DE2631547A1

DE2631547A1 - Wechselstrommotor

Info

Publication number: DE2631547A1
Application number: DE19762631547
Authority: DE
Inventors: Cravens Lamar Wanlass
Original assignee: CRAVENS RESEARCH CO
Current assignee: CRAVENS RESEARCH CO
Priority date: 1975-07-21
Filing date: 1976-07-14
Publication date: 1977-02-03
Also published as: NO143516B; AU1540076A; CA1085911A; JPS6132908B2; BE844130A; SE7608249L; SE431495B; DE2631547B2; MX146802A; AT358137B; NO143516C; BR7604716A; NL7607817A; ES449966A1; FR2319234B1; IE42909L; IL49984A; IT1062116B; IL49984A0; US4063135A

Description

DIPL.-ING. H. MARSCH * Düsseldorf,

LINDEMANNSTRASSE Sl POSTFACH 14O147

PATENTANWALTE TEtBFON (0211) 67 sa 4β

DIPL.-ING. K. SPARING _poSTFACH

1/684

Beschreibung

zum Patentgesuch 2631547

der Fa. Cravens Research Company, 9871 Overhill Drive, Santa Ana, Californien, USA

betreffend Wechselstrommotor

Die Erfindung betrifft einen Wechselstrommotor, insbesondere einen Induktionsmotor mit einem Käfigläufer. Solche Käfigläufermotoren unterliegen zahlreichen Beschränkungen. Sie ziehen z.B., wenn sie stark belastet sind exzessiv hohe Ströme bei Drehzahlabfall des Motors welche Ströme zu einem Ausbrennen des Motors führen können, falls dieser nicht Hilfseinrichtungen geschützt wird. Solche Motoren müssen ein hohes Verhältnis zwischen Stillsetzdrehmoment zu Laufdrehmoment aufweisen, um eine Motorbeschädigung, im Falle einer Motorüberlastung zu vermeiden und als Resultat dieser Forderung muß die Flußdichte auf erheblich niedrigeren als den Sättigungspegel gehalten werden.

Diese relativ niedrige Flußdichte, während des Normalbetriebes wird auch erforderlich durch mögliche Eingangsspannungsänderungen. Da die Flußdichte relativ niedrig gehalten werden muß, muß man die Motorgröße wesentlich größer wählen, als theoretisch bei einem Idealmotor erforderlich wäre, um die gewünschte mechanische Ausgangs-

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leistung zu erzielen. Zusätzlich hängt die mechanische Ausgangsleistung solcher Motoren merkbar ab von der Leitungsspannung und in gewissen Grenzen auch von der Leitungsfrequenz.

Ein weiteres Problem bei konventionellen Induktionsmotoren sind die hohen Anlaufströme beim Betrieb, üblicherweise muß man bei Motoren jeglicher Größe äußere Strombegrenzungseinrichtungen vorsehen oder man verwendet spezielle und teuere Rotorkonstruktionen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die vorgenannten Nachteile konventioneller elektrischer Induktionsmotoren zu verringern oder zu vermeiden, wobei sich die Lösung aus dem Patentanspruch 1 ergibt. Danach wird ein System geschaffen, bei dem die magnetische Flußdichte im Stator auf Maximalpegel gehalten wird. Zusätzlich gestattet die Erfindung den Rotorstrom ebenfalls auf einem hohen Wert zu halten, verglichen mit dem,der in konventionellen Elektromotoren des Induktionstyps zulässig ist. Da die in einem Leiter der sich in einem Magnetfeld befindet ausgeübte Kraft durch die Gleichung definiert ist:

F = BxIxI
mit

F = Kraft

B = Flußdichte

1 = Leiterlange

I = Strom, der den Leiter durchfließt

kann man erkennen, daß maximale Ausdrücke für B und I bei gegebenem L die Kraft auf ein Maximum bringen und konsequenterweise bei einem Motor auch das Drehmoment und die mechanische Leistung.

