DE314651C

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Publication number: DE314651C
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Description

Die Erfindung bezweckt, das Anlaufmoment von Induktionsmotoren, mit Käfiganker zu erhöhen. Zu diesem Zwecke wird die Käfigankerwicklung in solcher Weise ausgeführt, daß in ihr bei verhältnismäßig hoher Frequenz, also im Anlauf bzw. bei großer Schlüpfung der Verlust durch Wirbelströme erhöht wird. Das Wesen der Erfindung wird im folgenden an Hand der Diagramme der Fig. 1 bis 4 erläutert. Die Fig. 5 und 6 stellen schaubildlich zwei Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes dar. '.

Die Wirbelströme in der Sekundärwicklung eines Induktionsmotors verursachen in dieser Wicklung hohe Verluste im Anlauf und erhöhen dadurch das Anlaufmoment; denn die Wirbelstromverluste hängen unmittelbar von der Frequenz ab und sind größer, wenn die Sekundärströme eine verhältnismäßig hohe Frequenz haben, also beim Anlauf bzw. bei großer Schlüpfung. Wenn dagegen der Motor auf volle Geschwindigkeit gekommen ist, sind die Wirbelströme nahezu verschwindend, da die Frequenz der Sekundärströme nahezu Null wird. Gemäß der Erfindung wird nun die Käfigankerwicklung so ausgebildet, daß die Wirbelstromverluste in ihr beim Anlauf bzw. bei großer Schlüpf ung sehr groß sind, während der Ohmsche Widerstand ihrer Leiter sehr gering ist, so daß im normalen Lauf ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Zu diesem Zwecke werden in anderweitig bekannter Weise zwei oder mehrere Leiter in tiefen Nuten übereinander angeordnet, und so verbunden, daß die einzelnen Leiter derselben Nut untereinander gleiche Gesamtströme führen.

Zur Klarlegung der WirJkungsweise dient eine Betrachtung der Stromverteilung und der Kraftliniendichte.

In Fig. ι ist in einer tiefen Nut 7 des Eisenkörpers 8 ein einziger tiefer Leiter 9 dargestellt. Die Fig. 2 zeigt linker Hand die Stromverteilung in diesem Leiter für drei verschiedene Frequenzen, und zwar bei I für die Frequenz Null, bei II für verhältnismäßig niedrige Frequenz und bei III für verhältnismäßig hohe Frequenz, während in derselben Figur rechter Hand die zugehörige Verteilung der Kraftliniendichte dargestellt ist.

Betrachtet man zunächst die Verteilung der Stromdichte in dem Leiter, so sieht man, daß diese bei der Frequenz Null über den ganzen Leiter gleichförmig verteilt ist. Mit zunehmender Frequenz nimmt die Stromdichte am Kopf (äußere Schmalfläche) des Leiters zu, während diejenige am Fuß (innere Schmälfläche) des Leiters abnimmt, da die Reaktanz am Fuß des Leiters größer' ist als am Kopf. Anfänglich, bei verhältnismäßig niedriger Frequenz; ist die Reaktanz im \^rerhältnis zum Ohmschen Widerstand des Leiters klein, weshalb sich die Stromverteilung nur allmählich

ändert. In dem Mäße, wie die Frequenz größer wird, wird die Reaktanz groß im Verhältnis zum" ΌHmisc he η Widerstand und" die Stromverteilung ändert sich dann sehr schnell. Bei der hohen Frequenz III ist der Strom gegen den Kopf des Leiters zusammengedrängt, die Stromdichte ist daselbst sehr hoch/ während sie im mittleren Teil des Leiters sehr niedrig und an seinem Fuß praktisch verschwindend

ίο ist. Es ist zu beachten, daß der Gesamtstrom des Leiters, welcher in der Fig. 2 linker Hand' durch die schraffierte^: Fläche veranschaulicht wird, für sämtliche Frequenzen der gleiche ist.

Der den Leiter schneidende Kraftfluß hat seine größte Dichte am Kopf des Leiters, und dieser Höchstwert ändert sich nicht mit der Frequenz", da er durch den gesamten im Leiter fließenden Strom, bestimmt, ist. Dagegen . hängt in jedem anderen Punkt die Kraftliniendichte noch von jenem Teil des gesamten Stromes ab, welcher zwischen dem Fuß des Leiters und dem betrachteten Punkt fließt. Daher nimmt die Kraftliniendichte an jedem anderen 'Punkt mit wachsender Frequenz ab infolge der Zusammendränguhg des Stromes am Kopf des Leiters. Dies . ist in der Fig; 2' rechter Hand'veranschaulicht.

