Polumschaltbarer Elektromotor Die Erfindung betrifft Elektromotoren mit einer ein phasigen, dreiphasigen oder mehrphasigen polumschalt baren Statorwicklung und einem Kurzschlussläufer. Ins besondere, jedoch nicht ausschliesslich, betrifft die Er findung solche Motoren, bei denen die Statorwicklung eine durch Polamplitudenmodulation polumschaltbare Wicklung ist.
Die Erfindung bezweckt, Motoren dieser Art zu schaffen, die zum Betrieb mit wechselnder Drehzahl geeignet sind.
Die Erfindung betrifft somit einen polumschaltbaren Elektromotor, welcher gekennzeichnet ist durch eine polumschaltbare Stator- und Ständerwicklung und einen Kurzschlussläufer, welcher in verschiedenen Winkella gen um seine Drehachse unterschiedliche magnetische Leitwerte aufweist, wobei beim Zusammenwirken des Kurzschlussläufers mit dem von der Ständerwicklung entsprechend ihrer jeweiligen Polzahl erzeugten Magnet <B>feld</B> ein Reluktanz-Drehmoment entsteht, welches bei beiden bzw.
allen Polzahlen des Ständer-Magnetfeldes eine im wesentlichen synchrone Drehzahl des Rotors be wirkt.
Vorzugsweise ist die Ständerwicklung eine durch Polamplituden-Modulation polumschaltbare Wicklung mit niedrigem Verhältnis, d. h. kleiner als 2:1.
Der magnetische Leitwert des Rotors kann auf ver schiedene Weise über verschiedene Winkellagen rund um die Rotorachse variiert werden, nämlich durch Aus lassen von Leiterstäben oder Zähnen des Rotors an verschiedenen Stellen, durch Beibehaltung einer regel- mässigen Anordnung der Leiterstäbe und Weglassen von Teilen des Rotoreisens an verschiedenen Stellen über dem Umfang, oder durch Verändern des Luftspaltes zwischen der Umfangsfläche des Rotors und der Stator- bohrung, entweder stetig oder stufenweise, oder durch mehrere dieser Massnahmen in Kombination.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Aus führungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeich nung näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Schnitt senkrecht zur Achse einer be- kannten Form eines Kurzschlussrotors für eine Ma schine mit einer Polzahl, mit Ausnehmungen am Um fang.
Fig. 2 zeigt einen entsprechenden Rotor mit regel- mässiger Anordnung der Leiterstäbe, jedoch mit be stimmten Ausnehmungen des Rotoreisens.
Fig.3, 4 und 5 stellen verschiedene Verteilungs funktionen der magnetischen Leitfähigkeit dar.
Fig. 6 und 7 zeigen entsprechende Rotoren für einen polumschaltbaren 4-Pol/6-Pol-Motor.
Fig. 8 und 9 zeigen entsprechende Rotoren mit der zu den Rotoren nach Fig. 6 und 7 inversen Form.
Fig. 10 zeigt einen Rotor für einen polumschaltba ren 4-Pol/6-Pol/8-Pol-Motor, und Fig. 11 ist das Nutenwicklungsschema einer drei- phasigen, polumschaltbaren 4-Pol/6-Pol-Statorwicklung zur Verwendung mit den Rotoren nach Fig. 6 bis 9.
Bei elektrischen Kleinmotoren mit einer Leistung von Bruchteilen einer Pferdestärke für eine einzige Drehzahl, bei denen die Drehzahl konstant gehalten werden soll, jedoch ohne Verwendung einer mit Gleich strom gespeisten Rotorwicklung wie bei einem Syn chronmotor, ist es bekannt, ein Reluktanz-Drehmoment auszunützen, wie es bei Verwendung einer bestimmten Form eines Kurzschluss- oder Käfigläufers entsteht, des sen Form von dem regelmässigen Aufbau eines Käfig läufers für einen konventionellen Induktionsmotor ab weicht.