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Gemäß der Erfindung erfolgt die Flußdichtemaximierung durch Steuerung der Flußdichte im Statorkern mittels des Kondensators, der in Serie mit der Hauptstatorwicklung geschaltet ist. Der Kondensator hat eine Kapazität derart, daß die in ihm gespeicherte Spannung zusammen mit der Eingangsspannung periodisch dazu führt, daß die Voltsekundenkapazitat des Statorkerns überschritten wird, mit dem ERgebnis, daß der Statorkern periodisch nicht linear von der Sättigung in den ungesättigten Zustand wechselt und umgekehrt. Die mittlere Flußdichte im Statorkern wird demgemäß sehr hoch gehalten und ohne Gefahr, daß hohe Eingangsspannungen zu extrem hohen Eingangsströmen führen. Der Kondensator begrenzt die Energiemenge, die auf den Rotor übertragen werden kann, selbst dann, wenn der Rotor eine sehr niedrige Impedanz besitzt, so daß aich die Rotorströme maximal gemacht werden können. Die Rotorinduktivität kann niedriger gewählt werden als in konventionellen Motoren und der bei Motordrehzahl 0 induzierte Strom kann größer als in konventionellen Motoren gemacht werden, obwohl dieser Strom immer noch einen angemessenen Wert bei normaler Motordrehzahl und normaler Motorbelastung haben wird. Demgemäß kann der Motor gemäß der Erfindung wesentlich einfacher optimiert werden, als konventionelle Motoren für eine große Anzahl von Anwendungsfällen oder vielleicht sogar für jeden denkbaren Anwendungsfall.

Durch Verwendung eines Kondensators in Reihe mit der Stetorhauptwicklung des Motors und durch Betrieb des magnetischen Motorkreises in "weicher" Sättigung infolge des Begrenzungseffekts, der Gesamtenergieübertragung durch den Kondensator ist das Endergebnis einMotor, der mit maximaler Flußdichte unter den meisten Netzspannungsbedingungen betrieben werden kann, ohne daß sich bei hohen Eingangsspannungen extrem hohe Eingangsströme ergeben. Mit anderen Worten wären der Eingangsstrom und die Flußdiche in dem Motor nicht extrem

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nichtlinear als eine Funktion der Netzspannung, wie dies gegenwärtig der Fall ist, bei konventionellen Wechselspannungsinduktions- und anderen Motoren. Bei der Erfindung wird Gebrauch gemacht von der Tatsache, daß die Induktivitäten der Motorwicklungen nur •eine gewisse Energie absorbieren können, bevor das magnetische Material des Stators gesättigt wird und den Kondensator entlädt. Wenn das magnetische Material des Motors sich sättigt, entlädt sich der Kondensator über die Motorwicklung und die Stromversorgungsquelle und der Kondensator lädt sich in entgegengesetzter Richtung auf. Der Strom durch die Wicklung kehrt sich dann um, und der Kondensator wird dann zur Energiequelle und hält den durch die Wicklung fließenden Strom aufrecht. Dies bleibt so, bis die Spannung der Wechselspannungsquelle ihre Polarität ändert. Die voltsekunden der Eingangsspannung von dem Netz oder der Zuleitung oder der Wechselstromquelle addieren sich dann zu den Voltsekunden, die durch den Kondensator auf die Motorwicklung übertragen worden sind. Dies bleibt so, bis zur gesamten Voltsekundenkapazität der Wicklung und des magentischen Materials des Motorstators und das magentische Material des Motors sättigt sich wieder. Der Kondensator entlädt sich dann durch die Motorwicklung, da diese gesättigt worden ist, und die Wechselstromquelle lädt den Kondensator wiederum in entgegengesetzter Richtung auf. Der Strom durch die Motorwicklung kehrt sich dann wiederum um und der Kondensator bildet wiederum die Stromquelle für den Strom durch die Motorwicklung. Dies bleibt so, bis wiederum die Netzspannung ihre Polarität ändert. Mit zunehmender Amplitude der Netzspannung sind die Voltsekunden der Netzspannung plus diejenigen des Kondensators wieder in Phase und addieren sich bis dieVoltsekundenkapazitat der Motorwicklung und des mit ihr verknüpften magnetischen Materials überschritten wird. Das mit der Wicklung verknüpfte mag-

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netisehe Material sättigt sich wiederum und die Induktivität der Motorwicklung verringert sich wieder erheblich, was zur Entladung des Kondensators durch die Wicklung führt.. Dieser Vorgang wiederholt sich in jedem Halbzyklus und hat zum Ergebnis, daß der Motor mit Maximaler Flußdichte läuft und demgemäß mit maximaler Kraft, maximalem Drehmoment und maximaler mechanischer Leistung.

