NO163588B - Flerfaset elektrisk maskin med regulert magnetisk flukstetthet. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår flerfasede elektriske maskiner, både motorer og generatorer. Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet under henvisning til motorer, særlig trefasemotorer, men oppfinnelsen er på ingen måte begrenset til sådanne utførelser.

Eksisterende induksjonsmotorer, slik som kortslutningsmoto-rer, har tallrike begrensninger. Når de er kraftig belastet, trekker de f.eks. uforholdsmessig meget strøm etter hvert som rotorhastigheten avtar, og disse strømmer kan føre til at motoren brenner ut hvis ikke den er beskyttet av ekstrautstyr. Sådanne motorer må ha et høyt forhold mellom løsrivningsmo-mentet og dreiemomentet i vanlig drift for å hindre motor-skade i tilfelle overbelastning, og som en følge av dette må flukstettheten under vanlig drift holdes på verdier som ikke er optimale. Sådan forholdsvis lav flukstetthet under normal drift er også nødvendig på grunn av mulige variasjoner i inn-gangs spenningen. På grunn av at flukstettheten må holdes relativ lav, må motorens størrelse i praksis gjøres vesentlig større enn det ellers ville være teoretisk nødvendig for en ideell motor for å oppnå ønsket utgangseffekt. Videre vil tilgjengelig utgangseffekt fra sådanne motorer være i vesentlig grad avhengig av nettspenningen samt i en viss grad nettfrekvensen. Et annet problem som foreligger ved vanlige induksjonsmotorer er de høye startstrømmer som er knyttet til sådan motordrift. Dette får også flukstettheten til å være høyere ved lave belastninger enn det som faktisk er nødvendig for effektiv drift ved sådanne belastninger. Ved motorer av enhver størrelse må således vanligvis enten ytre strømbegren-sende anordninger anvendes eller spesielle og kostnadskre-vende rotorkonstruksjoner benyttes. Disse problemer foreligger både ved enfase- og trefasemotorer.

Videre er det et kjent og vanskelig løsbart problem å konstruere en motor slik at den kan drives effektivt over hele sitt normale belastningsområde, ha høy effektfaktor og samtidig høyt startmoment og kippmoment når dette er påkrevet for spesielle anvendelser.

Det er da et formål for foreliggende oppfinnelse å overvinne eller nedsette de ovenfor angitte ulemper ved elektriske flerfasemaskiner. Oppfinnelsen gjelder således en elektrisk flerfasemaskin som omfatter en stator med en kjerne av magnetisk material og forsynt med viklingsspor, en rotor, en flerfaset hovedstatorvikling med en viklingsseksjon for hver fase viklet i viklingssporene på kjernen omkring det magnetiske material, samt koblet i serie med hver sin kondensator, hvor disse seriekretser er forbundet med inngangsklemmer innrettet for å kobles til en kilde for flerfaset veksel-strøm, og også en flerfaset reguleringsvikling med en viklingsseksjon for hver fase er oppviklet på nevnte kjerne omkring det magnetiske material samt forbundet med nevnte inngangsklemmer, idet reguleringsviklingens faseviklingsseksjoner er parallellkoblet med nevnte seriekoblinger av en faseviklingsseksjon av hovedviklingen og den tilhørende kondensator.

På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk fra US patent 4.152.630 har så denne flerfasemaskin som særtrekk i henhold til oppfinnelsen at viklingsseksjoner for innbyrdes forskjellig fase av henholdsvis hovedviklingen og reguleringsviklingen er anordnet radialt i flukt med hverandre og med innbyrdes induktiv kobling i statorens viklingsspor, samt har en sådan viklingsretning og dimensjonering i forhold til den seriekoblede kondensator at strømmen i de radialt inntilliggende viklingsseksjoner i samme viklingsspor hovedsakelig flyter i motsatt retning ved lav belastning av maskinen, men i tiltagende grad i samme retning når belastningen øker.

Ved en slik utførelse opprettholdes den magnetiske flukstetthet i statoren på optimalt nivå ved de fastlagte belastningsforhold. I tillegg tillater en sådan utførelse også at rotorstrømmen holdes på en optimal verdi ved vedkommende belastningsforhold i forhold til de verdier som foreligger ved konvensjonelle elektriske motorer av induksjonstype. Da den kraft som utøves av en leder er bestemt ved ligningen:

F = Bli

hvor F = kraft

hvor B = flukstetthet

hvor 1 = lederens lengde

hvor I = strømmen i lederen,

vil det innses at optimalisering av faktoren B og I for en gitt 1 vil gi optimal kraft og følgelig også dreiemoment og utgangseffekt for en motor når en gitt mengde magnetisk material foreligger.

I henhold til foreliggende oppfinnelse optimaliseres således flukstettheten i en flerfasemaskin ved regulering av flukstettheten i statorkjernen.

Reguleringsviklingene og hovedviklingene er viklet slik at den samlede magnetfluks fra hoved- og reguleringsviklinger som ligger hovedsakelig radialt inntil hverandre er lav ved lav belastning, men øker med tiltagende belastning etterhvert som den fluks som frembringes av de respektive viklinger adderes til hverandre.

Kondensatorene har en sådan verdi at spenningen over disse i kombinasjon med inngangsspenningen er slik at den maksimale voltsekund-verdi for statorkjernen periodisk overskrides, med den følge at kjernen periodisk og ikke-lineært vil gå over fra en tilstand med høy flukstetthet til en tilstand med lav flukstetthet og tilbake igjen. Den midlere flukstetthet i statorkjernen holdes således ganske høyt uten fare for at høye inngangsspenninger skal føre til uforholdsmessige høye inngangsstrømmer. Kondensatorene begrenser den energimengde som kan overføres til rotoren selv om rotoren har en meget lav impedans, således at også rotorstrømmen kan optimaliseres. Rotorimpedansen kan gjøres lavere enn i en vanlig motor og den strøm som induseres ved motorens O-hastighet kan bringes nærmere den optimale verdi enn det vanligvis er tilfelle. Likevel vil denne strøm ha korrekt verdi ved normale driftshastigheter og belastninger for motoren. Motoren i henhold til foreliggende oppfinnelse kan således i langt sterkere, grad enn konvensjonelle motorer optimaliseres for et stort antall anvendelser eller for hvilken som helst gitt anvendelse.

