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Asynchronmotoren mit elektrisch gut leitenden, im Streufeld der Sekundärströme
liegenden Inetallschichten. '\fan pflegt asynchrone Induktionsmotoren mit einem
möglichst geringen Sekundärwiderstand zu bauen, da durch dessen Größe sowohl ,1;e
Energieverluste im Läufer wie auch die Schlüpfung des Motors mit zunehmender Belastung
bedingt sind, die man beide möglichst gering zu erhalten strebt. Derartige Motoren
verlieren jedoch bekanntlich ihr l)rehniomeiit, sowie die Schlüpfung über ein gewisses
Maß steigt. Insbesondere l:esitzen sie nur ein sehr geringes Anfahrmoment im Stillstand
und ein noch geringeres Breinsinoment beim Umsteuern und Lauf gegen das Drehfeld.
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Um den Motoren auch bei erheblichen Abweichungen der Drehzahl vom
Synchronismus ein starkes Drehinoinent zu verschaffen, imiß nian bekanntlich so
viel Widerstand in den Sekundärkreis einschalten, daß der Überschuß der de=n Dreliniotor
zugeführten Energie über die- mechanisch von der Welle abgeführte Energie - das
ist die sogenannte Sclilupfenergie - in ihm vernichtet wird. 'Man 1"ewirkt dies
im allgemeinen dadurch, dall inan entsprechend dem Schaltschema der Abb. i den Läuferstromkreis
2 über Schleifringe auf Anfahr- oder Steuerwiderstände r schließt, die man entsprechend
der gewünschten Drehzahl, bei der das maximale Drebinonient auftreten soll, regulieren
kann. Soll der XIot4,r beispielsweise vom Stillstand bis auf volle Geschwindigkeit
beschleunigt werden, so muß man diesen Widerstand von einem gewissen Wert aus, bei
dein er die gerainte sonst ini Motor umgesetzte Energie vernichtet, allmählich bis
auf Null herab regulieren.
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Diese Regulierung von außen hat nian auch dadurch vermieden, daß man
entsprechend der schematischen Darstellung in Abb..2 den Sekundärkreis 2 des Asvnchromnotors
auf einen Tertiärkreis 3 induzieren läßt, in den der Steuerwiderstand r eingeschaltet
ist. Da im Stillstand des Motors im Sekundärkreis die volle Netzfrequenz herrscht,
so wirkt der Widerstand r fast ebenso, als ob er in den Sekundärkreis durch Leitung
und nicht durch Induktion eingeschaltet wäre. Man kann ihn also mit Leichtigkeit
so bemessen, daß er das volle Anfahrmoment erzeugt. Nahe am Synchronismus, also
bei vollem Lauf des Motors, ist jedoch die Frequenz der Sekundärströme im Kreis
2 so gering, daß die elektrische Kupplung mit dem Tertiärkreis fast vollkommen verschwindet.
Die transformatorische Wirkung des Tertiärkreises 3 ist besonders deshalb außerordentlich
gering, weil sein Ohinscher Widerstand im Verhältnis zu den bei der kleinen Schlupffrequenz
geringen induktiven Widerständen sehr erheblich ist. Der Motor arbeitet daher in
der Nähe des Synchronismus nur mit einem wirksamen Rotorwiderstand, der fast gleich
dem Leitungswiderstand des Sekundärkreises selbst ist.
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Mit dieser transforinatorischen Kupplung der Regulierwiderstände des
Asynchronmotors ! mit den Rotorkreisen kann man ohne Regelung von außen erreichen,
daß sich der wirksame Widerstand im Sekundärkreis des Motors von dein hohen Wert
heim Anfahren bis auf den Betrag des inneren Widerstandes beim Synchronismus vollkommen
selbsttätig verringert. Diese Anordnung zeigt jedoch einen sehr schwerwiegenden
Nachteil, der sie in dieser Form nur in seltenen Fällen brauchbar erscheinen läßt.
Durch die Einschaltung eines Transformators, besonders mit Eisenschluß, zwischen
die Sekundärwicklung des Motors und den Tertiärwiderstand wird näni-]ich die Reaktanz
des Sekundärkreises außerordentlich stark erhöht. Solange eine erhebliche Sekundärfrequenz
vorhanden ist, und daher der sekundäre und tertiäre Irreis ziemlich fest gekoppelt
sind, ist fliese Erhöhung allerdings nicht sehr fühlbar, so daß der Motor wohl mit
dein starken Moment anläuft. Gerade in der N älie des Sy nchronisinus jedoch, wo
die Sekundärfrequenz sehr gering ist, wirkt der Tertiärkreis fast gar nicht mehr
auf den Sekundärkreis zurück, so daß das vom Sekundärkreis erzeugte Feld im Transforniator
t sich voll und gan-r_ ausbilden kann und dadurch die Induktanz gewaltig erhöht
und die scheinbare Streuung des ganzen :lsynchroninotors sehr stark vergrößert.