Gemäß der Erfindung erhält man maximale Flußdichte und da die Spannung über dem Kondensator üblicherweise viel höher ist (obwohl das nicht unabdingbar ist) als die Spannung der Wechselstromquelle, ist die Flußdichte in dem Statorkern relativ unabhängig von der Netzspannung innerhalb ziemlich großer Bereiche der Amplitude. Darüberhinaus verhindert der Kondensator,dass exzessiv hohe Ströme durch die Motorwicklung fließen, wenn das magnetische Material sich sättigt, da nur die in dem Kondensator ge-

speicherte Energie, d.h. 1/2 CV , durch die Wicklung übertragen werden kann. Diese begrenzte Energieübertragung verhindert, exzessive Ströme aus dem Netz durch die Motorwicklung.

Man erhält dann einen Wechselstrommotor, der innerhalb weiter Eingangsspannungsbereiche mit hohem Wirkungsgrad arbeitet und ausgezeichnete Betriebskennerwerte aufweist. Da der Kondensator die durch die Motorwicklung übertagene Energiemenge in jedem Halbzyklus begrenzt ist normalerweise ein Ausbrennen des Motors unmöglich. Im Falle einer Motorüberlastung bleibt dieser einfach stehen und die auf den Motor übertragene elektrische Eingangsleistung wird erheblich herabgesetzt. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß über dem Serienkondensator dann eine viel niedrigere Spannung steht, als normalerweise, da der Motor nicht in der kontrollierten Phase läuft, und dann der

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1/2 CV Energiepegel erheblich verringert ist.

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Es hat sich gezeigt/ daß man sogar noch bessere Betriebskennwerte erzielen kann, wenn man auf dem Statorkern eine Hilfswicklung vorsieht, die parallel zur Hauptwicklungskondensator-Reihenschaltung geschaltet ist. Es hat sich gezeigt, daß die Hilfswicklung das erforderliche Drehfeld für den Anlauf eines Einfadenmotors liefert, und zusätzlich zu einem erheblich vergrößerten Anlaufdrehmoment des Motors führt. Es hat sich' ferner gezeigt, daß wenn der Motor einmal auf der Nenndrehzahl bei Nennlast ist, die Hilfswicklung keine merkbaren Anteil mehr für den Motorbetrieb hat. Wenn jedoch· die Belastung zunimmt, beginnt die Hilfswicklung wieder Strom zu ziehen und arbeitet als Motorwicklung, so daß man ein zusätzliches Motordrehmoment erhält. Im Falle einer erheblichen überlastung bleibt der Motor immer noch stehen, ohne Beschädigung,infolge zu hoher Ströme, wenn jedoch die überlastung wegfällt, läuft der Motor wieder an und gelangt auf seine Nenndrehzahl. Diese Hilfswicklung hat üblicherweise eine viel höhere Impedanz als die Statorhauptwicklung und deshhalb ist der Strom durch die Hilfswicklung relativ niedrig im Vergleich mit beispielsweise der Hauptwicklung eines Induktionsmotors.

Darüberhinaus dient die Hilfswicklung als Begrenzung für den Eingangsstrom, da mit zunehmender Eingangsspannung oder zunehmender Motordrehzahl diese Wicklung als Generatorwicklung infolge der selbst induzierten e.m.f. zu wirken beginnt, welche die Eingangsspannung übersteigt, wobei ein Strom erzeugt wird, der einem Teil des von der Statorhautpwicklung gezogenen Stromes entgegenwirkt. Dies wird natürlich dadurch ermöglicht, daß die Statorhauptwicklung die primäre Leistungsquelle des Motors ist.

Die Erfindung steht in gewisser Weise in Beziehung mit dem was in den US Patentschriften 3,612,988 und 3,881,146 offenbart ist, so daß für näheren theoretischen Aufschluß

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auf diese Druckschriften verwiesen werden kann.

Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 stellt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel dar

Fig. 2 zeigt .schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 3 ist eine .schematische Darstellung einer dritten Aus führungs form,, und

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 stellt in schematischer Form eine bevorzugte Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung dar. Ein Wechselstrominduktionsmotor mit Käfigläufer ist diagrammartig bei Io dargestellt, mit einem Stator 12 aus magnetisierbarem Material und einem Rotor 14 mit Käfigläufer. Der Stator besitzt hier, vier Polschuhe 16,18,2o und 22, obwohl natürlich je nach Wunsch mehr oder weniger Polschuhe vorgesehen werden können. Der Fachmann weis auch, daß die Konfiguration der Polschuhe hier nur diagrammartig dargestellt ist, und daß man in den meisten Fällen wahrscheinlich Polschuhe vorsehen würde, die eine Verengung aufweisen, damit nur an diesen Punkten Sättigung eintritt. Im Rahmen der Erfindung wurden jedoch keine Gesichtspunkte bezüglich der physikalischen Konstruktion des Motors berücksichtigt,, um diese optimal zu machen. Daher kann auf nähere Erläuterungen verzichtet werden. Die Statorhauptwicklung 24 ist hier als um die Pole 16. und 2o gewickelt dargestellt,, und sie ist verbunden mit. den Eingangsklemmen 26, über einen in Reihe liegenden Kondensator 28. Der Kondensator 28 muß nicht