Ved å anvende kondensatorer i serie med hovedstatorviklingen og drift av motorens magnetiseringskretser i myk metning på grunn av kondensatorenes begrensende virkning på den totale energioverføring, vil i foretrukkede utførelsesformer det oppnådde resultat være en motor som kan drives ved optimali-sert flukstetthet under de fleste nettspenningsforhold uten at dette fører til uforholdsmessig høye inngangsstrømmer ved høye inngangsspenninger. Inngangsstrømmen og flukstettheten i maskinen vil med andre ord ikke være en sterk ikke-lineær funksjon av nettspenningen, slik det for nærværende er tilfelle ved konvensjonelle induksjonsmotorer og andre veksel-strømsmotorer. Foreliggende oppfinnelse utnytter de forhold at motorviklingens induktanser bare kan absorbere en viss mengde energi før motorstatorens magnetiske material går i metning og kondensatorene utlades. Når motorens magnetiske material mettes, vil kondensatorene utlades gjennom motorvik-lingen og fordelingsnettet, således at kondensatorene kan lades opp med motsatt polaritet. Strømmen gjennom viklingene vil da gå i motsatt retning, og kondensatorene vil utgjøre en energikilde og opprettholde strømmen gjennom viklingene. Dette fortsetter inntil inngangsspenningens polaritet forandres.. Voltsekund-verdien for inngangsspenningen fra nettet kommer da i tillegg til den voltsekund-verdi som er påtrykket hovedviklingene av kondensatorene. Dette går videre inntil den totale voltsekund-verdi som påtrykkes hovedviklingene overskrider den maksimale voltsekund-verdi for motorstatorens viklinger og magnetiske material, og motorens magnetiske material vil da atter gå i metning. Kondensatorene vil da utlades gjennom motorviklingene da disse er mettet, og fordelingsnettet vil så på nytt lade opp kondensatorene med motsatt polaritet. Strømmen vil så atter skifte retning gjennom hovedviklingene og kondensatorene vil på nytt utgjøre en kilde for denne strøm. Dette fortsetter inntil nettspenningen på nytt forandrer polaritet. Etter hvert som nettspenningens amplityde fortsetter å øke vil linjespenningens voltsekund-verdi og den tilsvarende verdi for kondensatorene atter være i fase og adderes inntil den maksimale voltsekund-verdi for hovedviklingene og det til-hørende magnetiske material overskrides. Viklingens magnetiske material mettes på nytt og hovedviklingens induktans avtar derved betraktelig, hvilket atter får kondensatorene til å utlades gjennom denne vikling. Denne prosess gjentas hver halvperiode og fører til at motoren drives med maksimal flukstetthet og således maksimal trekkraft, dreiemoment og utgangseffekt.

I henhold til foreliggende oppfinnelse blir det mulig å oppnå optimal flukstetthet, og da spenningen over hver kondensator vanligvis er høyere (skjønt ikke nødvendigvis) enn nettspenningen, vil flukstettheten i statorkjernen være forholdsvis uavhengig av nettspenningen over forholdsvis store amplityde-områder. Videre hindrer hver kondensator uforholdsmessige høye strømmer fra å passere gjennom motorviklingene når det magnetiske material går i metning, da bare energien i kondensatoren, nemlig 1/2CV^, kan overføres gjennom vedkommende vikling. Denne begrensede energioverføring, som bestemmes av kondensatorens kapasitetsverdi (farad) samt spenningen over kondensatoren (1/2CV<2>) hindrer strømrusning fra nettet gjennom hovedviklingen.

Resultatet av dette er en vekselstrøms-motor som kan arbeide over store områder av inngangsspenning og drives med høy virkningsgrad samt utmerkede driftsegenskaper. Da kondensatorene begrenser den energimengde som overføres gjennom hovedviklingen for hver halvperiode, nedsettes i høy grad mulighetene for utbrenning av motoren, hvilket i visse utførelser normalt ikke er mulig i det hele tatt. Når det gjelder overbelastning av motoren, er alt som vil hende at motoren vil stanse og inngangseffekten blir sterkt nedsatt. Dette er tilfelle på grunn av at seriekondensatorene vil være påtrykket en meget lavere spenning enn normalt, da motoren ikke arbeider i regulert fase og energinivået 1/2CV<2>er sterkt redusert.

I en trefasemotor er de reguleringsutviklinger som er anordnet på statorkjernen koblet i parallell med hver av de tre hovedviklinger og kondensatorer, og motoren kan da opp-vise betraktelig høyere startmoment. Reguleringsviklingene har større impedans enn hovedviklingene, og strømmen gjennom reguleringsviklingene vil da være relativt lav sammenlignet med f.eks. hovedviklingene i en induksjonsmotor.

Reguleringsviklingene tjener videre til å begrense inngangs-strømmen, på grunn av at disse viklinger etter hvert som inngangsspenningen økes eller motorhastigheten tiltar begynner å virke som generatorviklinger på grunn av at den motsatt rettede induserte elektromotoriske kraft i viklingene overskrider inngangsspenningen og vil frembringe en strøm som motvirker noe av den strøm som hovedviklingene trekker. Dette er naturligvis gjort mulig ved at hovedviklingene er den primære kraftkilde for motoren.

Radialt inntilliggende viklinger befinner seg i innbyrdes magnetisk kobling. I en trefasemotor vil strømmen i den tilstøtende reguleringsvikling ligge faseforskjøvet foran strømmen i den tilsvarende hovedvikling under tomgang, men vil være hovedsakelig i fase. Ved økende belastning vil imidlertid strømmen i reguleringsviklingen komme ut av fase og etter hvert ligge bortimot den maksimale verdi på 180° foran hovedviklingsstrømmen.

