materiale sâ meget, at der stadig frerabringes tilstrækkelig energi. Naturligvis for0ges motorens indre tab under den-ne bêlastningsperiode, men kan stadigvæk være mindre end det ville være tilfældet, hvis motoren var under fuld bêlastning. Da tabene bringes 5 til at variere med motorbelastningen, og da en motor sjældent drives under fuld belastning hele tiden, formindskes de gennemsnitlige indre tab betydeligt, og virkningsgraden for0ges. Resultatet er en motor, som er fuldt tilfredsstillende under aile belastningsbetingelser, men som forbruger betydelig mindre elektrisk energi end kendte motorer, som har 10 hovedsagelig samme tab, hvad enten de 10ber i tomgang eller ved fuld belastning.

Reguleringen af den effektivt disponible maangde magnetisk materiale i motoren opnâs if01ge opfindelsen ved at udforme elektromotoren af den i indledningen til krav 1 angivne art sâledes, som det er angivet i 15 kravets kendetegnende del. Herved opnâs, at styreviklingen, nâr den er str0mf0rende, bevirker delvis mætning af statorkernen, hvilket medf0rer formindsket permeabilitet, der vil hâve samme virkning som hvis stator-kernens raagnetiske tværsnitsareal var blevet formindsket.Denne reduk-tion af det magnetiske tværsnitsareal formindsker kernens permeabilitet 20 med det résultat, at spændingen over motoren ligeledes reduceres. Der-ved formindskes ogsâ spændingen over kondensatoren, da str0mmen til en-hver tid mâ være en sâdan, at aile spændinger i kredsl0bet tilsammen bliver nul. For mindskelsen af kondensatorspændingen medf0rer en til-svarende formindskelse af den i kondensatoren oplagrede energi som f01-25 ge af ligningen:

, 2 E = J5CV

hvor E = den oplagrede energi, 30 C = kondensatorens kapacitet, og V = kondensatorens spænding.

Den energi, som nu 10ber i motoren under hver halvperiode, er stærkt formindsket, og motortabene formindskes tilsvarende.

35 . Hvis str0mmen i styreviklingen g0res til en funktion af en motor- - 3 -

DK 156353 B

tilstand, fx. belastningstilstanden, kan motoren bringes til at arbejde ved et meget effektivt punkt for aile belastningsbetingelser. Hvis sâ-ledes motoren ikke er belastet, kan styrestr0mmen g0res h0j med det résultat, at kernens effektive tværsnitsareal er lille, sâ at den cirku-5 lerende energi og de tilsvarende tab ligeledes er smà. Efterhânden som belastningen tiltager, kan styrestr0mmen bringes til at aftage med det résultat, at motorens energiomsætningsevne forages til det forn0dne niveau til drift af den for0gede belastning. Styrestr0mmen kan naturlig-vis g0res afhængig af andre motorbetingelser, som fx. netspænding eller 10 hastighed eller en hvilken som helst 0nsket kombination af motorbetingelser eller andre 0nskede ydre betingelser.

Den foreliggende opfindelse har derfor til formai at tilvejebringe en elektromotor, som arbejder meget effektivt.

Et andet formâl for opfindelsen er at tilvejebringe en elektromo-15 tor, ved hvilken den overf0rte energi og dermed de indre tab bringes til at variere i afhængighed af de til motoren stillede krav.

Opfindelsen er nasrmere forklaret i det f01gende under henvisning til tegningen, pâ hvilken 20 fig. 1 viser et koblingsdiagram for en forenklet udf0relse af motoren if01ge opfindelsen, fig. 2 et koblingsdiagram for en anden udf0relsesform, fig. 3 et koblingsdiagram for en yderligere udf0relsesform, fig. 4 et koblingsdiagram for endnu en udf0relsesform, ved 25 hvilken systemet virker i afhængighed af motorens omdrejningstal, og fig. 5 et koblingsdiagram for en udf0relsesform, ved hvilket systemet virker i afhængighed af ændringer i netstr0mmen.