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unbedingt einen bestiitunten Wert haben/ doch ist er so zu bemessen,- daß seine Kapazität groß genug ist, um einen kapazitiven Leistungsfaktor in der Serienschaltung aus ihm und der Wicklung 24 während des normalen Motorbetriebes aufrechtzuerhalten. Eine Statorhilfswicklung 30 ist auf die Pole 18 und 22 gewickelt und ist parallel geschaltet zu der Serienschaltung aus Wicklung 24 und Kondensator 28. Die Wicklung 3o hat vorzugsweise erheblich höhere Induktivität und Impedanz als die Wicklung 24. Sie kann z.B. eine viel größere Windungszahl, unter Verwendung dünneren Drahtes besitzen. Ein Stabkondensator 32 ist über den Kondensator 28 schaltbar/ mittels eines Zentrifugalkraft betätigten Schalters 34.

Der Motor nach Fig. 1 arbeitet wie oben beschrieben. Wenn, um es kurz zu wiederholen. Wechselspannung an die Klemmen 26 angelegt wird, beginnt der Kondensator 28 sich aufzuladen und ein Strom fließt durch die Wicklung 24. Ein Strom fließt auch durch die Wicklung 3o, der außer Phase ist mit dem primären kapazittiven Strom in Wicklung 24, mit dem Ergebnis, daß ein Drehfeld erzeugt wird, daß den Rotor 14 zur Drehung antreibt. In diesem Zeitpunkt wird ein erheblicher Teil der Antriebskraft von der Wicklung 3o erzeugt, in so fern, als die Statorhauptwicklung 24 und der Kondensator 28 noch nicht in dem Normalbetriebsmodus sind. Bei zunehmender Rctor- oder Läuferdrehzahl und zunehmender Gegen-emk wird die wirksame Induktivität der Wicklung 24 so, daß diese Wicklung 24 zusammen mit dem Kondensator 28 in den gewünschten Betriebszustand übergeht. Mit anderen Worten wird die wirksame Voltsekundenkapazitä; der Wicklung 24 und des mit ihr verknüpften magnetischen Materials so groß,, daß der Motor wie oben beschrieben arbeiten kann.

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d.h. der Kondensator 28 lädt sich periodisch auf/ entlädt sich wieder und wird umgeladen in entgegengesetzter Richtung/ womit er das magnetische Material, das mit der Wicklung 24 verknüpft ist, dazu zwingt, aus dem ungesättigten in den gesättigten Zustand zu schalten, während die mittlere Flußdichte sehr hoch gehalten wird.

Wenn die Läuferdrehzahl dem Nennwert zustrebt, wird der Strom in der Statorhilfswicklung 3o immer niedriger. Vorzugsweise ist diese Wicklung so ausgelegt, daß bei Nenndrehzahl und Nennlast bei Nenneingangsspannung minimaler Strom in ihr fließt. Falls die Last sich vergrößert oder der Läufer in anderer WEise abgebremst wird, zieht die Wicklung. 3o mehr Strom und trägt damit zur Antriebskraft des Motors wieder bei. Dies ist sehr erwünscht, da man für Überlastungsperioden zusätzliches Drehmoment erhält, während die überlast, wenn sie zu groß wird die Wicklung 24 aus dem gewünschten Betriebsmodus treibt und den Motor zum Stillstand bringt.

Der Kondensator 32 ist zwar nicht unabdingbar, jedoch nützlich für die Vergrößerung des Anlaufdrehmoments in dem zunächst mehr Strom durch die Hauptwicklung 24 fließen kann. Nach dem der Motor eine vorgegebene Drehzahl erreicht hat, öffnet der Zentrifugalschalter 34 und klemmt den Kondensator 32 von der Schaltung ab.

Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung lassen sich dem folgenden Beispiel entnehmen. Ein handelsüblicher Käfigläuferinduktionsmotor (Dayton Model 5K989A, ein 1/4 PS bei 1725 UpM) wurde gemäß der Erfindung modifiziert, in dem man einen für I8o bis 19o V ausgelegten Kondensator mit einer Kapazität von 7o Mikrofarad zuschaltete.. Die Anlaufwicklung wurde als Hilfswicklung geschaltet und direkt an die Eingangsklemmen gelegt,d.h. der Zentrifugalschalter,der normalerweise zusammen mit der Anlaufwicklung verknüpft wurde, war überbrückt.

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Dieser Schalter wurde dann verwendet/ um einen zusätzlichen Stabkondensator von 12o Mikrofarad (Kondensator 32 in Fig. 1) dem Motor zuzuschalten. Am sonstigen Aufbau des Motors wurde nichts geändert. Vor der Änderung würde der Wirkungsgrad des Motors gemessen, d.h. das Verhältnis aus abgegebener mechanischer Leistung zu eingeführter elektrischer Leistung bei Nennlast und Nenndrehzahl; der Wirkungsgrad betrug etwa. 35 %. Nach dem Umbau gemäß der Erfindung betrug der Wirkungsgrad bei gleicher Drehzahl und Last etwa 6o %. Zusätzlich kann auch nicht für längere Zeitperioden den handelsüblichen Motor mit höherem Ausgangsleistungspegel arbeiten lassen, was theoretisch einen besseren Wirkungsgrad ergäbe, weil die höheren inneren Verluste des Motors dann zur überhitzung und zum möglichen Durchbrennen führen würde. Wegen der niedrigeren Verluste bei dem erfindungsgemäß abgewandelten Motor kann derselbe Motor mit erheblich höherer Ausgangsleistung mit entsprechender Vergrößerung des Wirkungsgrades vertrieben werden. Demgemäß konnte man den erfindungsgemäß umgebauten Motor mit einer Leistung von o,4 PS arbeiten lassen, bei dem sich ein Wirkungsgrad von etwa 75 % ohne irgendwelche überhitzung ergab. Tatsächlich war die im Motorinnern abgegebene Wärmeleistung unter diesen Bedingungen niedriger als die Verlustwärmeleistung bei den unveränderten Motor bei dessen Nenndaten.

Bei dem unveränderten Motor betrug, unbelastet der Eingangsstrom bei einer Eingangsspannung von 12o V etwas 6,3 A, entsprechend dem Nennstrom des Motors. Bei I4o V jedoch stieg der Strom auf über 9 A und steigt dann sehr schnell mit steigender Eingangsspannung soweit an, daß der Motor durchbrennen würde. Der gemäß der Erfindung abgewandelte Motor zog einen Eingangsstrom\on etwa 3,4 A bei 12o V Eingangs spannung, und der Strom war etwa· der gleiche bei

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14o V, wobei die Kurve hinter diesem Punkt beinahe flach verläuft.

Das Anlaufdrehmoment des erfindungsgemäß abgewandelten Motors war etwas niedriger als das des Originalmotors, jedoch vollkommen angemessen für Eingangsspannungen oberhalb 8o V. Dieses Anlaufdrehmoment könnte vergrößert werden durch Vergrößerung der Kapazität des Anlaufkondensators 32. Der Motor gemäß der Erfindung unterscheidet sich daher grundsätzlich von einem Spaltphasenmotor in so fern, als er bei allen normalen Netzspannungen angemessenes Anlaufdrehmoment hat und auch für alle normalen Anwendungsfälle selbst ohne zusätzliche Startkapazität.

Derselbe Motor wurde dann nochmals modifiziert, um den 7o Mikofarad Kondensator (Kondensator 28) durch einen loo Mikrofarad Kondensator mit Nennspannung von etwa 18o bis 19o. V zu ersetzen. In diesem Falle betrug der Motorwirkungsgrad etwa 51 % bei Nennlast, und Nenndrehzahl, und wiederum konnte der Motor mit höheren Ausgangsleistungen ohne Gefahr des Durchbrennens betrieben werden, z.B. mit etwa o,4 PS mit einem Wirkungsgrad von etwa 75 %. Der Eingangsstrom bei. 1.2o. V betrug etwa 5,^;,1 A und stieg^aS£wa 5,3 A bei 14o V, wonach der Strom für noch höhere Spannungen nur noch unmerklich ansteigt. Das Anlaufdrehmoment des Motors bei dieser Modifikation war immer noch niedriger als das des Originalmotors, jedoch größer als das des modifizierten Motors nach Beispiel. 1.

Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Motors nach Fig. 1, wobei" für einander entsprechende Bauteile gleiche Bezugszeichen vorgesehen werden. Wie man erkennt, arbeitet der Zentrifugalschalter 34 nun so, daß sowohl der Anlaufkondensator 32, wie auch die Hilfswicklung 3o von dem Netz abgeklemmt werden, nachdem der Motor die entsprechende Drehzahl erreicht hat. Diese Ausbildung kann verwendet werden, wc »es _öwün.schensw,ert ist, daß der Motor

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bei überlast stehenbleibt, und nicht wieder anläuft bis die Überlastbedingung korrigiert ist. In einem solchen Falle kann der Zentrifugalschalter 34 so abgewandelt werden, daß er nicht wieder schließt, bis nicht die Leistung verringert worden ist. Während der AnIaufkondensator 32 für den Motorbetrieb nicht notwendig ist, muß die Hilfsstatorwicklung 3o bei einem Einphasenmotor vorhanden sein, um ein Drehfeld für den Motoranlauf zu erzeugen. Wenn der Motor eine hinreichende Drehzahl erreicht hat, daß der Kreis aus Kondensator 28 und Wicklung 24 in den Betriebsmodus übergeht, ist die Wicklung 3o nicht mehr länger für den Motorbetrieb erforderlich, obwohl sie im allgemeinen wünschenswert ist. Während hier ein Einphasenmotor dargestellt und beschrieben worden ist, versteht es sich, daß die Erfindung in gleicher Weise auch bei Dreiphasen- oder anderen Multiphasenmotoren vorgesehen werden kann, wobei ein Kondensator pro Phase, vorgesehen wird. Im Falle eines Mehphasenmotors ist keine Anlaufwicklung erforderlich, doch die Verwendung einer Hilfswicklung wäre immer noch vorteilhaft, aus den oben erläuterten Gründen. Es scheint, daß nur eine Hilfswicklung erforderlich wäre, um 'die gewünschte Betriebsweise zu erzielen, doch könnten, falls erwünscht, auch drei solcher Wicklungen, eine für jede Phase verwendet werden.

Fig. 3 zeigt eine Ausfuhrungsform des Gegenstandes der Erfindung, bei der der Motor mit einer zugehörigen Leistungsquelle in Form einer Gleichspannungsguelle verbunden ist, und wobei der Motor ferner mit höheren Drehzahlen und demgemäß höherem Verhältnis zwischen Leistung und Abmessungen laufen kann. Bei dieser Ausführungsform wurde die Zeichnung, vereinfacht, in dem der Stator weggelassen wurde, doch versteht es sich, daß er ähnlich, wie in Fig. 1 dargestellt, aufgebaut sein wird.

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Auch der Anlaufkondensator und der Zentrifugalschalter wurden zur Vereinfachung weggelassen, wären jedoch normalerweise vorgesehen. Wiederum werden die gleichen Bezugszeichen, verwendet, um einander entsprechende Elemente zu identifizieren. Zusätzlich zum Motor selbst ist ein Inverter vorgesehen, der ein Paar von gesteuerten Siliziumgleichrichtern SCR., und SCR₂, ein Paar von Dioden D₁ und D„, sowie einen Motorsteueroszillatorkreis 36 umfaßt. Der Inverter besitzt ein Paar von Eingangsklemmen 38 zum Anschluß an die Gleichspannungsquelle. Der invertermotorschaltkreis, der dargestellt ist, ist selbst kommutierend, d.h. der Motorsteueroszillatorkrexs 36 liefert Triggerimpulse zum Einschalten der gesteuerten Siliziumgleichrichter, jedoch schaltet der Kreis dieselben von allein im richtigen Zeitpunkt ab. Der Motorsteueroszillatorkrexs 36 ist konventionell aufgebaut, und kann je nach Wunsch und an sich bekannt eine feste oder variable Ausgangsfrequenz liefern.

Die dargestellte Anordnung arbeitet wie folgt: Aus Gründen der Vereinfachung sei der Strom durch die Wicklung 3o außer Betracht gelassen, da er nicht merkbar den Betrieb des restlichen Kreises beeinflußt. Der gesteuerte Siliziumkreisrichter SCR, wird in Entsperrzustand getriggert durch den Oszillatorkreis 36, so daß Strom I₁ fließen kann, wie in Fig. 3 angedeutet. In diesem Schaltzustand sei angenommen, daß die Wicklung 24 gesättigt ist. Wenn der Kondensator 24 beginnt sich mit positiver Polarität auf der Linken Platte aufzuladen, nimmt der Strom durch die Wicklung 24 ab, bis das magnetische Material verknüpft mit dieser Wicklung außer Sättigung gelangt. In diesem Zeitpunkt ist die Ladung auf Kondensator 24 groß genug, daß der Strom durch die Wicklung 24 zur Richtungsänderung gezwungen wird, da die Kondensatorspannung größer ist, als die Spannung der Gleichspannungsquelle. Der Strom nimmt dann die Richtung wie in Fig. 3 durch I₂ angedeutet. Dieser umgekehrte Strom I₂ fließt durch die Diode I₁ und schaltet den SCR₁ ab. Dies bleibt so, bis der Oszillatorkreis 36

