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Drehstrommotor Patentansprüche:
Beschreibung: Die
Erfindung betrifft einen Drehstrommotor höherer Leistung, insbesondere für hohe
Schalthäufigkeit, bestehend aus Stator, Rotor, gegebenenfalls Bremse sowie einem
Getriebe.
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Obwohl Drehstrommotoren im allgemeinen bei Durchlaufbetrieb und auch
noch bei schwellender Last als Antriebe mit hervorragendem Wirkungsgrad gelten,
treten bei Schaltbetrieb und höherer Leistung spezifische Nachteile sehr stark in
Erscheinung. Andererseits erfordern zunehmende Automatisierung und Zunahme der Größe
der anzutreibenden Objekte, Antriebe, die bei höherer Leistung und hoher Schalthäufigkeit
mit gutem Wirkungsgrad arbeiten.
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Bei Drehstrommotoren ist z. B. das Gewicht des Rotors von der Leistung
abhängig und bedingt durch den erforderlichen Magnetfluß durch das Gewicht des Rotoreisens
sehr hoch. Bei einem 5 KW-Motor beträgt das Rotorgewicht bereits 8 kg.
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Diese 8 kg stellen eine erhebliche träge Masse dar, wenn ständig geschaltet,
d. h. die Drehzahl geändert oder von Null auf Nenndrehzahl hochgefahren oder abgebremst
werden muß. Es muß dabei Beschleunigungsarbeit geleistet werden,
die
dem Antriebszweck nicht zugute kommt, die also den Wirkungsgrad erheblich schmälert.
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Drehstrommotoren nehmen beim Anfahren erheblich hohe Anker- bzw. Rotorströme
auf, bzw. erzeugen solche hohen Ströme in ihren Ankern bzw. Rotoren, vorrangig der
Asynchronmotor. Dabei werden die Ankerwicklungen,aber auch das Rotoreisen, sehr
hoch erwärmt. Durch die sehr hohe Wechselmagnetisierung erwärmt sich das Rotoreisen
zusätzlich erheblich. Im Gegensatz zum Stator kann der Rotor seine Wärme nur sehr
langsam wieder abgeben. In der Praxis führt das dazu, daß Motoren höherer Leistung
bei höherer Schalthäufigkeit in der Regel bereits bei normalem Einsatz in thermischen
Grenzbereichen arbeiten und daher schon bei geringfügiger Überschreitung der Belastung,
insbesondere Steigerung der Schalthäufigkeit, überhitzt werden und durchbrennen.
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Die an sich naheliegende Maßnahme, Motoren für derartigen Einsatz
von vorneherein für eine größere Leistung auszulegen, bietet keine Lösung des Problems,
denn größere Leistung bedeutet größeres Rotorgewicht, größere zu beschleunigende
Masse, größere Stromaufnahme und Erwärmung und schlechteren Wirkungsgrad; eine Uberhitzung
wird jedoch nicht vermieden.