30

Fig. 1 viser i skematisk form en forenklet udf0relsesform for den foreliggende opfindelse. 10 betegner en vekselstr0minduktionsmotor med kortslutningsrotor. Motoren har en stator 12 af magnetisk materiale og en kortslutningsrotor 14. Statoren er vist udf0rt med fire polben 16, 35 18, 20 og 22, men det ville forstâs, at der ogsâ kan være anbragt flere

DK 156353 B

- 4 - eller færre polben. Det vil ogsâ forstâs, at den viste form af polstyk-kerne kun er skematisk. Der er ikke gjort noget fors0g pâ at gengive den optimale fysiske udformning af motoren·

Motorens statorvikling 24 er viklet pâ polerne 16 og 20 og er for-5 bundet med indgangsklemmer 26 over en seriekondensator 28. Kondensato-ren beh0ver ikke at hâve nogen bestemt værdi, men dens kapacitet mâ være stor nok til opretholdelse af en kapacitiv effektfaktor i serie-forbindelsen af kondensatoren og viklingen 24 under motorens normale drift. Pâ polbenene 18 og 22 er viklet en hjælpevikling 30, som er for-10 bundet i parallel med viklingen 24 og kondensatoren 28. Viklingen 30 har fortrinsvis betydelig st0rre selvinduktion og impedans end viklingen 24. Den kan fx. hâve betydelig flere vindinger af tyndere trâd. Kondensatoren 28 er shuntet med en startkondensator 32 ved hjælp af en centrifugalafbryder 34.

15 Pâ statorkemen er viklet en styrevikling 36, som kan tils luttes til en styrestr0mkilde gennem klemmer 38. Som det vil ses, er styre-viklingen 36 viklet sâledes pâ statorkernen 12, at de af motorviklin-gerne frembragt fluxe udligner hinanden med hensyn til vekselstr0ms-flux, og at der ikke frembringes nogen vekselspænding i styreviklingen 20 36. Det vil forstâs, at anbringelsen af viklingen 36*s spoler som vist i fig. 1 kun er skematisk, og at der i praksis kan anvendes en hvilken som helst egnet viklingsteknik.

Den principielle virkemâde af den i fig. 1 viste motor er beskre-vet i det indledningsvis nævnte US-patentskrift. Nâr der tilf0res vek-25 selspænding til klemmerne 26, begynder kondensatoren 28 at oplades, og der 10ber en str0m gennem viklingen 24. Ligeledes 10ber der str0m gennem viklingen 30, faseforskudt i forhold til den hovedsagelig kapaci-tive str0m i viklingen 24, sâledes at der frembringes et drejefelt, der sætter rotoren 14 i omdrejning. Pâ dette tidspunkt frembringes en væ-30 sentlig del af drivkraften ved hjælp af viklingen 30, eftersom hoved-viklingen 24 og kondensatoren 28 ikke endnu er kommet i deres normale driftstilstand. Efterhânden som rotorens omdrejningshastighed og den reaktive elektromotoriske kraft tiltager, bliver viklingen 24's effek-tive selvinduktion en sâdan, at viklingen 24 sammen med kondensatoren 35 28 kommer i driftstilstand. Med andre ord, fluxen fra viklingen 24 gen-

DK 156353B

- 5 - nem det tilh0rende magnetiske materiale bliver tilstraekkelig stor til at muligg0re drift af apparatet i driftstilstanden, dvs. kondensatoren 28 vil periodisk oplades, aflades og genoplades i modsat retning, hvor-ved det til viklingen 24 h0rende magnetiske materiale skifter fra umæt-5 tet til maettet tilstand under opretholdelse af en temmelig stor gennem-snitlig fluxtæthed.