Med hovedviklingene og de tilsvarende reguleringsviklinger påført med motsatt viklingsretning, vil ved lav belastning den totale resulterende flukstetthet være lav, mens flukstettheten vil tilta med økende belastning etter hvert som vektorretningen av strømmen i den tilsvarende reguleringsvikling forandres.

Hovedviklingene og reguleringsviklingene vil hver danne minst to magnetiske poler, idet hovedviklingspolene magnetisk overlapper midten av reguleringsviklingspolene, og omvendt.

Ved en annen foretrukket form i henhold til oppfinnelsen vil midten av reguleringsviklingenes poler være anbragt hovedsakelig mellom hovedviklingenes poler, hvorved motorens startmoment og kippmoment øker. I dette tilfelle vil den elektriske vektorfremstilling av strømmene i innbyrdes tilsvarende hoved- og reguleringsviklinger forbli hovedsakelig uforandret. Den geometriske og magnetiske forandring gir en høy grad av symmetri. I visse tilfeller tillater den mekaniske utforming av gapene bare delvis oppnåelse av denne fysiske og følgelig også magnetiske plassering.

I enda en foretrukket form av oppfinnelsesgjenstanden er reguleringsviklingen påført radialt på utsiden av hovedviklingen, således at mellomrommet mellom hovedviklingen og rotoren nedsetter lekkasjereaktansen for hovedviklingen til et minimum.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser et skjematisk diagram av en foretrukket utførelse av en enfasemotor som anskueliggjør visse særtrekk i henhold til foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 er et skjematisk diagram av en første utførelse av en flerfasemotor i henhold til foreliggende oppfinnelse. Fig. 3 er et skjematisk diagram av en annen utførelse av en flerfasemotor i henhold til oppfinnelsen. Fig. 4 viser skjematisk en tredje utførelse av en flerfasemotor i henhold til foreliggende oppfinnelse. Fig. 5 viser skjematisk en fjerde utførelse av en flerfasemotor i henhold til oppfinnelsen. Fig. 6 viser den konstruktive oppbygning av en flerfasemotor i henhold til oppfinnelsen. Fig. 7 viser i lineær fremstilling de forskjellige spoler i viklingene for en flerfasemotor i henhold til foreliggende oppfinnelse. Fig. 8 er et vektordiagram av strøm og spenning i innbyrdes inntilliggende hoved- og reguleringsviklinger. Fig. 9 viser skjematisk en femte utførelse av en flerfasemotor i henhold til foreliggende oppfinnelse. Fig. 1 viser skjematisk en enfasemotor som har noen av de samme trekk som den foretrukkede utførelse av flerfasemas-kinen i henhold til foreliggende oppfinnelse. Denne motor skal beskrives for å lette forståelsen av foreliggende oppfinnelse. En induksjonsmotor av kortslutningstype er i sin helhet angitt ved 10 og er skjematisk vist å ha en stator 12 av magnetisk material samt en burrotor 14. Statoren er vist med fire polstykker 16, 18, 20 og 22 skjønt flere eller færre polstykker kan anvendes hvis så ønskes. Den viste utforming av polstykkene er bare skjematisk angitt. Hovedstatorviklingen 24 er vist oppviklet på polene 16 og 20 og er koblet til inngangsklemmene 26 ved hjelp av en seriekonden-sator 28. Denne kondensator 28 behøver ikke å ha noen spe-siell verdi, men den må ha en tilstrekkelig stor kapasitans til å opprettholde en kapasitiv effektfaktor i den seriekrets som omfatter denne kondensator og viklingen 24 i motorens normale arbeidsmodus. En ekstra vikling 30 er viklet på polstykkene 18 og 22 og er koblet parallelt med viklingen 24 og kondensatoren 28. Viklingen 30 har fortrinnsvis høyere induktans og impedans enn viklingen 24. Den kan f.eks. ha flere vinninger av tynnere tråd. En startkondensator 32 er koblet over kondensatoren 28 av en sentrifugalbryter 34.

Arbeidsfunksjonen for den motor som er vist i fig. 1 er da som beskrevet ovenfor. Når en vekselspenning påtrykkes klemmene 26 begynner således kondensatoren 28 å lades og en strøm flyter gjennom viklingen 24. En strøm flyter også gjennom viklingen 30, og denne strøm er ute av fase med den primære kapasitive strøm gjennom viklingen 24 med den følge at et roterende felt opprettes som får rotoren 24 til å begynne å rotere. Ved dette tidspunkt frembringes en betraktelig drivkraft av viklingen 30, idet hovedviklingen 24 og kondensatoren 28 ennå ikke har kommet inn i sin normale arbeidsmodus. Etter hvert som rotorhastigheten og den motsatte rettede elektromotoriske kraft øker vil den effektive induktans av viklingen 24 anta en sådan verdi at denne vikling 24 sammen med kondensatoren 28 går inn i sin arbeidsmodus. Den effektive voltsekundverdi for viklingen 24 og dens tilordnede magnetiske material blir med andre ord tilstrekkelig stor til å tillate drift av anordningen på den måte som er beskrevet tidligere, hvilket vil si at kondensatoren 28 periodisk opplades, utlades og gjenopplades i motsatt retning på en sådan måte at det magnetiske material som er tilordnet viklingen 28 veksler mellom en ikke-mettet og en mettet tilstand mens den midlere flukstetthet holdes på en ganske høy verdi.

