Wechselstrom-Induktionsmotor. Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Wechselstrom-Induktionsmotor, der sich von allen bekannten Motoren dieser Gattung da durch auszeichnet, dass er auch bei Betrieb mit einphasigem Wechselstrom unter voller Last anläuft und überdies mit einfachen Mitteln die zwischen Stromstärke und Span nung des zugeführten Stromes bestehende Phasenverschiebung aufzuheben gestattet. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen dem Stator und dem Rotor ein eine Kurzschluss ankerwicklung tragender Hilfsrotor angeord net ist, bei dem der magnetische Kraftfluss in Richtung des Umfanges möglichst unter drückt ist. Wegen dieser Eigenschaften eignet sich der Motor z. B. zum Antrieb elektrischer Lokomotiven, die aus einem Einphasen- Wechselstromnetz mit Strom versehen werden.
Auf der Zeichnung ist der Erfindungs gegenstand an zwei Ausführungsbeispielen veranschaulicht, und zwar zeigt Fig. 1 einen aufrechten Längsschnitt durch das erste Ausführungsbeispiel, Fig. 2 eine Einzelheit der Fig. 1 in grösse rem Massstabe, Fig. 3 einen Schnitt nach 3-3 der Fig. 2, von rechts gesehen, und Fig. 4 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels.
A ist der Stator (Fig. 1), B der Rotor eines Einphasen-Induktionsmotors, bei dem der Zwischenraum zwischen Stator und Rotor erweitert und in diesem erweiterten Zwischen raum der Mantelteil eines um die Rotorachse drehbaren trommelförmigen Körpers angeord net ist. Dieser Körper, der im nachstehenden als Hilfsrotor bezeichnet werden soll, besteht aus parallel zur Rotorachse verlaufenden, durch Zwischenräume in Richtung des Trom melumfanges voneinander getrennten Eisen stäben C, deren Enden beiderseits durch je einen Messing- oder Stahlbronzering c1 zu sammengehalten und leitend miteinander ver bunden sind. Der nach Art eines Käfigankers gebaute Hilfsrotor C c1 bildet demnach eine Kurzschlussankerwicklung.
Jeder der beiden Ringe c1 ist mit der benachbarten Stirnwand e2 des trommelförmigen Körpers C c1 c2 ver schraubt; der Körper<B>Co'</B> e2 selbst ist mittelst zweier Kugellager c3 auf der Rotorwelle bi drehbar gelagert. Durch die Anordnung der Kugellager ist die bei der Verwendung eines zwischen Stator und Rotor umlaufenden Hilfs rotors besonders wichtige Unveränderlichkeit der radialen Luftzwischenräume gewährleistet. Zwischen den Eisenstäben C ist noch eine Erregerwicklung c4 untergebracht, die über Schleifringe c5, die an den Stirnwänden c2 angeordnet sind, mit einer Gleichstromquelle von regelbarer Spannung verbunden werden kann.
Der StatorA ist in an sich bekannter Weise mit einer einphasigen Hauptwicklung a1 und einer (auf der Zeichnung nicht sichtbaren) nur beim Anlauf wirksamen und daher durch besondere (nicht dargestellte) Hilfsmittel in bekannter Weise abschaltbaren Hilfswicklung versehen. Der Rotor B trägt eine dreiphasige Wicklung b2, deren Enden einerseits mitein ander in Stirnschaltung verbunden und ander seits an drei auf der Rotorwelle b1 sitzende Schleifringe b3 (Fig. 1) angeschlossen sind, so dass sie mit einem Anlasswiderstand in Verbindung gebracht werden können.
Will man den beschriebenen Motor einerlei ob leer oder unter Last - anlaufen lassen, so schaltet man zunächst bei offener Rotorwicklung b2 und unerregter Hilfsrotor wicklung c4 die Statorwicklung a1 nebst der erwähnten Hilfswicklung (Hilfsphase) ein. Unter der Wirkung des vom Stator erzeug ten zweiphasigen Drehfeldes und der im Hilfsrotor C c1 induzierten Ströme läuft der Hilfsrotor C c1 in einem bestimmten Dreh sinne, nämlich im Sinne der Umlaufsrichtung des Drehfeldes, an und gelangt schnell auf eine vom Synchronismus wenig verschiedene Drehzahl.
Wird nun die Hilfsphase abge schaltet, so wirkt der umlaufende Hilfsrotor C c1 auf die beiden gegeneinander rotierenden Drehfelder, in die man sich nach einer all gemein verbreiteten Anschauung das ein phasige Stator-Wechselfeld zerlegt denken kann, in der Weise ein, dass das im Dreh sinne des Hilfsrotors C c1 umlaufende Dreh feld erheblich verstärkt, das entgegengesetzt umlaufende Drehfeld dagegen praktisch zum Verschwinden gebracht wird. Dieser Umstand ermöglicht es, den Rotor B unter Benutzung von Anlasswiderständen genau so wie den Rotor eines Mehrphasenmotors anlaufen zu lassen.