Da nun bekanntlich das maximale Drehmoment von Asynchroninotoren bei großer Streuung
des Motors nur sehr gering ist, so erkennt man, daß ein Motor in der Schaltung der
Abb.2 zwar sehr Zut anläuft, daß er jedoch ;
in seinem eigentlichen
Arbeitsbereich nur noch geringe Durchzugkraft entwickeln kann.
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Dieser Nachteil soll nun der Erfindung gemäß beseitigt werden, indem
zur induktiven Kupplung des sekundären und tertiären Stromkreises kein äußerer eisengeschlossener
Transformator benutzt werden soll, sondern indem im Streufeld der Sekundärströme
gut leitende, von den Rotorleitern und ihren Stirnverbindungen elektrisch unabhängige
Metallschichten angeordnet werden, in denen die Schlupfenergie mittels der in ihnen
vom sekundären Streufeld induzierten Tertiärströme vernichtet wird. Die Metallschichten
bilden also die Leiter für die Tertiärströme.
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Derartige Metallschichten im Streufeld der Stirnverbindungen von Ankern
elektrischer Maschinen sind an sich bekannt. Bei den bekannten: Anordnungen dienen
die Metallschichten dazu, die Induktanz der Ankerwindungen zu vermindern. Diese
Verringerung der Induktion-kommt jedoch für die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
nicht in Frage. Die Metallschichten im Streufeld müssen nach anderer Richtung hin
bemessen werden, nämlich so, (las in ihnen eine möglichst große Schlupfenergie erzeugt
wird. Daß eine Bemessung der Metallschichten im sekundären Streufeld verschieden
ausfallen wird; je nach dem einen oder anderen Zweck, den man mit diesen Metallschichten
verfolgt, geht aus clen Kurven der Abb. 3 hervor. Dort ist in Abhängigkeit von der
Leitfähigkeit der Metallschichten im sekundären Streufeld einmal die Induktanz aufgetragen,
andererseits die in den Metallschichten vernichtete Schlupfenergie.
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'\@rährend finit zunehmender Leitfähigkeit die Induktänz von einem
Höchstwert, den sie bei der Leitfähigkeit Null hat, allmählich mit zunehmender Leitfähigkeit
abnimmt, nimmt die Schlupfenergie von dem- Wert Null, den sie bei Leitfähigkeit
Null hat, zunächst zu, bis sie einen Maxiinahvert erreicht und nimmt dann mit zunehmender
Leitfähigkeit wieder ab. Wird man also Metallschichten zur Veririinderung der Induktanz
anordnen, so henutzt man eine Leitfähigkeit, die am rechten 1?nde der in Abb. 3
gezeichneten Kurve liegt, während man gemäß vorliegender Erfindung zur wirksamen
Aufnahme der Schlupfenergie die Leitfähigkeit für die Metallschichten benutzt, die
dem Maximum der Schlupfenergie entspricht.
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In den Abb.4 und 7 sind einige Ausführungsbeispiele zur Verwirklichung
des Erfindungsgedankens beschrieben. Abb.4 zeigt den Längsschnitt durch einen Asynchroninotor,
dessen Läufer :2 eine normale Phasenwicklung besitzt, die als Zweischichtenmantelwicklung
dargestellt ist. Die gestrichelten Linien stellen die Kraftlinien des Streufeldes
der Rotorstirnverbindungen dar. In dieses Streufeld innerhalb und außerhalb des
Stirnverbinderrnantels sind breite Mantelringe 3 eingelagert, die große Ausdehnung
quer zur Richtung der Streukraftlinien besitzen. Das Streufeld induziert in deren
Mantelflächen daher starke Tertiärströme, die man durch passende Bemessung der Breitenausdehnung
und der Stärke der Metallschicht sowie der Leitfähigkeit des Materials auf ein Maß
bringen kann, das die günstigste Wirkung zur Unterdrückung der Schlupfenergie ergibt.
Uin die Tertiärstromkreise mit clen Sekundärkreisen möglichst gut induktiv zu kuppeln
und zugleich eine möglichst starke Ausbildung von Tertiärströmen und damit die Erzielung
erheblicher Energieverluste zu bewirken, läßt man die Tertiärströme als Wirbelströme
in breiten Metallteilen verlaufen. Diese Metallteile können mit an sich notivendigen
Konstruktionsteilen vereinigt werden. So kann inan beispielsweise den inneren Metallring
3 in Abb. 4, gleichzeitig als Wicklungsträger benutzen, während man den äußeren
Metallring als Kappe oder Bandage gegen das Abschleudern der Rotorwicklung durch
die Wirkung der Zentrifugalkräfte mitbenutzen kann.