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den SCR₂ triggert. Dies führt dazu, daß die Gleichspannung, die der Spannung auf Kondensator 24 entgegenwirkt, abgetrennt wird, mit, dem Ergebnis, daß plötzlich eine Spannung gleich der der Quellenspannung zuaddiert wird, wie sie vorher gesehen, von der Wicklung 24 aus, vorlag. Die gesamten Voltsekunden, die an der Wicklung 24 an sich liegen, übersteigen bald die Voltsekundenkapazität der Wicklung 24 und des mit ihr verknüpften magnetischen Materials, und das letztere wird gesättigt, was zu einer Verringerung der Induktivität der Wicklung 24 führt. Der Kondensator 28 entlädt sich dann durch die Wicklung 24, und dieser Strom ist in Fig. 3 als I₃ aufgezeichnet. Der Kondensator 28 beginnt sich nun mit entgegengesetzter Polaritä: aufzuladen, d.h. die rechte Platte oder der rechte Belag wird positiv. Wenn der Kondensator 28 sich mit dieser neuen entgegengesetzten Polarität auflädt, nimmt der Strom durch die Wicklung 24 ab, mit dem Ergebnis, daß die Sättigung verlassen wird,, und die Wicklung 24 eine viel höhere Impedanz annimmt. Der Strom durch die Wicklung 24 kehrt sich dann um, wenn die rechte Platte des Kondensators 28 positiv ist, relativ zu linken Platte. Dieser Strom ist in Fig. 3 als I₄ dargestellt. Er fließt durch die Diode D₂ und schaltet den SCR₂ ab.

Dieser Zustand bleibt so, bis. der Oszillatorkreis 36 wieder den SCR durchschaltet. Die Gleichspannung aus der Gleichspannungsquelle addiert sich nun zur Spannung auf den Kondensator 28 mit dem Ergebnis, daß die Voltsekundenkapazität der Wicklung 24 und des mit ihr verknüpften magentischen Materials überschritten wird und das letztere wieder gesättigt wird, so daß der nun fließende Strom wieder I₁ ist. Der Zyklus wiederholt sich dann wieder selbst wie vorbeschrieben. Das Erigebnis ist ein selbstkommutierender Wechselspannungsinduktionsmotor - inverter, der aus einer Gleichspannungsquelle betrieben wird. Der Ausdruck Wechselspannungsquelle, der vorstehend benutzt wurde, soll also sowohl normale Netz-

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spannung umfassen, wie auch eine Spannung, deren Polarität periodisch umgekehrt wird, etwa durch einen Inverter oder einen anderen Verhacker. Die Frequenz des Motors würde natürlich bestimmt durch die Frequenz des Ausgangs des Oszillatorkreises 36. Die Voltsekundenkapazität des Motors muß so bemessen werden, daß der gewünschte Betreibsfrequenzbereich überdeckt ist. Durch Veränderung der Ausgangsfrequenz des Oszillatorkreises 36 kann ein aus einer Gleichspannungsquelle betätigender Motor verwendet werden, um Verbraucher anzutreiben, welche eine variable Drehzahl fordern, ohne Verwendung komplizierter Steuer.schaltkreise oder spezieller teuerer Motoren. Falls erwünscht -.kann die Frequenz des Oszillatorkreises gesteuert werden durch ein entsprechend ausgebildetes die Drehzahl rückkoppelndes Netzwerk, das z.B. durch einen Tachometer gespeist wird. Auf diese Weise kann man einen Motor konstanter Drehzahl erhalten.