Etter hvert som rotoren nærmer seg nominell omdreiningshas-tighet, vil strømmen i ekstraviklingen 30 bli mindre og mindre. Fortrinnsvis er denne vikling utført for å føre minimal strøm ved nominell hastighet og belastning og normal inngangsspenning. I det tilfellet belastningen skulle øke eller hastigheten avta av andre grunner, vil viklingen 30 trekke mer strøm og atter bidra til motorens drivkraft. Dette er et meget ønskelig trekk da det gir ekstra dreiemoment i overbelastningsperioder, som i fravær av viklingen 30 kunne bringe kondensatoren 28 og viklingen 24 ut av arbeidsmodus, således at motoren ville stanse.

Skjønt kondensatoren 32 ikke er nødvendig, vil den være nyttig idet den øker startmomentet ved innledningsvis å tillate mer strøm å flyte gjennom hovedviklingen 24. Etter at motoren har nådd forut fastlagt hastighet, åpner sentrifu-galbryteren 24 og kobler derved kondensatoren 32 ut av kretsen.

I henhold til foreliggende oppfinnelse, som gjelder en trefase- eller annen flerfasemotor, er en kondensator anordnet for hver fase. Fig. 2 - 5 og fig. 9 viser skjematisk forskjellige utførelser av trefasemotorer i henhold til foreliggende oppfinnelse. I hver av fig. 2 - 5 og 9 er de tre spoler som utgjør hovedstatorviklingen betegnet med henholdsvis 24a, 24b og 24c, mens de tre kondensatorer som er koblet i serie med disse spoler henholdsvis er betegnet med 28a, 28b og 28c. Ved sådanne flerfasemotorer er ingen startvikling nødvendig, men anvendelse av en ekstravikling er likevel nyttig av de grunner som er angitt tidligere. I henhold til foreliggende oppfinnelse gjør ekstraviklingen tjeneste som en reguleringsvikling av de grunner som er angitt og vil således i den følgende beskrivelse fortrinnsvis gå under betegnelsen reguleringsvikling. Fig. 2, 3, 4, 5 og 9 viser sådanne reguleringsviklinger, nemlig en vikling for hver fase, idet disse viklinger henholdsvis er betegnet som 30a, 30b og 30c. I hver figur er viklingene vist koblet til tilhørende inngangsklemmer A, B og C, som tilsvarer inngangsklemmene 26 i fig. 1, bortsett fra at de naturligvis er anordnet for å kobles til en kilde for trefasespenning i stedet for en enfasespenning. I fig. 2, 3, 4 og 9 er klemmen D midtpunktet av de stjernekoblede hovedviklinger.

Det antas at det ikke vil være nødvendig med noen omfattende omtale av de utførelser som er vist i fig. 2 - 5 og 9, da driftsegenskapene, konstruksjonen og arbeidsmodus for de viste motorutførelser vil være åpenbart for fagfolk på området i betraktning av den foregående beskrivelse av enfaseutførelsen av motoren i henhold til foreliggende oppfinnelse. Kort fortalt viser fig. 2 en trefasemotor hvori både hovedviklingene og reguleringsviklingene er anordnet i stjernekobling. Fig. 3 viser hovedstatorspolene 24a, 24b og 24c anordnet i trekantkobling med reguleringsspolene 30a, 30b og 30c koblet i stjernekobling. Fig. 4 viser hovedstatorspolene anordnet i stjernekobling mens reguleringsviklingene er koblet i trekantkobling. Fig. 5 viser begge viklingstyper anordnet i trekantkobling, og fig. 9 viser hovedviklingene med et felles midtpunkt D, mens reguleringsviklingene har et annet felles midtpunkt D'. Dette arrangement tillater jevnere regulering eller styring enn den utførelse som er vist i fig. 2 under forhold som innebærer raskt varierende belastningsbetingelser.

Fig. 6 viser den innbyrdes plassering av tolv spolegrupper som tilsammen utgjør de tre faser av en motor, idet hver fase har fire spolegrupper i innbyrdes avstand, således at det opprettes en firpolet motor. Spolegruppene og polene for hovedviklingen er i dreieretning med urviseren betegnet med henvisningstallene 1, 8A og 3 (som representerer fasene A, B og C for den første magnetpol), 4, 2 og 6 (som representerer fasene A, B og C for den annen magnetpol), 7, 5 og 9 (som representerer fasene A, B og C for den tredje magnetpol), samt 7A, 8 og 9A (som representerer fasene A, B og C for den fjerde magnetpol).

Anordnet radialt utenfor hovedviklingene er det anbragt reguleringsviklinger som danner magnetpoler som i magnetisk fase ligger foran hovedviklingspolene med hovedsakelig 90°. Rekkefølgen av polene er slik at de roterende magnetfelter som opprettes av henholdsvis hovedviklingene og reguleringsviklingene har samme dreieretning. Den magnetiske faseledelse på 90° tilsvarer omtrent 45° fysisk forskyvning og virkningen av den magnetiske faseledelse kan anskueliggjøres ved å lese viklingene i retning mot urviseren, slik som angitt ved pilen 50. Spolegruppene og polene for reguleringsviklingene er fysisk sett angitt i retning med urviseren ved henvisningstallene 8A, 3' og 4' (som angir fasene A, B og C for en første magnetpol), 2', 6' og 7' (som angir en annen magnetpol), 5', 9' og 7A (som angir en tredje magnetpol), samt 8', 9A" og 1' (som angir en fjerde magnetpol). Henvisningstallene for hoved- og reguleringsviklingene henviser til ledningene fra de spolegrupper som utgjor en del av hver vikling, idet det er fire spolegrupper for hver vikling i hver fase. Dette vil klarere fremgå av fig. 2 og 5 som angir de elektriske forbindelser for de fire spolegrupper som utgjør hver fasevikling.

Fig. 6 viser plasseringen av de forskjellige spolegruppene rundt statorens omkrets. Bare sammenkoblingen av de fire spolegrupper som utgjør fase A av hovedviklingen og fase A' av reguleringsviklingen er vist. De ledninger som forbinder spolene i fase B og C av hovedviklingen og B<1>og C av reguleringsviklingen er for oversiktens skyld ikke blitt opptegnet, men det vil fremgå klart for fagfolk på området hvorledes disse viklinger skal sammenkobles, etter mønster av sammenkoblingene i fase A og A', som nå vil bli beskrevet.