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Eine andere Ausführungsform, die eine noch bessere induktive Kopplung
der-Tertiär-und Sekundärkreise zeigt, ist in Abb. 5 - dargestellt. Die wirl,elstromführende
Metallflache 3 ist hierbei zwischen den - beiden Schichten der Rotorwicklung a angeordnet,
so daß sie notwendig von sämtlichen Stirnstreukraftlinien der Sekundärwicklung durchsetzt
werden muß, während sich bei Abb. 4 immerhin einige dieser Kraftlinien im Raum zwischen
den beiden Tertiärkreisen schließen können. Selbstverständlich kann man je nach
Bedarf die Anordnungen von Abb. 4 und 5 geineinsain verwenden, man kann auch in
Fällen; wo nur geringe tertiäre Metallmassen -erforderlich sind, den inneren oder
äußeren Ring der Abb. 4 für sich verwenden. Da die Wirbelströme in den tertiären
Metallringen sich dein Verlauf der Ströme in den Stirnverbindungen des Sekundärkreises
anzuschmiegen suchen, so kann es zweckmäßig sein, die Leitfähigkeit der Metallschichten
an der dein Eisen anliegenden Seite zu- verstärken, so wie e& durch die Wulste
in Abb. 4 angedeutet ist, damit die Wirbelströme einen bequemen Schlußweg finden.
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Man sieht aus diesem Beispiel, daß es zur zweckmäßigen Anordnung eines
Tertiärkreises von richtigem Widerstand gar nicht nötig ist, die Läuferströme nach
außen zu führen, daß man daher- derartige Motoren ohne Schleif= ringe ausführen
kann, was eine weitere große
Vereinfachung in konstruktiver und
wirtschäftlicher Hinsicht sowie eine wesentliche Erhöhung der Betriebsicherheit
darstellt. Man kann nun noch einen Schritt «weitergehen und sogar den gewickelten
Phasenanker, der i11 Abb. 4. und 5 vorausgesetzt ist, fallen lassen und (fett konstruktiv
und wirtschaftlich einfachsten und betriebsichersten Käfiganker für die vorliegende
Erfindung verwenden. Da das Stirnstreufeld eines solchen Ankers bekanntlich nur
sehr gering ist, so ist es hier zlvecklnäßig, das Nutenstreufeld zur Wirkung auf
den Tertiärkreis zu verwenden. Abb.6 zeigt als Beispiel die Einlagerung voll passend
bemessenen, die Tertiärströme führenden Metallplatte113 in das Streufeld einer Nut,
deren Kraftlinien wieder gestrichelt dargestellt sind. Da das Nutenstreufeld sich
zum großen Teil durch das Zahneisen des Läufers schließt, und nur den relativ geringen
Luftweg in der Putenbreite zu überwinden hat, so ist die induktive Kopplung zwischen
Sekundär- und Tertiärkreisen auch hier sehr vollkommen, so daß man durch passende
Bemessung der die Tertiärströlne führenden Metallschichten sehr ,gute Wirkungen
erhalten kann. In Abb. 6 ist wieder gezeigt, wie man durch wulstartige, einseitige
Verdickungen der Tertiärstromkreise einen möglichst guten Rückweg für die erzeugten
Wirbelströme bilden kann, deren Verteilung sich naturgemäß auch hier den Sekundärströmen
in der Nut anzuschmiegen sucht, und die daher auf dem größten Teil der Plattenbreite
in gleicher Richtung fließen, so daß man ihnen zweckmäßig einen geeigneten Rückweg
gibt.
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Damit das durch die Sekundärströme erzeugte Nutenstreufeld nicht durch
Stromverdrängung in den Sekundärleitern selbst geschwächt wird, verwendet man zweckmäßig
keine massiven, sondern die bekannten verkeilten Leiter zum Aufbau des Ankers. In
Abb.7 ist eine besonders brauchbare Konstruktion hierfür dargestellt. Die Teilleiter
des Seiles, das den sekundären Nutellstab bildet, sind hier um den Tertiärleiter
als Seele gesponnen, wodurch eine ganz vorzügliche magnetische Kopplung von Sekundärleiter
2 und Tertiärleiter 3 erzielt wird.
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Außer der Stirn- und Nutenstreuung kann man auch alle anderen auftretenden
Sekundärstreufelder zur Erzeugung von Tertiärströmen heranziehen, beispielsweise
die doppelt verketteten Streufelder. Man kann auch selbstverständlich einige oder
alle diese Streufelder in Kombination verwenden.