Zu diesem Zweck werden etwa 40 bis 50 % der Rotor-Leiterstäbe des regelmässigen Käfigs an bestimm ten Stellen des Umfangs weggelassen, oder es wird ein regelmässiger Käfig verwendet, jedoch bestimmte Teile des Rotoreisens innerhalb des Käfigs entfernt. Zwei sol che Rotoren für eine 4-polige Maschine sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen Querschnitte durch den aus Blechen geschichteten Eisenkern 1 des Rotors in einer zur Rotorachse senkrechten Ebene. Der Kern 1 ist zwecks Montage auf der (nicht dargestellten) Rotorwelle mit Bohrung 2 und Keilnut 3 versehen. Ein Bezugs- durchmesser des Kernes 1 ist mit der gestrichelten Linie O, neingezeichnet.
Ferner ist eine Ständer- oder Statorenwicklung für eine einzige Polzahl angedeutet und mit 10 bezeichnet, die zwischen Klemmen 11 und 12 angeschlossen ist. Die Darstellung der Wicklung 10 ist nur schematisch, es kann sich um eine einphasige, dreiphasige oder mehr- phasige Statorwicklung handeln.
Bei der regelmässigen Käfigform des Rotors nach Fig. 2 sind 28 Leiterstäbe 6 vorhanden.
Bei der modifizierten Form nach Fig. 1 sind jeweils aus jeder Folge von 7 Leiterstäben eine Gruppe 4 von drei aufeinanderfolgenden Stäben weggelassen, so dass vier Stege 5 mit je vier Leiterstäben stehen bleiben, die symmetrisch zum Bezugsdurchmesser angeordnet sind.
Bei der Variante nach Fig. 2 sind sämtliche 28 Lei terstäbe 6 beibehalten, hingegen sind vier Zonen 7 von Rotoreisen ausgelassen, wobei sich jede Zone im Bogen hinter einer Gruppe von drei Leiterstäben aus jeder Gruppe von sieben aufeinanderfolgenden Stäben er streckt.
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches die Verteilung des magnetischen Leitwertes über den Winkel, bezogen auf den Bezugsradius 0 beim Rotor nach Feg. 1 oder Fig. 2 zeigt.
In der Fig. 3 ist die Grösse des magnetischen Leit wertes in vertikaler Richtung aufgetragen. Der Bezugs radius 0 ist in der Mitte des Diagramms. Der Teil des Diagramms links davon gilt für die Umfangshälfte bis -z und der Teil rechts für die Umfangshälfte bis +n. Die Winkelverteilung des magnetischen Leitwertes nach Fig. 3 kann mathematisch durch eine
Fourier-Reihe der nachstehenden Form dargestellt werden: f(p) = Po + P4 cos 40 + m + n usw. (1) wobei f(p) die Funktion des magnetischen Leitwertes, Po eine Konstante, P4 cos 40 eine vorherrschende zweite Harmonische (d. h. eine 8-Pol-Komponente, bezogen auf das 4-polige Feld der Ständerwicklung) und die Glieder m und n Harmonische höherer Ordnung bedeuten.
Es lässt sich zeigen, dass das Verhältnis wobei Xd die Reaktanz der Längsfeldachse und Xq
EMI0002.0054
die Reak- tanz der Querfeldachse bedeutet, bei einer solchen An ordnung proportional zu der nachstehenden Grösse ist:
EMI0002.0059
Daraus ist ersichtlich, dass der Synchronlauf einer Ma schine mit einer Polzahl mit einem Käfigläufer von der Art nach Fig. 1 oder Fig.2 hauptsächlich von der Grösse der Koeffizienten der konstanten Komponente und der Komponente der zweiten Harmonischen ab hängt.
Zur Erzielung eines starken Drehmomentes ist ein grosses Verhältnis Xd/Xq erwünscht.
Die vorstehende Ableitung bezieht sich auf Motoren mit einer Ständerwicklung, die nur für eine Polzahl ein gerichtet ist.