Fig. 3 zeigt in der' Nut 7 ^: zwei Leiter 10 und 11 übereinander angeordnet, und es ist angenommen, daß sie beide gleichen Gesamtstrom führen. '■..'■' ■ ■ ' -:.^;Fig.'4 veranschaulicht linker Hand die zugehörige ,Verteilung der Stromdichte für drei verschiedene Frequenzen und rechter Hand die zugehörige Verteilung der Kraftliniendichte. Dabei veranschaulicht rechter Hand die doppelt ..schraffierte' Fläche jenen Teil des den äußeren Leiter 10 durchsetzenden Kraftflusses, welcher von diesem Leiter 10 herrührt, während die einfach schraffierte Fläche denjenigen Teil des Gesamtkraftflusses veranschaulicht, welcher, von- dem den inneren Leiter 11 durchfließenden Strom herrührt. Der Einfachheit halber ist angenommen; daß nur zwei Leiter in jeder Nut übereinanderliegen, es-könnten aber auch mehr Leiter sein, und es sollen alle diese Fälle kurz durch die Bezeichnung »unterteilter Leiter« von dem in Fig. 1 dargestellten Fall des' »nicht unterteilten Leiters«

unterschieden werden/'. '

-Solange beim unterteilten Leiter die Tiefe ■der einzelnen Teilleiter klein ist, ist der Unterschied zwischen'dem Kraftfluß,' welcher den

. Fuß des betreffenden Teilleiters schneidet, und jenem, welcher seinen Kopf schneidet, für ■ beide Teilleiter bei niedriger Frequenz kleiner als im Fall des' nicht unterteilten Leiters.

Daher ist der Unterschied in der Reaktanz am Fuß und am Kopf jedes Teilleiters geringer und daher die Stromverteilung im unterteilten Leiter bei niedrigen Frequenzen gleichförmiger als im nicht unterteilten Leiter. Die Folge davon ist ein. größerer Verlust im nicht unterteilten Leiter bei niedriger Frequenz. Da jedoch beim unterteilten Leiter die Teil-■leiter gleiche Ströme führen, so hängt die Dichte desjenigen Kraftflusses, welcher vom inneren Teilleiter herrührt und den äußeren Teilleiter schneidet, nicht von der Stromvcr-. teilung im inneren Teilleiter ab und würde für alle Frequenzen die gleiche bleiben, wenn nicht dieser Kraftfluß im äußeren Teilleiter Wirbelströme erzeugte, die die Kraftliniendichte im äußeren Teilleiter verändern. Der äußere Teilleiter ist somit nicht nur dem von seinem eigenen Strom herrührenden Kraftfluß unterworfen, sondern auch dem dichten Kraftfluß, welcher von dem Strom des inneren Teilleiters bzw. der inneren Teilleiter herrührt. Mit anderen Worten, es schneidet, ein Kraftfluß von viel höherer mittlerer Dichte den unterteilten Leiter als den nicht unterteilten Leiter, und der Unterschied wächst mit der Frequenz. Daher ist ersichtlich, daß mit wachsender Frequenz ein Punkt erreicht wird, wo der Unterschied zwischen der mittleren Kraftliniendichte des unterteilten Leiters und , des nicht unterteilten Leiters genügend groß ist, um den^; Verlust in beiden Fällen gleich zu machen, und daß mit noch weiter wachsender Frequenz der Verlust des unterteilten Leiters sogar größer wird. 'Dies wird durch Fig.-4 deutlich veranschaulicht. Der vom inneren Stab herrührende Kraftfluß erzeugt im äußeren Stab Wirbelströme, die die entgegengesetzte Richtung besitzen wie der durch den äußeren Stab fließende Gesamtstrom. Die Größe dieser Wirbelströme wird in der Fig.-4 linker Hand durch die doppelt schraffierte Fläche ' veranschaulicht, die links von der Nullinie liegt.

Aus der vorstehenden Betrachtung ergibt sich, daß sowohl· beim unterteilten Leiter als auch beim nicht unterteilten Leiter der Wirbelstromverlust infolge der ungleichförmigen Stromverteilung bei hoher Frequenz bei letzterer viel größer ist. Dies bedeutet für den Induktionsmotor einen ausgesprochenen Vorteil, da durch den vergrößerten Verlust beim Anlauf bzw. bei großer Schlüpfung ein .hohes Anlaufmoment (erzielt wird. Ferner verringert bei niedrigen Frequenzen oder für nicht zu tiefe Leiter die Unterteilung des letzteren den Verlust. Für höhere Frequenzen oder tiefere Leiter erhöht dagegen die Unterteilung den Verlust, d. h. für eine gegebene Tiefe des Leiters hängt es von der Frequenz ab, ob die Unterteilung den Verlust vergrößert oder verringert, und für eine gegebene Frequenz hängt es von der Tiefe des Leiters ab, ob die Unterteilung den Verlust vergrößert oder verringert. Wenn daher für eine gegebene Frequenz die