Spolegruppene i fase A, som utgjør hovedviklingen mellom

ledningene 1 og 7A, begynner med spolegruppen 100 som over en ledningsforbindelse 101 er koblet til spolegruppen 102, som i sin tur over ledningen 103 er forbundet med spolegruppen 104, som i sin tur ved hjelp av ledningsforbindelsen 105 er koblet til spolegruppen 106, som har den fri ledning 7A. Hver av

spolegruppene i dette utførelseseksempel har tre spoler, og det vil innses at nabospolegrupper 100, 102, 104 og 106

avvekslende er viklet i motsatt retning for å danne poler med motsatt polaritet. Hver av de tre spoler i hver spolegruppe er imidlertid viklet i samme retning. Piler 107, 108, 109 og 110 angir vikleretningen for hver spolegruppe. Ledningen 101 forbinder spolegruppene 100 og 102 ved sine utløpsender 111 og 112, ledningen 103 forbinder spolegruppen 102 og 104 ved sine innløpsender 113 og 114, og ledningen 105 forbinder spolegruppene 104 og 106 ved sine utløpsender 115 og 116. Ledningene 1 og 7A forlater spolegruppene 100 og 106 ved innløpsendene 117 og 118.

Reguleringsviklingen for spolegruppene i fase A' er på lignende måte koblet mellom.ledningene 8A' og 2'. Med utgangspunkt fra spolegruppene 119 danner ledningen 120 forbindelse med spolegruppen 121, ledningen 122 forbinder spolegruppen 121 med gruppen 123, mens ledningen 124 forbinder spolegruppen 123 med spolegruppen 125. Avvekslende motsatte poler følger etter hverandre, slik som angitt ved pilene 126, 127, 128 og 129, og en lignende forbindelse mellom utløpsender og innløpsender av spolegruppene som beskrevet ovenfor under henvisning til fase A av hovedviklingene, foreligger også når det gjelder reguleringsviklingene. Ledning 120 forbinder utløpsenden 130 av spolegruppen 119 med utløpsenden 131 av spolegruppen 121, ledningen 122 forbinder innløpsenden 132 av spolegruppen 121 med innløpsen-den 133 av spolegruppen 123, mens ledningen 124 forbinder utløpsenden 134 av spolegruppen 123 med utløpsenden 135 av spolegruppen 125. Ledninger 8A' og 2' leder ut fra spolegruppene 119 og 125 fra disse spolers innløpsender, henholdsvis 137 og 136.

På lignende måte er fase B fastlagt mellom ledningene 8A og 8 over de respektive spolegrupper med ledninger som sammenkobler de to øvrige spolegrupper i fase B på lignende måte. Fase B' i reguleringsviklingen ligger mellom ledningene 9A' og 3' over de tilsvarende spolegrupper med ledninger som sammenkobler de andre to spolegrupper i fase B' på lignende måte. Fase C ligger mellom ledningene 3 og 9A over de tilsvarende spolegrupper med ledninger som sammenkobler de øvrige to spolegrupper i fase C på lignende måte. Fase C ligger mellom ledningene 4' og 1' over de tilsvarende spolegrupper, med ledninger som sammenkobler de øvrige to spolegrupper i fase C på lignende måte. Ut fra beskrivelsen av sammenkoblingen av spolegruppene i fasene A og A', vil det være åpenbart for fagfolk på området hvorledes de forskjellige spolegrupper i fasene B, B<1>, C og C er sammenkoblet. I fig. 6 og 7 er de magnetiske polene angitt ved stiplede linjer 32a, 32b, 32c og 32d for hovedviklingene og 34a, 34b, 34c og 34d for reguleringsviklingene. Fig. 7 viser i lineær fremstilling forholdet mellom de forskjellige magnetpoler og de spoler som danner disse poler. Pilen 52 angir betrakt- ningsretningen for polene. Midten av hver pol i hovedviklingen går gjennom fase B, mens midten av reguleringsviklingens poler går gjennom viklingen B'. Mellom fasene C og A, henholdsvis C og A', ligger endene av hver av polene.

Motorens rotor er angitt ved henvisningstallet 14, og det vil innses at statorens hovedviklinger ligger nærmest rotoren 14. Virkningen av dette er at hovedviklingens lekkasjereaktans nedsettes således at tapene reduseres. I det tilfelle reguleringsviklingen var anbragt nærmest rotoren, ville det foreligge høyere lekkasjereaktans og eventuelt lavere virkningsgrad, men startmomentet og kippmomentet ville være høyere.

Reguleringsviklingenes spoler er viklet i motsatt retning i forhold til hovedviklingen, således at de magnetiske felt som frembringes av den hovedvikling og reguleringsvikling som er anordnet radialt i flukt med hverandre vil være motsatt rettet ved O-belastning eller lav belastning og den samlede magnetfluks er således nedsatt til et minimum i dette tilfelle. Etter hvert som belastningen øker vil strømmen i reguleringsviklingen ligge enda mer faseforskjøvet foran hovedviklingsstrømmen og som følge av den motsatte viklingsretning vil dette få den samlede fluks av henholdsvis hovedviklingen og reguleringsviklingen til å øke etter hvert som de to strømvektorer nærmer seg additativ innbyrdes stilling..