Es sind polumschaltbare einphasige, dreiphasige und mehrphasige Wicklungen bekannt, die durch unter schiedliches Zusammenschalten wahlweise zwei oder mehrere Polzahlen bilden. Im besonderen sind in den britischen Patentschriften Nr. 900 600, 926 101 und 968 988 Dreiphasenwicldungen beschrieben, welche nach dem Verfahren der Polamplituden-Modulation un terschiedliche Polzahlen bilden lassen. Die beiden erst genannten Patente betreffen in geringem Verhältnis (d. h. weniger als 2:1) zueinander liegende Polzahlen. Das dritte Patent nennt Beispiele von umschaltbaren Polzahlen in grösserem Verhältnis, d. h. grösser als 2:1.
Ebenso beschreibt das britische Patent Nr. 966 576 Ein phasenwicklungen für mittels Polamplituden-Modula- tion wahlweise umschaltbare Polzahlen.
Mit den Begriffen der vorstehenden Diskussion aus- gedrückt, bezweckt die vorliegende Erfindung die Schaf fung einer Form eines Käfigläufers, bei dem die Ver teilung des magnetischen Leitwertes über den Winkel der nachstehenden Beziehung genügt: f(p) = Po + P. cos x6 + P9 cos y8 + usw.
(3) wobei Pa, P$ usw. Koeffizienten der x, y usw. entspre chenden Harmonischen bedeuten.
Wird ein solcher Rotor in einer Maschine verwendet, deren Ständerwicklung wahlweise ein x-poliges oder ein y-poliges Feld bilden kann, so rotiert er sowohl im x- poligen wie auch im y-poligen Feld im wesentlichen mit der Synchrondrehzahl.
Bei einem ersten praktischen Beispiel sei angenom men, eine polumschaltbare Maschine habe eine drei phasige, 4-Pol/6-Pol-Polamplituden-modulierte Ständer wicklung, beispielsweise die Wicklung gemäss Fig. 21 des britischen Patentes Nr. 988 726.
Damit ein Käfigläufer der hier behandelten Art so wohl in einem 4-poligen als auch in einem 6-pohgen Feld durch ein Reluktanz-Drehmoment synchron rotiert, muss seine Verteilung des magnetischen Leitwertes über den Winkel die nachstehende Form haben: f(p) = Po + P4 cos 40 + P6 cos 60 + usw.
(4) Damit bei beiden Drehzahlen das gleiche Drehmoment verfügbar ist, sollen die Koeffizienten P4 und P6 etwa gleich gross sein.
Daraus ergibt sich die erforderliche Form: f(p) = Po + P (cos 40 + cos 66) (5) = Po + 2P - cos 50 - cos 0 (6) Fig. 4 stellt einen Verlauf des magnetischen Leitwertes über den Winkel zwischen den Grenzen -n und +ir entsprechend der Gleichung (5) hiervor dar.
Die Ampli tude des magnetischen Leitwertes p ist in vertikaler Richtung aufgetragen, wobei die Linie O den Wert Po und der Abstand zvvüchen der Linie O und oder Linie C-D den Wert 2P darstellt. Die Linie A-B entspricht dem Minimalwert der magnetischen Leitfähigkeit gemäss der vorstehenden Funktion.
Indem die Linie O als Horizontalachse (p = O) ge wählt wird, wird der Ausdruck Po eliminiert.
Durch Wahl der Linie A -B oder C-D als Hori zontalachse (p=0) wird eine ideale Winkelverteilung des magnetischen Leitwertes erreicht, ohne Glieder der Harmonischen höherer Ordnung, wie sie mit usw. in den Beziehungen (3) bis (6) angedeutet sind.
Fig.5 stellt eine Funktion dar, die zwischen zwei diskreten Werten abwechselt und eine gute Näherung an die stetige Funktion (5) darstellt. Die Funktion nach Fig. 5 nimmt entweder den Wert P1 oder den Wert O an. Es ist die Winkelverteilung der Abschnitte mit den Werten P1 oder O zwischen dien Grenzen -n und +n dargestellt.