Tiefe des Leiters verändert wird, dann ist für wenig tiefe Leiter der Verlust des nicht unterteilten Leiters größer; in dem Maße aber, wie die Leiter tiefer und tiefer gewählt werden, nimmt der Unterschied in den Verlusten des ■ . nicht unterteilten und des unterteilten Leiters immer mehr und mehr ab, bis eine Tiefe erreicht wird, wo die Verluste gleich groß sind, . und darüber hinaus sind die Verluste im,unterteilten Leiter größer. Andererseits ist für eine gegebene Leitertiefe bei verhältnismäßig niedriger Frequenz der Verlust im nicht unterteilten Leiter größer als im unterteilten Leiter; mit zunehmender Frequenz wird ein Punkt erreicht, wo der Verlust im nicht unterteilten Leiter der gleiche ist wie im unter- ■ teilten Leiter, und für noch höhere Frequenz ist der Verlust im unterteilten Leiter größer.' Es ist somit ersichtlich, daß, um von den dargelegten Grundsätzen zur Vergrößerung des Anlaufmomentes eines Induktionsmotors vorteilhaft Gebrauch zu machen, eine Wicklung benutzt werden muß, in welcher die Nutentiefe genügend groß ist, oder daß die Frequenz genügend hoch sein muß, um bei unterteiltem ■ Leiter größere . Verluste als im nicht unterteilten Leiter zu erzielen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sind in jeder Nut übereinander zwei Stäbe 12 und 13 angeordnet, die durch Schellack und Emaille voneinander isoliert und in' der Mitte miteinander verschränkt sind, so daß die Stäbe 12 linker Hand außen und rechter Hand innen liegen, die Stäbe 13 dagegen umgekehrt. Sämtliehe Stäbe sind an ihren Enden mit den Kurzschlußringen 14 bzw. 15 verbunden. Infolge der Verschränkung muß in den Stäben 12 und 13 der gleiche Strom fließen. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 sind in jeder Nut drei Stäbe 16. 17 und 18 übereinander angeordnet und wieder voneinander isoliert. Jeder der Stäbe ist am linken Ende mit einem gemeinsamen Kurzschlußring 19 verbunden. An den anderen Enden sind die mittleren Stäbe 17 mit einem Kurzschlußring 20 verbunden. Jeder Außenstab 16 ist durch eine V-förmige Gabel 21 mit einem, um eine PoI-

' 'teilung versetzten Innenstab 18 verbunden. Infolge dieser Anordnung ist der Strom in den Außen- und Innenstäben der gleiche, und dasselbe gilt auch wenigstens angenähert für die mittleren Leiter. Im Gegensatz dazu ist bei der Anordnung nach der amerikanischen Patentschrift 718697 die Stromverteilung in übereinanderliegenden Stäben einer Nut verschieden, da der in einer .Nut liegende: Teilleiter zwei benachbarten Windungen des Kurzschlußankers angehört. , Jede Windung,, bestehend aus. dem Uförmigen Leiter , und djem zugehörigen Teil des Kurzschlußleiters;. umschließt nur einen geringen,;Bruchteil des gesamten magnetischen Flusses. .Die in der Windung induzierte E. M. K. und daher auch der Strom sind also abhängig. von. der augenblicklichen Stellung der. Windung.zur: maximalen Ampli-, tude des magnetischen Flusses.' Die in zwei, aufeinanderfolgenden Windungen, fließenden Ströme sind also nicht einander gleich. Auch. bei der Ausführung nach der .britischen Patentschrift 4077/03 fließen in den übereinander- liegenden Teilleitern nicht gleiche; Ströme., da die in derselben Nut liegenden Teilleiter in leitender Verbindung stehen. Selbstverständlich kann auch bei der Ausführungsform nach Fig. 6 eine gerade Anzahl von Stäben in jeder Nut benutzt werden, wobei der Kurzschlußring 20 für die mittleren Stäbe fortfällt. ';

An sich ist die Unterteilung der Leiter und die Verschränkung der in derselben Nut liegenden Stäbe bzw. die kreuzweise Verbindung von Stäben, die in um eine Polteilung versetzten Nuten liegen, bekannt, und zwar für Gleichstrommaschinen und für Synchronmaschinen, wobei die die Leiter durchfließenden ' Ströme konstante Frequenz haben und durch die Unterteilung die Wirbelstromverluste verringert werden sollen. Bei der Erfindung handelt es sich um die Anwendung bei Induktionsmotoren auf Grund der. Erkenntnis, daß bei verhältnismäßig großer Frequenz bzw. großer Nutentiefe durch die Unterteilung die Wirbelstromverluste und daher xkas Anlauf- moment vergrößert werden, -.·.... ,' ' .. ' .

Die Erfindung eignet sich zur Anwendung bei Motoren von 50 Pferdestärken und darüber, und zwar überall dort, wo ein hohes Anzugsmoment und gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad im normalen Lauf erforderlich ist, also z. B. beim Antrieb von_: Stahlwalzwerken und von .Schiffschrauben.

Claims

Patent-Anspruch·: -„ : .-: _;.

Käfiganker für Induktionsmotoren mit tiefen Nuten und zwei oder einigen wenigen übereinanderliegenden Leitern in jeder Nut, dadurch gekennzeichnet, daß die voneinander isolierten _: Teiileiter, jeder Nut etwa durch Kreuzung der Leiter_; innerhalb öder außerhalb . der Nut gleiche Ströme führen und eine solche Höhe besitzen, daß ; die Wirbelstromverluste, für : den Anlauf größer sind als bei.einem.die ganze Nutentiefe füllenden i Leiter. „·. :

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.