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Mit größerem Rotorgewicht steigt auch die Belastung der Wälzlager
oder anderer Lager des Rotors, wodurch auch noch die rein mechanische Zuverlässigkeit
dieser Motoren beeinträchtigt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehstrommotor zu
schaffen, der diese Nachteile nicht aufweist und der auch bei höherer Leistung mit
hoher Schalthäufigkeit und mit hohem Wirkungsgrad thermisch sicher und mechanisch
zuverlässig zu arbeiten vermag.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Drehstrommotor der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß die Nennleistung des Motors auf mehr als zwei
Einzelmotore aufgeteilt ist, daß die Einzelmotore mit ihren Statoren, Rotoren, Bremsen
und Lagern in einem gemeinsamen Gehäuse sternförmig achsparallel angeordnet sind,
wobei die Rotorwellen Zahnräder aufweisen, welche mit einem im Sternpunkt angeordneten,
gemeinsamen Zentralzahnrad kämmen, welches mit dem Getriebe verbunden ist.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Motor ist den bekannten Ausführungen
erheblich überlegen. Legt man für 5 KW Nennt leistung eine gleichmäßige Leistungsaufteilung
auf vier Einzelmotore zugrunde - 1,25 KW je Einzelmotor - so hat jeder Einzelmotor
nur ein Rotorgewicht von 2 kg. Aufgrund
der zum Gewicht vergleichsweise
großen Oberfläche gibt ein Rotor von 2 kg Gewicht seine wärme schneller ab als ein
Rotor von 8 kg Gewicht. Allein aus dieser Tatsache ergibt sich, daß der erfindungsgemäß
ausgebildete Drehstrommotor mit zwei- sogar dreifacher Schalthäufigkeit gefahrlos
betrieben werden kann, im Vergleich zur Schalthäufigkeit, mit der ein bekannter
Drehstrommotor belastet werden kann. Kleineres Rotorgewicht bedeutet unter sonst
gleichen Voraussetzungen auch kleinere Rotordurchmesser und damit geringere Trägheitsmomente
beim Anfahren, Abbremsen oder Drehzahländern. Auch dadurch nimmt die Erwärmung ab
und die Summe der Anfahrstromaufnahme der Einzelmotoren ist geringer. Geringeres
Rotorgewicht bedeutet schließlich auch geringere mechanische Belastung der Lager,
so daß die Lebensdauer der erfindungsgemäß ausgebildeten Motoren höher ist als die
der bekannten.
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Durch die Weiterbildungen nach den Ansprüchen 2, 3 und 4 ergeben sich
weitere wesentliche Vorteile, die insbesondere dem Energieverbrauch und damit letztlich
dem dirkungsgrad zugute kommen sowie sehr gute Anpassungen an unterschiedliche Antriebsaufgaben
möglich machen.
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Sehr häufig müssen Schaltmotoren allein nach den Bedürfnissen eines
schnellen liochfahrens zur Nenndre-izihl mit höherer Leistung ausgelegt werden,
whrnd bei erreichen
der Nenndrehzahl nur noch Bruchteile der Motorleistung
erforderlich sind. Bekannte Drehstrommotoren, die nach Anfahrleistung ausgelegt
sind, nahmen während des Betriebes bei Nenndrehzahl die typenübliche Leistung aus
dem Netz. Der erfindungsgemäß ausgebildete Motor kann sofort nach Erreichen der
Betriebsdrehzahl durch Abschalten von einem oder mehreren Einzelmotoren die Abtriebsleistung
dem tatsächlichen Bedarf anpassen, damit die Stromaufnahme aus dem Netz reduzieren
und den Wirkungsgrad erheblich verbessern. Wird nicht ständig die volle Anfahrleistung
gebraucht, so kann entweder durch Staffelung der Leistung der Einzelmotore nach
den Antriebsbedingungen oder Verringerung der zum Hochfahren einzuschaltenden Motoren
mit entsprechend geringerer Anfahrstromaufnahme gearbeitet werden. Braucht für einen
bestimmten Teilbereich der Antriebs arbeit nicht in der kürzest möglichen Zeit die
Nenndrehzahl erreicht zu werden, so kann durch zeitlich gestaffeltes Zuschalten
der Einzelmotore ein weiches, langsames Hochfahren erzielt werden. Das gleiche gilt
für Drehzahländerungen oder Abbremsungen. Abgesehen von den bisher nicht denkbaren
flexiblen Anpassungen an die Antriebs aufgaben ergibt sich dabei auch noch jeweils
eine entsprechende Leistungsersparnis.
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Durch die elektronische Steuereinrichtung kann der erfindungsgemäß
ausgebildete Drehstrommotor in seiner Betriebsweise
und Belastbarkeit
optimiert werden. Durch die Temperaturmessung der Einzelmotore wird jeweils der
vergleichsweise kühlte Rotor ermittelt, wenn zur Beschleunigung zugeschaltet werden
muß. Die thermische Belastbarkeit wird auf diese Weise ohne Gefährdung der Sicherheit
bis zur Grenze des möglichen ausgeschöpft. Die Schalthäufigkeit läßt sich im Vergleich
zum Bekannten auf das Vielfache steigern. Es wird jeweils der oder die Anzahl Einzelmotore
eingeschaltet, und zwar gleichzeitig oder zeitlich gestaffelt, der bzw. die zur
Bewältigung des Antriebsvorganges optimal geeignet ist bzw. sind.