Denn da das im Stator umlaufende Drehfeld wegen des in Richtung des Um fanges hohen magnetischen Widerstandes ge zwungen ist, sich durch den Rotor B hin durch zu schliessen, der magnetische Kraft fluss in Richtung des Umfanges im Hilfsrotor also grösstenteils unterdrückt ist, ist die Ro torwicklung b mit dem erwähnten Drehfelde. genau wie bei einem Mehrphasenmotor ver kettet und es entsteht kein nennenswerter Streufluss. Man braucht daher lediglich die Rotorwicklung b2 unter Einschaltung von An lasswiderständen zu schliessen, um das zum Anlauf des Motors erforderliche Drehmoment zu erzielen, wobei es möglich ist, die mecha nische Belastung des Motors so hoch zu wählen, dass ein Anlauf-Drehmoment vom mehrfachen Betrage des normalen Drehmo mentes erzielt werden kann.
Wird nun die auf dein Hilfsrotor C c1 angeordnete Erregerwicklung c4 an die be reits erwähnte Gleichstromquelle so ange schlossen, dar) die Polarität des Hilfsrotors der Zahl der Pole des Stators 4 entsprechend wechselt, so wird der Hilfsrotor C c1 gewisser massen zum Rotor eines Synchronmotors, in dem er synchron mit dem wirksamen Stator drehfelde umläuft, wobei er in diesem Drehfelde eine solche Stellung einnimmt, dass auf demn magnetischen Pfade der Kraftlinien ungleich namige Pole aufeinander folgen, also zum Beispiel einem Stator-Nordpol ein Hilfsrotor- Südpol und diesem wieder ein Rotor-Nordpol gegenübersteht.
Je nach der Wahl der Stärke des Erregerstromes in der Wicklung c4 lässt sich nun genau wie bei einem gewöhnlichen Synchronmotor die Phasenverschiebung zwi schen Stromstärke und Spannung des der Statorwicklung a1 zugeführten Einphasen stromes nach Wunsch beeinflussen. Man kann daher zum Beispiel diese Phasenverschiebung vermindern oder auch ganz aufheben, d. h. dem Motor einen Leistungsfaktor cos co = 1 erteilen, oder man kann die Nacheilung des Stromes gegenüber der Spannung in Vorei- lung verwandeln.
Es ist natürlich ohne weiteres möglich, die vorstehend erläuterte Käfigwicklung des Hilfsrotors durch eine andere geartete Kurz schlussankerwicklung zu ersetzen. Diese muss jedoch, wenn auf die Möglichkeit des An lassens des Hilfsrotors mittelst Hilfsphase Wert gelegt wird, mindestens zweiachsig ausgebildet sein.
Ohne an der Erfindung etwas zu ändern, könnte man auch, anstatt die Erregerwick lung in den Zwischenräumen des gleichmässig verteilten Feldeisens unterzubringen, den Hilfs rotor als Polrad mit ausgeprägten bewickel ten Polen ausführen. In der Wirkungsweise würde sich ein derart abgeändertem Hilfsrotor von dem beschriebenen grundsätzlich nicht unterscheiden. Ferner könnte man den Syn chronismus zwischen Hilfsrotor und wirk samen Statordrehfeld auch unabhängig von dem in der Erregerwicklung des Hilfsrotors fliessenden Gleichstrom dadurch sichern, dass man den Hilfsrotor durch mechanische Mittel synchron mit dem wirksamen Statordrehfeld antreibt.
Wie schon bemerkt, kann man bei einem einphasigen Wechselstrom-Induktionsmotor das pulsierende Feld sich in zwei gegeneinander rotierende Drehfelder von halber Stärke zer legt denken. Der umlaufende Hilfsrotor hat nun die Eigenschaft, das der Drehrichtung des Hauptrotors entgegenlaufende - daher "inverse" genannte - Drehfeld fast vollstän dig zu vernichten. Wegern der wenn auch geringfügigen, so doch unvermeidlichen Streu ung gelingt es aber snicht, das inverse Drehfeld ganz zu vernichten. Es bleibt vielmehr ein kleines inverses Drehfeld über. Dieses übrig bleibende inverse Drehfeld ist als das "inverse Restfeld" bezeichnet.