Viklingen 36 benyttes til regulering af det effektive tværsnits-areal af det til viklingen 24 h0rende magnetiske materiale og dermed til regulering af dette magnetiske materiales permeabilitet. Som det 10 uden videre vil kunne ses, vil der ved indf0ring af en forholdsvis stor jævnstr0m i viklingen 36 gennem klemmerne 38 frembringes en forholdsvis stor magnetisk flux i kernen 12. Denne flux har samme virkning, som hvis mængden af magnetisk materiale i kernen 12 blev fysisk formind-sket, dvs. materialets permeabilitet formindskes ligesom selvinduktio-15 nen af viklingen 24 og mængden af energi, som kan oplagres deri. Fak-tisk kippes kernen 12's hysteresesl0jfe over, og dens areal formindskes med det résultat, at viklingen 24's selvinduktion formindskes. Spændin-gen over kondensatoren 28 indstiller sig automatisk til kompensering af den lavere spænding over den nu formindskede selvinduktion af viklingen 20 24. Dette sker, fordi summen af indgangsspaendingen plus spaandingen over viklingen 24 plus spaandingen over kondensatoren 28 plus spændingsfaldet over den samlede modstand i kredsl0bet mâ være lig nul. F01gelig vil spændingen over kondensatoren ved fald i spaendingen over viklingen 24 aftage tilsvarende for at holde sl0jfesummen pâ nul. Kondensatoren tje-25 ner naturligvis ogsâ til begrænsning af str0mmen og forhindrer en over-brænding af viklingen 24. De lavere spændinger i kondensatoren og in-duktoren betyder, at der 10ber mindre energi gennem systeraet, hvilket resulterer i en lavere str0mstyrke. Som f01ge heraf formindskes stato-rens kobbertab.

30 Den energi som kan overf0res uander drift af motoren med h0j sty- restr0m, er naturligvis fuldt tilstraakkelig til at drive motoren i tom-gang. Tabene i motoren vil være pâ et absolut minimum i denne drifts-tilstand. Nâr motoren skal drive en belastning, kan str0mmen i styre-viklingen 36 formindskes, hvorved det effektive tværsnitsareal af ker-35 nen 12's magnetiske materiale for0ges tillige med permeabiliteten og - 6 -

DK 156353 B

motorens energioverf0ringsevne. De indre tab vil kun optræde i den tid, hvor motorens effektive st0rrelse for0ges til dækning af det forjzigede behov. Motorens gennemsnitstab er âbenbart betydeligt lavere end tabene i en gængs raotor, som mâ udformes med henblik pâ maksimal kapacitet, 5 selv i tomgang, hvorfor den ogsâ har næsten maksimale tab ved dette punkt.

Som det uden videre vil forstas, kan styrestr0mmen tilf0res til klemmerne 38 pâ talrige forskellige mâder. De 0vrige figurer pâ tegnin-gen anskueligg0r forskellige mâder, pâ hvilke dette kan udf0res, selvom 10 det vil forstâs, at mange andre rauligheder ligeledes er tilfredsstil-lende.

Fig. 2 anskueligg0r en af de enkleste og mest effektive mâder til tilvejebringelse af en styrestr0m til viklingen 36. I denne figur er anvendt sammen henvisningsbetegnelser for samme dele som i fig. 1. Pâ 15 statorkernen er der yderligere anbragt en tilbagekoblingsvikling 40 til frembringelse af en spænding, som er proportional med den af raotoren frembragte reaktive elektromotoriske kraft. Tilbagekoblingsviklingen 40 er forbundet med styreviklingen 36 ved hjaelp af en diode 42, og hele dette kredsl0b er forbundet mellem klemskruerne 26 ved hjælp af en af-20 bryder 44, som er koblet med centrifugalafbryderen 34. Afbryderen 44 er ikke n0dvendig, men kan være gavnlig ved at udskyde virkningen af sty-rekredsl0bet, indtil motoren er kommet op i omdrejningstal efter igang-sætningen. Af denne grund er afbryderen 44 vist i âben stilling, medens afbryderen 34 er vist i lukket stilling. Nâr f0rst motoren er kommet op 25 i omdrejningstal vil afbryderen 34 naturligvis âbnes og afbryderen 44 sluttes.

Antages det, at raotoren 10ber med foreskrevet omdrejningstal i tomgang, vil den i viklingen 40 frembragte spænding overstige indgangs-netspændingen, hvorfor der ved hver anden halvperiode vil I0be en jævn-30 str0m i styreviklingen 36, sâ at der frembringes en magnetisk jævn-str0msflux i statorkernen. Som ovenfor nævnt, vil denne styreflux med-f0re en formindskelse af kernens permeabilitet og en tilsvarende for-mindskelse af motorens indre tab. Antages det nu, at motoren belastes delvis, vil den hâve tendens til at gâ ned i omdrejningstal, hvorved 35 den reaktive elektromotoriske kraft formindskes. Dette bevirker, at der - 7 -