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Oft erfordern bestimmte Antriebs aufgaben sogar ein "weiches" Anfahren,
Bremsen oder Drehzahländern. Bei bekannten Elektromotoren mußten zu diesem Zweck
kostspielige Zusatzeinrichtungen, in der Regel wärmeerzeugende Widerstände verwendet
werden, die den Wirkungsgrad vermindern. Der erfindungsgemäß ausgebildete Motor
leistet dieses Betriebsverhalten ohne teuere Zusatzeinrichtungen.
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Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Motor laufen die Einzelmotoren
wegen der getrieblichen Verbindung miteinander auch dann mit der jeweiligen Drehzahl
leer mit, wenn sie abgeschaltet sind. Dadurch entfällt bei Ein- und Umschaltvorgängen
die Notwendigkeit, die jeweiligen Einzelmotore auf Drehzahl zu bringen, die Schaltst:romspitze
und Schalterwärmung sind daher sehr gering. Außerdem
wird jeder
abgeschaltete Einzelmotor auch im abgeschalteten Zustand durch seinen Lüfter gekühlt
und damit auf. optimale Einsatzbedingung für das erneute Zuschalten gebracht.
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Der praktische Vergleich eines herkömmlichen 5 KW-Motors mit einem
Versuchsmuster des erfindungsgemäß ausgebildeten Motors hat ergeben, daß die Erfindung
eine Steigerung der Schalthäufigkeit auf mindestens das zwei- bis dreifache erlaubt
und bei voller Ausnutzung der elektronischen Steuereinrichtung Stromersparnisse
bis zu 50 % erbringt.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß ausgebildeten Drehstrommotors
ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 - einen Schema-Axialschnitt
durch den erfindungsgemäß ausgebildeten Drehstrommotor bei vier Einzelmotoren und
Fig. 2 - einen Schnitt längs der Linie II-II in Figur 1 mit vereinfacht dargestellter
elektronischer Steuereinrichtung.
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Bei dem in den Figuren gezeigten Elektromotor 10 ist die Nennleistung
in vier Einzelmotore 11 von untereinander gleicher Leistung aufgeteilt.
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In einem gemeinsamen Gehäuse 1 sind die Statoren der Einzelmotore
11 untergebracht. Deren Wicklungen 2 sind symbolisch dargestellt. Jeder Einzelmotor
11 weist einen eigenen Rotor 3 mit entsprechenden, im einzelnen nicht gezeigten
Wicklungen auf. Die Rotorwellen 13 tragen an einem Ende Zahnräder 14, welche mit
einem gemeinsamen Zentralzahnrad 15 eines Zwischengetriebes 5 kämmen, das seinerseits
mit einem Hauptgetriebe 7 verbunden ist.
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Zusätzliche Bremsen 8 für jeden Einzelmotor 11 erlauben Schnellbremsungen,
wo die generatorische Bremsung nicht möglich ist oder in der Wirkung nicht ausreicht.
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Die Statoren haben Kühlrippen 4, für die Kühlung der Rotoren 3 sorgen
Lüfter 9 an jedem Rotor 3.
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Jeder Einzelmotor 11 weist einen Schaltkasten 16 auf, der mit einer
elektronischen Steuereinrichtung 17 verbunden ist, welche den Betrieb hinsichtlich
enger Anpassung an die Antriebsaufgaben, sowie hinsichtlich thermisch guter Auslastung
der Einzelmotore 11 bei hoher Schalthäufigkeit und hinsichtlich geringen Energieverbrauches
optimiert.
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In der Praxis lassen sich auf diese Weise sowohl die Schalthäufigkeit
gegenüber einem üblichen Elektromotor gleicher Leistung verbielfachen und die Energieentnahme
aus dem Netz halbieren.
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Das erfinderische Prinzip ist nicht nur auf Drehstrommotore anwendbar,.
sondern eignet sich auf für Gleichstrommotore.