Da es - unter An nahme synchroner Geschwindigkeit des Haupt- rötors - die Stäbe des Hauptrotors mit einer Frequenz schneidet, die doppelt so hoch ist wie die Netzfrequenz, ist es wichtig, das inverse Restfeld so klein wie möglich zu halten. Dem inversen Restfelde gegenüber bedeutet auch die an eine Gleichstromquelle angeschlossene Erregerwicklung c4 eine (ein achsige) Kurzschlusswicklung. Ist nun die eigentliche Kurzschlussankerwicklung des Hilfs rotors symmetrisch aufgebaut, so ergibt ihr Zusammenwirken mit der einachsigen Erre gerkurzschlusswicklung eine unsymmetrische Verteilung des Gesamtfeldes im Hilfsrotor. Diesem Nachteil lässt sich auf verschiedene Weise vorbeugen.
Man kann entweder der Erregerwicklung eine Drosselspule bestimmter Grösse vorschalten, um so die Grösse der in ihr induzierten Kurzschlussströme herabzu drücken, oder man kann der Kurzschluss ankerwicklung eine künstliche Unsymmetrie erteilen, die so gewählt ist, dass sie die stö rende Wirkung der einachsigen Erreger-Kurz schlusswicklung gerade aufhebt.
Bei dem durch Fig. 4 veranschaulichten zweiten Ausführungsbeispiele besteht der Hilfs rotor aus einer Trommel, in deren eisernen Mantelteil F von aussen und von innen ein ander paarweise gegenüberliegende, zur Auf nahme der Erregerwicklung f2 bestimmte Nuten f1 eingefräst sind. Die Erregerwick lung f2 ist dabei so ausgeführt, dass die zwischen den Nuten befindlichen Zähne f3 aussen die entgegengesetzte Polarität wie innen aufweisen, wobei der Richtungssinn des Kraftflusses mit jeder Polteilung wechselt, und dass ferner entsprechende Punkte benach barter Pole gleiches magnetisches Potential aufweisen. Dem Hilfsrotor F ist ein Stator D und ein eine Dreiphasenwicklung e1 tragender Rotor E zugeordnet, wobei in jeder Polteilung des mit einer Einphasenwicklung d1 ausge rüsteten.
Stators D zwei Nuten d2 leer ge lassen sind, um die nur den Anlauf des Hilfs rotors F ermöglichende (nicht abgebildete) Hilfsphase aufzunehmen. Bei der beschrie benen Ausbildung des Hilfsrotors F steht jedem Stator-Nordpol ein Hilfsrotor-Südpol und jedem Rotor-Südpol ein dem Hilfsrotor- Südpol zugeordneter Hilfsrotor-Nordpol gegen über. Bei dem Motor nach Fig. 4 besteht demnach der Hilfsrotor aus einem trommel- förmigen Eisenkörper, in dessen Mantelteil.F sich durch Induktion von Stator D her Wirbel ströme ausbilden.
Der Mantelteil F stellt daher die im Patentanspruch erwähnte Kurz schlussankerwicklung des Hilfsrotors dar. Diese Ausführungsform weist also hinsichtlich des Kraftlinienverlaufes im allgemeinen dieselbe Wirkung auf wie die früher beschriebene; insbesondere ist infolge des fehlenden Po tentialunterschiedes zwischen entsprechenden Punkten benachbarter Pole jeder magnetische Kraftfluss in Richtung des Umfanges des Hilfs rotors F unterdrückt. Eine Änderung der primären Phasenverschiebung durch Regelung der Stärke des die Erregung des Hilfsrotors F bewirkenden Gleichstromes ist genau so wie bei der zuerst beschriebenen Einrichtung möglich.
Der Hauptvorteil des beschriebenen Ein phasen-Induktionsmotors besteht darin, dass er unter Last, ja sogar mit erheblicher Über lastung anzulaufen vermag und sich im Laufe wie der wegen seiner Betriebssicherheit be sonders geschätzte Mehrphasen-Induktions motor verhält. Ein weiterer wesentlicher Vor teil ist die Möglichkeit, mit einfachen Mitteln die Phasenverschiebung zwischen Primärstrom und Spannung vollständig aufzuheben oder in Voreilung zu verwandeln.
Man kann bei demn beschriebenen Wechsel strom-Induktionsmotor auch die einphasige Statorwicklung a1 durch eine mehrphasige, zum Beispiel eine Drehstromwicklung, er setzen. Man erhält dann einen auf bequeme Weise kompensierbaren Mehrphasenmotor, der sich vor bekannten Mehrphasenmotoren mit Einrichtung zur Kompensierung der Phasen verschiebung dadurch auszeichnet, dass er weder eines Kommutators noch eines Hinter- mnotors oder dergleichen bedarf.