Eine weitere Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Ausfuhrungsform entspricht Fig.. 1 mit der Ausnehme, daß ein Abtastkreis 4o vorgesehen ist,, um die effektiven Größe der Eingangswechselspannung zu erfassen und entsprechend ausgebildete Schalter .zu betätigen, wie etwa die Triags 42 und 44, von denen jeder ehen zusätzlichen Kondensator 28Oder 28" parallel zum Kondensator 28 schaltet. Diese Erweiterung der Schaltung kann verwendet werden anstelle des oder zusätzlich zu dem Anlaufkondensator 32 und dem Schalter 34 nach Fig. 1. Der Abtastkreis 4o dient dazu, den Effektivwert der Eingangsspannung zu erfassen und die Kapazität zu steuern, die mit der Motorwicklung 24 zusammengeschaltet wird. Die erforderliche Kapazität ist eine inverse Funktion der Eingangsspannung, so daß kL· höherer Eingangseffektivspannung, die erforderliche Kapazität niedriger ist. Die Verwendung von Triacs ermöglicht, daß die Kapazität aus dem Schaltkreis heraus oder in diesen hereingeschaltet werden kann, bei den Nulldurchgängen, so daß keine Schalt-

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einschwingvorgänge auftreten. Mit dieser Technik kann der Motor automatisch sich an alle genormten Netzspannungen anpassen, z.B.. von 9oV/ wie sie in Japan vorgesehen sind, bis zu 26o V, die gelegentlich in Europa vorgesehen werden. Der Motor arbeitet auch ohne sonstige Änderung ausgezeichnet, sowohl bei 5o wie bei 60 Hz.

Es ist darauf hinzuweisen, daß zwar angenommen wird, daß die Arbeitsweise des Motors hinsichtlich der auftretenden physikalischen Phänomene richtig beschrieben worden ist, doch bedeutet das nicht, daß der Schutzumfang der Erfindung dadurch eingegrenzt werden soll. Möglicherweise wird man später andere Erklärungen finden. Ferner ist darauf hinzuweisen, daß zwar die Ausführungsbeispiele sich auf einen Käfigläuferinduktionsmotor beziehen, daß die Erfindung jedoch nicht auf solche besJiränkt ist.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

1.] Elektromotor mit einem Stator aus magnetisierrem Material/ mit einem Rotor, einer Statorhauptwicklung, in Verknüpfung mit dem magnetisierbaren Material und mit Anschlussklemmen für den Anschluß an Wechselspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator in Serie mit der Hauptstatorwicklung an die Eingangsklemmen angeschlossen ist.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator eine so hohe Kapazität aufweist, daß während des Betriebs die Serienschaltung mit einem kapazitiven Leistungsfaktor behaftet ist.

3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorhauptwicklung relativ niedrige Induktivität aufweist, und daß eine Statorhilfswicklung relativ höherer Induktivität mit dem magnetisierbaren Statormaterial verknüpft und parallel zur Serienschaltung aus Kondensator und Statorhauptwicklung geschaltet ist.

4. Elektromotor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Drehzahlabhängig arbeitende Einrichtung für das Abklemmen der Statorhilfswicklung von der Anschlußklemme bei Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl durch den Rotor.

5. Efektromotor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen weiteren Kondesator, mit einer Schältereinrichtung mittels der der weitere Kondensator zu dem erstgenannten Kondensator parallel zuschalt- bzw. abschaltbar ist.

6. Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinrichtung rotordrehzahlabhängig arbeitend ausgebildet ist.

7. Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Schaltereinrichtung auf den effektiven Wert der Eingangswechselspannung ansprechend ausgebildet ist.

8. Elektromotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle einen Inverter umfaßt.

9. Elektromotor nach Anspruch 8/ dadurch gekennzeichnet, daß der Inverter Schalter umfaßt, die einschaltbar sind, durch eine externe Signalquelle und abschaltbar sind durch den Betrieb des Kondensators und der Statorhauptwicklung.

10. Elektromotor nach Anspruch 1, mit zpgehöriger Wechselstromqeuelle, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator auf eine Spannung aufladbar ist, die, zur Wechselspannung der Quelle addiert, einen Voltsekundenwert über dem Statorkern entwickelt, der größer ist, als die Voltsekundenkapazität des Kerns, so daß der Kern in entgegengesetzten Richtungen bei jedem Halbzyklus der Wechselspannung gesättigt wird.

11. Elektromotor mit zugehöriger Wechselstromquelle nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator eine Hilfswicklung trägt, und die Hilfswicklung parallelschaltbar ist air Serienschaltung aus der Statorhauptwicklung und dem Kondensator.

12. Elektromotor mit zugehöriger Wechselstromquelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorhilfswicklung eine höhere Induktivität aufweist, als die Statorhauptwi cklung.

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