DK 156353 B

induceres en lavere spænding i viklingen 40, sâ at str0mmen gennera di-oden 42 og viklingen 36 aftager. Den resulterende formindskelse af sty-reflux i statorkernen vil frigive mere af kernematerialet til brug for motorens hovedkredsl0b, kernens permeabilitet stiger, og den af motoren 5 overf0rte energi tiltager, sâledes at belastningen drives ved det 0n-skede oindrejningstal. Efterhânden soin belastningen for0ges til fuld be-lastning, vil styrestr0mmen aftage til nul, sâ at ait det magnetiske materiale i statorkernen er disponibelt til brug for motorens hoved-kredsl0b.

10 Som. f01ge af den store forskelligartethed af motorst0rrelser og motorkonstruktioner kan der ikke angives nogle specielle paramétré for det i fig. 2 viste styrekredsl0b. Imidlertid b0r antallet af vindinger i styreviklingen for en given motor almindeligvis være et sâdant, at der fremkoramer en stabil tilbagekoblingsdrift uden svingningstilstande, 15 sâledes som det uden videre vil forstâs.

Fig. 3 viser en udf0relsesform, ved hvilken der anvendes en ens-retterbro, sâ at der f0res en udglattet jævnstr0m gennera styreviklingen 36. I denne figur er anvendt samme henvisningsbetegnelser for samme de-le som i fig. 1 og 2. Mellem indgangsklemmerne 26 er forbundet en ens-20 retterbro 46, der frembringer en spænding, som er modsat den spænding, som frembringes af en ensretterbro, der er koblet rrted udgangen fra til-bagekoblingsviklingen 40, og som omfatter dioder 48 og 50 samt et mid-terudtag 52. Om 0nskes, kan der ogsâ anvendes filterkondensatorer 54 og 56. Der er anbragt modstande 58 og 60 for at g0re ensretterbroerne le-25 dende, Hvis den i viklingen 40 inducerede spænding er lig med indgangs-spændingen, vil det ses, at der ikke 10ber nogen str0m i styreviklingen 36. Hvis imidlertid disse to spændinger ikke er i balance, vil der 10be en str0m i styreviklingen 36, sâledes at der frembringes en styreflux i statorkernen. Dette styresystem bevirker, at den i tilbagekoblingsvik-30 lingen inducerede spænding holdes lig med indgangsspændingen, uanset netspændingen eller belastningsændringer. Hvis derfor denne motor er udformet til opnâelse af denne balance ved fuld belastning, vil enhver afvigelse enten af nettilstanden eller belastningstilstanden bevirke, at der 10ber en styrestr0m i styreviklingen 36, sâ at systemet bringes 35 tilbage til balance. Hvis fx. belastningen fjernes fra motoren, vil ro- - 8 -

DK 156353 B

toren 10be hurtigere og derved forage tilbagekoblingsspændingen. Der 10ber sâ en str0m i styreviklingen, hvorved statorkernens perraeabilitet formindskes tillige med den af systemet overf0rte energi, sâledes at de indre tab formindskes pâ den ovenfor beskrevne mâde. Om 0nskes, kan det 5 i fig. 3 viste kredsl0b være forsynet med en diode 42 som den i fig. 2 viste. Hvis dioden er polet i retning af str0mmens for10b fra viklingen 40 til ensretterbroen 46, vil styrekredsl0bet reagere pâ ændringer i belastningen pâ samme mâde som beskrevet under henvisning til fig. 2.

Hvis dioden pôles i den modsatte retning, vil styrekredsl0bet reagere 10 pâ ændringer i netspændingen.

Fig. 4 viser en udf0relsesform for opfindelsen, hvor der tilf0res str0m til styreviklingen 36 ved hjælp af en styrestr0msgenerator 62, som drives af en aksel, der pâ sin side drives af rotoren 14. Systemet reagerer sâledes pâ motorens omdrejningstal, idet styrestr0mgeneratoren 15 62 er udformet til frembringelse af en str0m, som aftager med formind- skelse af motorens omdrejningstal.