I den motor som er vist i fig. 6, er derfor den innbyrdes samordning av hovedvinningsfåsene og de tilsvarende regule-ringsviklingsfaser som følger:

Vektordiagrammet for spenning og strøm for viklingene langs en og samme radiale linje er angitt i fig. 8. For hovedviklingen er således spenning og strøm for fase A angitt, mens det for reguleringsviklingen er angitt spenning og strøm for fase B', idet disse viklinger er plassert rett overfor hverandre. Vektoren 36 angir spenningen over hovedviklingen i fase A, mens vektoren 38 angir strømmen i denne vikling i fase A ved O-belastning. Etter hvert som belastningen øker vil strømvektoren 38 forskyves til posisjonen 40, som representerer overbelastningsposisjonen. Posisjonen for normal belastning ligger mellom vektorene 38 og 40, men er ikke vist på tegningene. I reguleringsviklingen for fase B' angir vektoren 42 spenningen over denne vikling med en fase-forskyvning på 120° i forhold til spenningen for fase A.. Ved O-belastning vil strømmen være hovedsakelig i fase med vektoren 38, slik som angitt ved vektoren 44.

"I fase" vil i ideelle tilfeller bety at ingen faseforskyv-ning i det hele tatt foreligger, og en sådan motor ville arbeide effektivt nær O-belastning. I den betydning som anvendes her må uttrykket "i fase" gis en videre betydning som avhenger av vedkommende motor i seg selv. I foretrukkede utførelsesformer av oppfinnelsen vil denne vinkel ligge

mellom 0 og 60°. Fortrinnsvis vil den imidlertid være mindre enn 45°, hvilket vil være tilfelle for en motor som arbeider i hele området fra O-belastning til nominell belastning. En sådan motor kombinerer gode driftsegenskaper nær O-belastning med gode egenskaper ved full belastning. Hvis vinkelen i fase var større enn 60° ville belastningsegenskapene bli dårligere, men det ville være bedre virkningsgrad under overbelastningsforhold. I fig. 8 er f.eks. forskyvningen i fase vist å være 67,8° ved 0-belastning, Som det vil fremgå av de senere anførte tabeller som gjelder samme motor som har strømforholdene i fig. 8, foreligger optimal virkningsgrad ved 25 % overbelastning. Hvis det var ønskelig å ha optimal virkningsgrad f.eks. ved 50 % overbelastning, ville den fasevinkel ved lav belastning som er omtalt ovenfor være enda større enn 67,8°.

Etter hvert som belastningen øker vil faseforskyvningen mellom 1^og lg forskyves til posisjon 46 og de relative strømmer kommer ut av fase. Denne vinkel nærmer seg, men når ikke 180°, og vektorsummen av strømmene IA og IB avtar. På denne måte øker motorens effektfaktor etter hvert som den belastes opptil nominell belastning. Lignende vektordiagram-mer og forandringer kan oppvises for de øvrige faser, nemlig henholdsvis B og C samt C og A'.

Denne optimale flukstetthet oppnås ved plassering av faseviklingene for henholdsvis A og B', B og C samt C og A' inntil hverandre på den måte som er vist i fig. 6 og 7, idet strømmene i disse viklinger utnyttes som angitt og beskrevet i forbindelse med fig. 8 for å frembringe den resulterende sammenlagte fluks fra de innbyrdes inntilliggende viklinger henholdsvis A og B', B og C samt C og A'.

Flukstettheten optimaliseres for de spesielle fastlagte belastningsforhold, slik det vil fremgå av vektorposisjonene for IA og Igi. Dette nedsetter i sin tur nettstrømmen til et minimum ved den forut fastlagte belastning. Flukstetthetsre-gulering fører således til nedsettelse av de nettstrømmer som er nødvendig ved spesielle belastningsforhold. Sammenlignet med dette vil i en standard motor flukstettheten være forholdsvis uavhengig av belastningen, således at nettstrømmen er hovedsakelig uavhengig av belastningsforholdene og det vil være mindre forskjell mellom O-belastning og fullbelast-ning. I henhold til foreliggende oppfinnelse er imidlertid flukstetthetene mer avhengig av belastningen, således at det ved lavere belastninger foreligger nedsatte nettstrømmer, og dette gir høyere virkningsgrad over hele motorens driftsom-råde og ikke bare omkring det nominelle belastningspunkt.

En motor i henhold til foreliggende oppfinnelse vil således ha høyere virkningsgrad og høyere effektfaktor over et langt større område enn det som tidligere har vært mulig å oppnå.

Det er også funnet at motoren kan arbeide over sin nominelle belastning ved høyere virkningsgrad enn det tidligere har vært mulig. Ved en sådan overbelastningssituasjon er vektorforandringen for strømmen lg, slik at den forandres fra posisjon 46 til posisjon 48. I denne posisjon er vektorfor-skyvningen mellom IA og IB> litt mindre enn 180°. Driftsfor-holdene med høyere effektfaktor og virkningsgrad vil således vedvare.

Ved prøver utført med en Wanlass trefasemotor av type A18D2 modell F-4427 på én hestekraft og 230 volt drivspenning ved et omdreiningstall på 17 55 omdreininger pr. minutt ved nominell belastning og et løsrivningsmoment på 1,7 kpm ble følgende relevante data oppnådd. En kondensator på 10 mikrofarad ble koblet i serie med hver hovedvikling. Ved lav belastning var motorens utgangseffekt 0,057 hestekrefter, mens hovedviklingene trakk en effekt på omtrent 510 watt og reguleringsviklingene førte 390 watt tilbake til drivsys-temet. Dette ga en total virkningsgrad på 35,4 %. Ved 0,341 hestekrefter mottok hovedviklingene 504 watt, mens reguleringsviklingene ga 174 watt tilbake til systemet, således at det oppsto en virkningsgrad på 76,8 %. Ved nominell belastning mottok hovedviklingene 479 watt, mens reguleringsviklingene forandret tilstand fra å være en effektgenerator til å bli en effektforbruker, således at de faktisk mottok 368 watt og motorens totale virkningsgrad var 87,3 %. Etter hvert som motoren ble drevet over nominell belastning til 1,9 hestekrefter trakk reguleringsviklingene i økende grad effekt således at virkningsgraden ble 84,6 %. Totalt sett arbeidet den foreliggende motor på 1 hestekraft i hele området mellom 0,5 til omkring 2 hestekrefter med en virkningsgrad over 82,1 %, hvilket er en klar forbedring sammenlignet med tidligere kjente motorer. Etter hvert som motorens belastning øker, forandret strømmen i reguleringsviklingene sin vektorposisjon, slik som angitt tidligere. Motorens samlede effektfaktor lå i området mellom 0,9 og 0,97.

