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Drehzahlumschaltbarer elektrischer Asynchronmotor Die Erfindung betrifft
einen elektrischen Asynchronmotor, dessen Läufer als Hohlkörper topf- oder glockenartig
ausgebildet ist und sowohl an seiner inneren als auch äußeren Mantelfläche je eine
Käfigwicklung trägt. Der Läufer wirkt zwecks Erzielung unterschiedlicher Drehzahlen
entweder mit einem Innenständer oder mit einem Außenständer zusammen, welche verschieden
große Polpaarzahlen aufweisen.
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Eine derartige Ausführung hat gegenüber einem polumschaltbaren Asynchronmotor
mit zwei in einem einzigen Ständer untergebrachten verschiedenpoligen Wicklungen
den Hauptvorteil, daß die Abmessungen und das Bauvolumen kleiner werden. Weiterhin
wird die Anordnung der Wickelköpfe einfacher, weil nicht mehr zwei verschiedenpolige
Wicklungen in den Nuten nur eines Ständers untergebracht werden müssen. Eine Isolation
der verschiedenpoligen Wicklungen gegeneinander ist nicht mehr erforderlich.
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Nachteilig wirkt sich für viele Anwendungsfälle das trotz verkleinerter
Abmessungen immer noch hohe Trägheitsmoment des Zwischenläufers aus. Die Verwendung
solcher Motoren beispielsweise für automatische Waschmaschinen, für welche ein recht
hohes Polzahlverhältnis von mindestens 6:1 benötigt wird, scheiterte bisher auch
daran, daß der Durchmesser solcher Motoren relativ groß gewählt werden muß, wenn
man für den zweipolig bewickelten Innenständer einen der geforderten Leistung entsprechenden,
ausreichend großen Durchmesser erreichen will.
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Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, einen solchen drehzahlumschaltbaren
Asynchronmotor derart zu verbessern, daß sich einerseits ein geringes Trägheitsmoment
des Läufers ergibt und daß andererseits bei möglichst geringer Baugröße sowie geringem
Außendurchmesser ein großer Durchmesser des Innenständers erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das für den
Rückschluß des magnetischen Flusses des niederpoligen Innenständers erforderliche
Läuferjocheisen nur teilweise auf den Läufer aufgebracht ist, während der übrige
Teil aus dem Jocheisen des höherpoligen Außenständers besteht.
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Die höherpolige Wicklung wird deshalb im Außenständer untergebracht,
weil dessen größerer Bohrungsdurchmesser es ermöglicht, trotz der erforderlichen
hohen Nutenzahl eine nicht zu kleine Nutenteilung zu erzielen.
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Erfindungsgemäß wird der Läuferjochteil um den Anteil verringert,
der als Jocheisen des höherpoligen Außenständers vorhanden und ohnehin erforderlich
ist. Deshalb ergibt sich ein wesentlich niedrigeres Trägheitsmoment des Zwischenläufers.
Ebenso ist die Ersparnis an aktivem Eisen bedeutungsvoll, und es ist möglich, den
Durchmesser des niederpoligen Innenständers um den doppelten Betrag der ersparten
Läuferjochhöhe zu vergrößern. Es ist auch vorteilhaft, sowohl den Außendurchmesser
des Motors zu verringern als auch den Durchmesser des Innenständers zu vergrößern.
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Der Rückschluß des magnetischen Flusses des niederpoligen Innenständers
erfolgt erfindungsgemäß auf zwei parallelen Wegen. Ein Teil schließt sich über das
verbleibende Jocheisen des rotierenden Läufers wie bei einem konventionellen Käfigläufer.
Der übrige Teil, welcher vom Jocheisen des Läufers nicht mehr aufgenommen werden
kann, durchdringt zunächst die an der äußeren Mantelfläche des Zwischenläufers angeordnete
zweite Käfigwicklung, darauf den äußeren Luftspalt und schließt sich im ortsfesten
Jocheisen des höherpolig bewickelten Außenständers.
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Weil nur ein Teil des magnetischen Flusses den zweiten Luftspalt überwinden
muß, wird der Wirkungsgrad des Motors bei niederpoligem Betrieb nicht in dem Maße
verschlechtert wie bei einem bekannten wicklungslosen Glockenläufer, bei welchem
der
gesamte Fluß durch den zweiten Luftspalt geführt wird. Die geringfügige Verschlechterung
des Wirkungsgrades ist bei einem erfindungsgemäß aufgebauten Motor im Vergleich
zu den erzielten Vorteilen vemachlässigbar, insbesondere falls der Motor zum Antrieb
einer automatischen Wasch- und Schleudermaschine dient. Dort ist die niederpolige
Wicklung ohnehin nur kurzzeitig während des Schleuderbetriebes eingeschaltet.
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Andererseits ist das auf dem Läufer verbleibende Jocheisen für den
magnetischen Fluß des höherpolig bewickelten Außenständers ohnehin so ausreichend
bemessen, daß sich dessen Fluß praktisch vollständig im Läuferjocheisen schließt.
Deshalb ist der Wirkungsgrad bei höherpoligem Betrieb mit niedriger Drehzahl zum
Bewegen der Waschtrommel unvermindert gut.