Fig. 5 viser en modifikation, der reagerer pâ ændringer i net-str0mmen. I denne udf0relsesform er styreviklingen 36 forbundet i sérié med hjælpeviklingen 30. En anden styrevikling 66, som er polet i modsat 20 retning af viklingen 36 er forbundet mellem indgangsklemmerne 26 i sérié med en str0mbegrænsningsmodstand 68. Str0mmen gennem viklingen 66 frembringer en f0rste fluxkomposant i statorkernen, medens str0mmen gennem viklingen 36 frembringer en modsat rettet anden fluxkomposant. Viklingerne er sâledes valgt, at den af viklingen 36 frembragte flux-25 komposant er den overvejende ved tomgang, og at der optræder en hoved-sagelig jævnstr0msagtig styreflux i statorkernen, sâ at kernens permea-bilitet er lav. Efterhânden som motoren belastes og begynder at falde i omdrejningstal, optager hjælpeviklingen 30 mere str0m, sâ at den af viklingen 36 frembragte fluxkomposant tiltager og den samlede styreflux 30 i kernen aftager, hvorved der kan overf0res mere energi. Nâr motor-belastningen kommer pâ pâ sin fastsatte værdi, kan de af viklingerne 36 og 66 frembragte fluxkomposanter blive lige store, sâledes at motoren opnâr sin maksimale energioverf0ringstilstand.

Det vil forstâs af den ovenstâende beskrivelse, at der kan anven-35 des en hvilken som helst 0nsket mâde til afledning af styrestr0mmen fra - 9 -

DK 156353 B

en hvilken som helst 0nsket kilde i forbindelse med den foreliggende opfindelse. Selvom. der er beskrevet en énfaseraotor, vil det forstâs, at den foreliggende opfindelse lige sa vel kan benyttes i forbindelse med trefase- eller flerfasemotorer. Det vil ligeledes forstâs, at, selvom 5 opfindelsen er beskrevet i forbindelse med en induktionsmotor med kort-slutningsrotor, er den ikke begraanset dertil. Det vil endvidere for-stâs, at styrestr^mmen ikke beh0ver at være jævnstr0m, men ogsâ kan vaere vekselstr0m eller kan vaare pulserende med modulation osv. De viste og beskrevne kredsl0b er sâledes kun eksempler og begrænser pâ ingen 10 mâde opfindelsens omfang.

Claims (6)

1. Elektromotor med en stator (12) af magnetisk materiale og med et antal poler (16/ 18, 20, 22), en rotor (14), en pâ statoren viklet ho-vedstatorvikling (24), sorti i sérié med en kondensator (28) er forbundet med en indgang (26) til tilslutning til en vekselspændingskilde, og 5 med mindst ên pâ statoren viklet fluxstyrevikling (36), kende-t e g n e t ved, at styreviklingen (36) frembringer en styreflux i de samme fluxveje som hovedviklingen, og at den er tilsluttet en styre-str0mkilde (38, 40, 62), hvis udgangsst0rrelse er afhaengig af en given driftstilstand af motoren.

2. Elektromotor if01ge krav 1, kendetegnet ved, at str0m- kilden (38, 40, 62), til hvilken fluxstyreviklingen er koblet, udg0res af en spændingsgenerator, som er indrettet til frembringelse af en spænding, som er proportional med motorens reaktive elektromotoriske kraft.

3. Elektromotor if01ge krav 2, kendetegnet ved, at spæn- dingsgeneratoren omfatter en pâ statoren viklet tilbagekoblingsvikling (40).

4. Elektromotor if01ge krav 3, kendetegnet ved, at der mellem fluxstyreviklingen (36) og tilbagekoblingsviklingen (40) er ind- 20 skudt en ensretter (42).

5. Elektromotor if01ge krav 1, kendetegnet ved, at den med fluxstyreviklingen (36) forbundne styrestr^mkilde omfatter en i afhæn-gighed af motorens omdrejningstal virkende str0mgenerator.

6. Elektromotor if01ge ethvert af kravene 1 - 5, kendeteg-25 net ved, at der pâ statoren (12) er viklet en yderligere fluxstyre- vikling (66) til frembringelse af en fluxstyrekomposant i modsat ret-ning af den ved den f0rste styrevikling. (36) frembragte. 30