Die Fig.6 zeigt im Querschnitt eine Form eines Käfigläufers, die von der regelmässigen Käfigform mit 32 Stäben 6 abgeleitet ist, wobei in Zonen 4 bestimmte Stäbe weggelassen sind, so dass Stege 5 entsprechend der Winkelverteilung nach Fig.5 stehen bleiben, wo durch die Winkelverteilung des magnetischen Leitwertes entsprechend Fig. 4 erzielt wird.
Wird die Form des Käfigläufers nach Fig. 6 in einer polumschaltbaren 4-Pol/6-Pol-Maschine verwendet, so rotiert der Rotor sowohl in der 4-poligen als auch in der 6-poligen Schaltung der Ständerwicklung praktisch mit Synchrondrehzahl.
Eine polumschaltbare Statorwicklung mit den Wick lungen 10 und 13, die zwischen Klemmen 11, 12. bzw. 12, 14 angeschlossen sind, ist ebenfalls dargestellt. Die Wicklungen 10 und 13 können zwei in die Statornuten eingelegte Wicklungen für je eine Polzahl; sein, wobei die Polumschaltung durch Anschaltung der einen oder der anderen Wicklung 10 bzw. 13 erreicht wird.
Im Falle der Anwendung einer Polamplituden-Modulation zur Polumschaltung sind beide Wicklungsteile 10 und 13 für beide Polzahlen angeschaltet, jedoch im einen Fall in Serie und im andern Fall parallel geschaltet.
Wie bei Fig. 1 und 2 ist die Darstellung der Stator- wicklungen nur schematisch; es kann sich um ein phasige, dreiphasige oder mehrphasige Statorwicklungen handeln.
Fig. 7 zeigt eine analoge Form eines Käfigläufers mit einem regelmässigen Käfig von 28 Leiterstäben, wo bei Zonen 7 des Rotoreisens innerhalb des Käfigs aus gespart sind, damit im wesentlichen die gleiche Winkel verteilung des magnetischen Leitwertes entsteht wie beim Rotor nach Fig. 6. Die Winkel bezüglich der Ro- torachse, die sich über die ausgesparten Zonen 7 und die dazwischen liegenden Zonen erstrecken, sind am Umfang der Figur eingetragen.
Wie erwähnt, entspricht beim Diagramm nach Fig. 5 die Linie O Odem Wert p=0 und die Linie E-F dem Wert p=Pl. Das Diagramm kann, ohne Änderung von dessen Form, so umgewertet werden, dass die Linie E-F den Wert p=0 und die Linie O den Wert p=Pl darstellt.
Auf diese Weise .ergibt sich,der inverse Verlauf zu dem jenigen nach Fig. 5.
Fig. 8 zeigt eine Form eines Rotors, welche die In version der Form nach Fig. 6 darstellt. Die ausgelasse nen Bereiche 4 beim Rotor nach Fig. 8 entsprechen in Breite und Winkellage über den ganzen Umfang den durch Stäbe eingenommenen Bereichen 5 beim Rotor nach Fig. 6.
Fig. 9 stellt eine Rotorform dar, welche der Inver sion der Form nach Fig. 7 entspricht. Eine ausgesparte Zone nach Fig. 7 entspricht einer ausgefüllten Zone in Fig. 9 und eine ausgefüllte Zone nach Fig. 7 entspricht einer ausgesparten Zone 7 nach Fig. 9, wobei die gleiche Winkelverteilung in der Abwechslung der beiden Zonen arten beibehalten ist.
Jede der Käfigläuferformen nach Fig. 6 bis 9 kann in einer polumschaltbaren 4-Pol/6-Pol-Maschine ver wendet werden. Die Formen der Rotorschnitte nach Fig. 6 und 7 und die inversen Formen nach Fig. 8 und 9 unterscheiden sich in den Anteilen des gegenüber dem üblichen, vollen Blechschnitt ausgesparten Rotorei- sens. Die Form mit weniger Eisen ergibt das höhere Drehmoment,
erfordert jedoch einen grösseren Magneti- sierungsstrom. Nach den gleichen Grundsätzen lässt sich auch ein Motor für drei verschiedene Drehzahlen aufbauen. Fig. 10 zeigt einen Käfigläufer für eine polumschaltbare 4-Pol/6-Pol/8-Pol-Maschine. Dieses Beispiel veranschau licht ferner die Möglichkeit, eine bestimmte Winkelver teilung des magnetischen Leitwertes des Rotors durch Variieren des Luftspaltes zwischen Rotor und Stator über den Rotorumfang zu erzielen.