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Für Antriebsfälle, bei denen es auf einen hohen Drehzahlunterschied
ankommt, zeigte sich ein weiterer überraschender Vorteil. Das Verhältnis der hohen
zur niedrigen Drehzahl ist nämlich bedeutend größer, als dem Polzahlverhältnis entsprechen
würde, und auch größer als bei bekannten polumschaltbaren Asynchronmotoren. Das
läßt sich durch die Tatsache erklären, daß bei niederpoligem Betrieb, wobei eine
möglichst hohe Drehzahl erwünscht ist, der magnetische Fluß zum Teil zwei Läuferkäfige
durchdringen muß. Für diesen Flußanteil sind beide Käfigwicklungen parallel geschaltet.
Der Läuferwiderstand ist effektiv niedriger und damit der Nennschlupf klein.
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Bei höherpoligem Betrieb dagegen durchdringt der magnetische Fluß
des Außenständers praktisch nur die äußere Käfigwicklung, deren Widerstand ohne
eine parallelgeschaltete innere Käfigwicklung groß ist. In diesem Fall stellt sich
ein hoher Nennschlupf und damit eine niedrige Drehzahl ein.
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Der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäß aufgebauten Motors wird
an Hand der Zeichnungen erläutert.
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F i g. 1 zeigt den Längsschnitt eines drehzahlumschaltbaren elektrischen
Asynchronmotors gemäß der Erfindung; F i g. 2 zeigt einen Querschnitt des Motors
nach Fig. 1.
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Die Läuferwelle l läuft in Lagerschalen 2, die in einer feststehenden,
vorteilhaft aus ferromagnetischem Werkstoff bestehenden Lagerbuchse 3 angeordnet
sind. Auf der Lagerbuchse 3 ist das Blechpaket 4 des Innenständers befestigt, welcher
in Nuten 5 die niederpolige Wicklung 6 trägt. Auf dem Ende 7 der Lagerbuchse 3 ist
das topf- oder glockenartig ausgebildete Motorgehäuse 8 befestigt, in dessen
hohlzylindrischen, aus ferromagnetischem Material hergestellten Mantelteil 9 das
Blechpaket 10 des Außenständers eingesetzt ist. In den Nuten 11
des Außenständers
ist die höherpolige Wicklung 12
eingebracht. Zwischen beiden Ständern rotiert
das Blechpaket 13 des topf- oder glockenartigen Läufers 14, an dessen innerer
Mantelfläche die Nuten 15 und an dessen äußerer Mantelfläche die Nuten 16
verteilt sind. Beide Nutensysteme sind mit einer vorwiegend vergossenen, in sich
kurzgeschlossenen Käfigwicklung versehen.
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Das offene Ende des Motorgehäuses 8 ist durch eine leichte Kappe 17
abgeschlossen.
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Da es Schwierigkeiten bereitet, den Läufer sowohl gegen den Innenständer
4 als auch gegen den Außen-Ständer 10 gleichzeitig einwandfrei zu zentrieren, ist
es vorteilhaft, nur den Luftspalt 18 zwischen dem Innenständer 4 und dem Läuferblechpaket
13 größer zu wählen, so daß er erfindungsgemäß größer als der möglichst kleine Luftspalt
19 zwischen dem Außenständer 10 und dem Läuferblechpaket 13 wird. Diesem Vorschlag
liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine Luftspaltvergrößerung für einen niederpoligen
Asynchronmotor weniger nachteilig als für einen höherpoligen Motor ist.
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Die vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aufbaus
wird an Hand des Antriebsbeispiels einer vollautomatischen Wasch- und Schleudermaschine
erläutert. In diesem Falle ist die niederpolige Wicklung 6 2polig, die höherpolige
Wicklung 12 dagegen beispielsweise 16polig bewickelt.
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Die radiale Höhe des Jocheisens des 16polig bewickelten Außenständers
besteht aus dem zwischen den Nuten 11 und dem ferromagnetischen Gehäuseteil
9 vorhandenen Anteil des Blechpaketes 10 des Außenständers und aus der magnetisch
wirksamen Wandstärke des ferromagnetischen Gehäuseteils 9: Addiert man dazu die
zwischen den Nuten 15 und 16 vorhandene Höhe des Läuferjocheisens, so ist
diese Summe der für den Rückschluß des magnetischen Flusses des 2poligen Innenständers
erforderlichen Höhe eines konventionell dimensionierten Läuferjoches gleichwertig.
Erfindungsgemäß . wurde die Höhe des Läuferjoches um den Anteil der Höhe des Jocheisens
des Außenständers reduziert.
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Da weiterhin die für den Rückschluß des magnetischen Flusses des 16polig
bewickelten Außenständers erforderliche Höhe des Jocheisens theoretisch nur etwa
1/s der Höhe eines vergleichbaren 2poligen Motors beträgt, wobei man aus mechanischen
Gründen das Ständerjoch meist überdimensioniert, ist die auf dem Läuferblechpaket
13 verbleibende reduzierte Jochhöhe mehr als ausreichend, um den gesamten magnetischen
Fluß des 16polig bewickelten Außenständers aufzunehmen, welcher sich deshalb praktisch
vollständig nur im Läufer schließt. Um das zu erreichen, ist für den 16polig bewickelten
Außenständer 10 im Läufer kein zusätzliches Jocheisen aufzuwenden.
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Man benötigt für den 16polig bewickelten Außenständer lediglich Eisen
für dessen zwischen den Nuten 11 angeordneten Zähne. Sowohl für dessen Läuferjoch
als auch für dessen Ständerjoch ist das ohnehin für den 2poligen Motor magnetisch
erforderliche Eisen ausgenutzt.