I visse utførelsesformer av foreliggende oppfinnelsesgjen-stand er det funnet ønskelig å øke startmomentet og kippmomentet for motoren ved å forbedre magnetfeltenes symmetri. Den plassering av hoved- og reguleringsviklingene i forhold til hverandre som er angitt i fig. 6 og 7 gir ikke et eksakt kvadraturforhold geometrisk og magnetisk i de tre faser for den firepolede motor. Et sådant geometrisk kvadraturforhold krever at midten av reguleringsviklingene ligger mellom polene av hovedviklingene, og for dette formål er det nød-vendig å forskyve viklingene i forhold til hverandre omtrent 30° elektrisk, hvilket vil si omtrent 15° geometrisk. Hver polsliss i en vanlig stator innebærer et sprang på 20° elektrisk (10° geometrisk), og i den utprøvede motor ble således viklingene forskjøvet 20 elektriske grader og ikke 30°, hvilket var umulig i praksis. Dette forflyttet senterlinjen for reguleringsviklingenes poler til et punkt like inntil en plassering mellom hovedviklingens poler, idet avviket nå bare er omtrent 10° elektrisk. Magnetfeltets symmetri ble følgelig forbedret på denne måte. Virkningen av denne justering er således en anordning av hovedviklingenes og reguleringsviklingenes poler i forhold til hverandre på følgende måte:

Dette skjema viser et overdrevet mellomrom mellom viklingene C og A samt mellom C og A', men det er hensiktsmessig for å forstå at midten av polene henholdsvis B og B' nå vil ligge mellom polendene.

Virkningene av denne forandring var en forbedring av startmomentet og kippmomentet uten skadelig virkning på resten av belastningsområdet. I en utprøvet motor ble følgende parametere registrert:

Reguleringsviklingenes overgang fra generativ fase til en motorfase finner sted ved omtrent 0,275 kpm. Dette innebærer en total økning av startmomentet på omtrent 23 % samt en økning av kippmomentet på omtrent 19 % sammenlignet med den ikke-symmetriske motor som er beskrevet tidligere.

Ved andre utførelseseksempler av motoren eller maskinen med et annet antall magnetpoler, f.eks. en topolet eller seks-polet maskin, vil vinkelforholdene og vektordiagrammet være forskjellig. Videre vil antallet polslisser som motorviklingene må forskyves for å oppnå optimalt vektorforhold være forskjellig. Likeledes vil fasetallet i maskinen kreve andre parametere.

Intet forsøk er blitt gjort på å anskueliggjøre den måte hvorpå de tre spoler i den flerfasede hovedstatorvikling kan vikles på statorkjernen, da en hvilken som helst vanlig viklingsteknikk, slik som sløyfevikling eller konsentrisk vikling, vil være tilfredsstillende, slik det lett vil innses av fagfolk på området. Likeledes er rotorens konstruksjon ikke blitt vist, da en hvilken som helst egnet rotor, hvilket vil si enten en kortslutningsrotor eller viklet rotor kan anvendes. Ved andre utførelseseksempler av motorer i henhold til oppfinnelsen kan de f.eks. i samsvar med dobbeltspen-ningsteknikken være viklet med to viklinger.

Foreliggende oppfinnelse kan også anvendes i situasjoner hvor eksisterende motorer skal omvikles og rekonstrueres på en måte som er beskrevet ovenfor. I dette tilfelle gir en standard motorramme en stator med den mengde magnetisk material som er nødvendig for drift under vanlige forhold. Når imidlertid motoren skal rekonstrueres i samsvar med foreliggende oppfinnelse og utføres for å arbeide ved nominell utgangseffekt, vil det ikke være nødvendig å anvende alt det tilgjengelige magnetiske material. Motoren vikles da slik at spenningen over kondensatoren i tillegg til inngangsspenningen ikke vil overskride kjernens voltsekund-kapasitet og ikke bringer magnetkjernen til å veksle periodisk mellom mettet og ikke-mettet tilstand. Hvis det magnetiske material i et sådant tilfelle ble anvendt i maksimal grad i samsvar med oppfinnelsen og kjernens voltsekund-verdi periodisk ble overskredet, ville motorens totale ytelse være høyere enn opprinnelig og dette er ikke alltid ønskelig ved spesielle anvendelser hvor det bare er behov for en motor med nominell utgangseffekt og bare bedre effektfaktor og virkningsgrad enn standardmotoren, men ikke øket antall hestekrefter. En fordel ved foreliggende oppfinnelse er således at også eksisterende motorer kan rekonstrueres i samsvar med oppfinnelsen til å arbeide periodisk mellom mettet og ikke-mettet tilstand og således i samsvar med oppfinnelsen at en standard motorramme da kan bringes til å frembringe høyere utgangseffekt samt bedre effektfaktorer og høyere virkningsgrader enn det som tidligere har vært mulig. Skjønt det antas at beskrivelsen ovenfor av motorens arbeidsfunksjon på best mulig måte angir de fysiske fenomener som foreligger, er dette på ingen måte ment å begrense oppfinnelsens omfang, og det er mulig at arbeidsfunksjonen for en sådan motor eller maskin i fremtiden kan bli bedre forklart.

Uttrykket "i fase" er blitt forklart ovenfor under henvisning til vektorposisjonene for strømmene i hovedviklingen og de nærliggende reguleringsviklinger. Uttrykket "ut av fase" betyr en forandring fra den normale "i fase"-tilstand mellom vektorposisjonene for disse strømmer. Ingen begrensning eller bestemt vinkelverdi kan således fastlegges for å definere den vektorposisjon som vil bety "ut av fase".