In Fig. 10 sind für entsprechende Teile die gleichen Bezugszahlen wie bei Fig. 6 bis 9 verwendet. Zusätzlich ist die innere Umfangsfläche des Statorkerns (Stator- bohrung) eingezeichnet und mit 8 bezeichnet.
Der Rotor 1 weist eine regelmässige Anordnung von Leiterstäben 6 auf. Hingegen ist der Luftspalt zwischen der Rotor-Aussenfläche und der Statorbohrung 8 ent lang dem Rotorumfang absatzweise verändert. Der Luft spalt variiert über den Umfang zwischen 4 Werten g, 2g, 3g und 6g, wobei also die drei letztgenannten Werte Vielfache des minimalen Wertes der Luftspaltbreite g sind. Die Werte der Luftspaltbreite und die von den einzelnen Stufen eingenommenen Winkel sind bei den radialen Masspfeilen bzw. den Masspfeilen über den äusseren Umfang der Fig. 10 eingetragen.
Ferner ist eine polumschaltbare Statorwicklung für drei verschiedene Polzahlen durch die Wicklungsteile 10, 13, 15 und 17 angedeutet, die zwischen Klemmen 10, 12, 14, 16, 18 in Serie angeschlossen sind. Bei einer geeigneten Ausführung einer solchen Wicklung, wie sie z. B. im britischen Patent Nr. 986 379 beschrieben ist, werden die drei Polzahlen wahlweise durch Serie-, 2- Parallel- oder 4-Parallel-Schaltung der Wicklungsteile 10, 13, 15 und 17 gebildet.
Es handelt sich dort um eine Dreiphasenwicklung, doch könnte auch eine Einphasen- oder Mehrphasenwicklung angewendet werden.
Fig. 11 stellt eine polumschaltbare, dreiphasige 4- Pol/6-Pol-Wicklung dar, die auf einen Statorkern mit 36 Nuten gewickelt ist.
Die Statorwicklung enthält drei Phasenwicklungen mit je zwei Teilen. Die Phasenwicklungen A, B und C bestehen aus den Wicklungsteilen 21, 22; 23, 24 bzw. 25, 26, die zwischen den Klemmen 31, 32, 37; 33, 34, 37 bzw. 35, 36, 37 angeschlossen sind.
Die drei Phasenwicklungen sind gemeinsam an den Sternpunkt 37 angeschlossen; die Serie-Stern-Schaltung ergibt 6 Pole und die Parallel-Stern-Schaltung 4 Pole.
Die Fig. 11 zeigt demnach ein dreiphasiges Bei spiel einer 4-Pol/6-Pol-Statorwicklung, wie sie in den Fig. 6 bis 9 mit den Wicklungsteilen 10 und 13 ange deutet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft eine Ma schine für Synchronlauf bei 4 verschiedenen Drehzahlen. Diese Maschine hat zwei Wicklungen für je zwei Dreh zahlen auf einem und demselben Statorkern. Eine ge eignete Form eines Käfigrotors hat abgestufte Luft spaltbreiten über dem Umfang entsprechend dem Prin zip nach Fig. 10, wobei wieder 4 Werte vorkommen, de ren drei Vielfache des minimalen Wertes der Luft spaltbreite darstellen.
Eine weitere Möglichkeit liegt in der Verwendung eines Käfigläufers mit zwei Gruppen von Rotorblech- schnitten entlang der Rotorwelle, wobei die eine Gruppe auf zwei erste Polzahlen und die andere Gruppe auf die beiden anderen Polzahlen anspricht.