Det bør også forstås at foreliggende oppfinnelse ikke er begrenset til den spesifiserte konstruksjon av de viste og beskrevne motorer og maskiner. Beskrivelsen ovenfor er således ment bare å anskueliggjøre oppfinnelsen og angi utførelseseksempler av denne uten på noen måte å begrense oppfinnelsens omfang.

Claims (14)

1. Elektrisk flerfasemaskin som omfatter en stator (12) med en kjerne av magnetisk material og forsynt med viklingsspor, en rotor (14), en flerfaset hovedstatorvikling (24) med en viklingsseksjon (24a, 24b, 24c) for hver fase viklet i viklingssporene på kjernen omkring det magnetiske material, samt koblet i serie med hver sin kondensator (28a, 28b, 28c), hvor disse seriekretser er forbundet med inngangsklemmer (26) innrettet for å kobles til en kilde for flerfaset veksel-strøm, og også en flerfaset reguleringsvikling med en viklingsseksjon (30a, 30b, 30c) for hver fase er oppviklet på nevnte kjerne omkring det magnetiske material samt forbundet med nevnte inngangsklemmer (26), idet reguleringsviklingens faseviklingsseksjoner (30a, 30b, 30c) er parallellkoblet med nevnte seriekoblinger av en faseviklingseksjon (24a, 24b, 24c) av hovedviklingen og den tilhørende kondensator (28a, 28b, 28c) , karakterisert vedat viklingsseksjoner for innbyrdes forskjellig fase (A og B', B og C', C og A") av henholdsvis hovedviklingen (24a, 24b, 24c) og reguleringsviklingen (30a, 30b, 30c) er anordnet radialt i flukt med hverandre og med innbyrdes induktiv kobling i statorens viklingsspor, samt har en sådan viklingsretning og dimensjonering i forhold til den seriekoblede kondensator (28a, 28b, 28c) at strømmen i de radialt inntilliggende viklings-seks joner i samme viklingsspor hovedsakelig flyter i motsatt retning ved lav belastning av maskinen, men i tiltagende grad i samme retning når belastningen øker.

2. Maskin som angitt i krav 1, karakterisert vedat magnetkjernen er dimensjonert slik at den samlede magnetfluks som frembringes av radialt samordnede viklingsseksjoner (A og B<1>: B og C', C og A<1>) er lav ved lav belastning samt tiltar med økende belastning.

3. Maskin som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat viklingsseksjonene i såvel hoved- som reguleringsviklingen danner flere magnetiske poler (32a, 32b, 32c, 32d og 34a, 34b, 34c 34d), på sådan måte at hovedviklingens poler magnetisk overlapper midtpunktene av reguleringsviklingens magnetiske poler, og omvendt.

4. Maskin som angitt i krav 1 - 3,karakterisert vedat midtpunktene av reguleringsviklingens poler befinner seg magnetisk hovedsakelig mellom hovedviklingens poler.

5. Maskin som angitt i krav.1- 4,karakterisert vedat reguleringsviklingens magnetpoler ligger magnetisk faseforskjøvet foran hovedviklingens magnetpoler.

6. Maskin som angitt i krav 1 - 5,karakterisert vedat reguleringsviklingene er viklet radialt på utsiden av hovedviklingene, for å nedsette hovedviklingens lekkasjereaktans.

7. Maskin som angitt i krav 1-5,karakterisert vedat hovedviklingen er viklet radialt på utsiden av reguleringsviklingen, for å oppnå øket igangsetningsmoment og kippmoment.

8. Maskin som angitt i krav 1-7, og med tre faser,karakterisert vedat nevnte anordning av hovedviklingens faseviklingsseksjoner (A, B, C) radialt i flukt med reguleringsviklingens faseviklingsseksjoner (A', B', C) er oppnådd ved at hovedviklingens første f asevik-lingsseks jon (A) og reguleringsviklingens tredje faseviklingsseksjon (C), samt hovedviklingens tredjie f aseviklings-seks jon (C) og reguleringsviklingens første faseviklingsseksjon (A') er anordnet radialt på linje med hverandre.

9. Maskin som angitt i krav 1 - 8,karakterisert vedat nevnte kondensatorer (28a, 28b, 28c) er innrettet for å opplades til en spenning som i tillegg til nevnte vekselsspenning er tilstrekkelig til å frembringe en voltsekundverdi over statorskjernens magnetiske material som er større enn dette magnetiske materials maksimale voltsekundverdi, således at det magnetiske material periodisk blir bragt til mettning i innbyrdes motsatte retninger ved polaritetsforandring av de forskjellige faser av vedkommende flerfasede vekselsspenning.

10. Maskin som angitt i krav 9, karakterisert vedat kondensatorene er innrettet for å opplades i sådan grad at statorkjernen periodisk vil veksle ikke-lineært mellom umettet og mettet tilstand.

11. Maskin som angitt i krav 8 - 10,karakterisert vedat seriekoblingene av hovedviklingsseksjoner og kondensatorer er koblet i stjernekobling, mens også reguleringsviklingens faseviklingsseksjoner er koblet i stjernekobling.

12. Maskin som angitt i krav 8-10,karakterisert vedat såvel seriekoblingene av hovedviklingens faseviklingsseksjoner og tilordnede kondensatorer som reguleringsviklingens faseviklings-seks joner er koblet i trekantkobling.

13. Maskin som angitt i krav 8-10,karakterisert vedat hovedviklingens faseviklingsseksjoner og tilordnede kondensatorer er koblet i stjernekobling, mens reguleringsviklingens faseviklingsseksjoner er koblet i trekantkobling.

14. Maskin som angitt i krav 8-10,karakterisert vedat hovedviklingens faseviklingsseksjoner og seriekoblede kondensatorer er koblet i trekantkobling, mens reguleringsviklingens fasevik-lingsseks joner er koblet i stjernekobling.