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rieben der günstigen Wirkung, daß die Ströme im Tertiärleiter die
Schlupfenergie vernichten, kommt auch noch der Vorteil hinzu, wie ihn die bekannten
Metallschichten im Stirnstreufeld aufweisen, daß das Streufeld bei erheblichen Schlüpfungen
des Motors merklich geschwächt wird, so daß hierdurch das Maximaldrehmoment gerade
in den Drehzahlbereichen, i11 denen man steuern will, weiter vergrößert wird. Bei
den Anordnungen nach Abb. .I, 5 und 8 wird das Rotorstirnsireufeld wesentlich verkleinert.
Bei den Anordnungen nach Abb. 6 und 7 das Nutenstreufeld. Derart gebaute Käfiganker
zeigen praktisch überhaupt kaum noch die Erscheinullg einer in Betricht kommenden
Rotor-Streuung.
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Die Stärke der Wirkung der Tertiärströme auf das Steuerdrehmoment
des Motors ist naturgemäß von den Abmessungen der Tertiärleiter sehr stark abhängig.
Wählt man sie sehr dünn oder aus Material von schlechter Leitfähigkeit, so entwickeln
sich keine starken Tertiärströme, und es kann daher auch keine erhebliche Schlupfenergie
durch sie vernichtet «-erden. Wählt man die Bahnen für die Tertiärströme andererseits
sehr stark und das Material von außerordentlich guter Leitfähigkeit, so kann es
leicht passieren, daß auch dann die beabsichtigte Wirkung ausbleibt. Es bilden sich
dann recht starke Tertiärströme aus, sie blasen jedoch das sekundäre Streufeld bereits
fort, bevor sie in ihrem gutleitenden Material erhebliche Energieverluste erzeugen
können.
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In Abb.9 sind abhängig von der Schlüpfung s des Asynchronmotors die
zusätzlichen Verluste r eingetragen, die durch die tertiären Wirbelströme in ihrem
Leitermaterial hervorgerufen werden, und zwar im Vergleich zu den Eigenverlusten
der Sekundärwicklung. Man sieht, daß die Verluste bei guter Leitfähigkeit der gesamten
Tertiärstrombahnen zwar mit zunehmender Schlüpfung anfangs schnell wachsen, daß
sie sich aber sehr bald einem ziemlich geringen Grenzwert nähern, der auch bei großen
Schlüpfungen nicht überschritten wird. Bei schlechter Leitfähigkeit der Tertiärstrombahnen
könnte andererseits bei großer Schlüpfung ein sehr erheblicher Energieverlust hervorgerufen
werden, derselke wächst aber bei geringen Schlüpfungen nur so langsam an, daß der
Motor auch bei erheblichen Abweichungen der Drehzahlen vom Synchronismus noch seine
ursprünglichen Eigenschaften der Labilität des Drehmomentes beibehält. Günstige
Wirkungen, die eine wenigstens angenähert proportionale Verlnehrung der Verluste
mit der Schlüpfung in einem größeren Bereich ergeben, erhält man nur bei eitler
ganz bestimmten Gesamtleitfähigkeit der Tertiärstrombahnen, wie die mittlere Kurve
der Abb.9 es beispielsweise zeigt. Dort ist zum Vergleich gestrichelt eilte Gerade
eingetragen, die diejenige Veränderung des effektiven Läuferwiderstandes
oder
der Gesamtverluste darstellt, die für die Erzielung eines bei allen Schlüpfungen.
gleichbleibenden maximalen Drehmomentes erwünscht wäre. Diese günstigsten Verhältnisse
für jeden Motor zu erzielen, gelingt nur durch sehr sorgfältige. Vorausberechnung
der tertiären Ströme hinsichtlich ihres Energieverlustes und ihrer Rückwirkung auf
die sekundären Streufelder. Man muß dazu den Ohmschen Widerstand der Tertiärstrombahnen
etwa ebenso groß wählen wie ihren induktiven Widerstand bei der zum Steuern gewünschten
Schlüpfung.
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Zur Erzielung günstiger Verhältnisse kann es zweckmäßig sein, die
sekundären Streufelder stellenweise durch Einlagern von Eisenschichten zu verstärken,
da man hierdurch leichter in der Lage ist, einen bestimmten Verlauf und eine bestimmte
Stärke der Tertiärströme vorzuschreiben.
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Diese Eisenschichten können zwischen den Teilleitern in der Nut angeordnet
werden, so daß das sekundäre Nutenfeld durch sie fließt, sie können auch als Einlagen
in die Tertiärleiter bildenden Metallschichten eingebracht werden. Als Beispiel
in Abb. 8 ist die Verwendung von Eisenwegen für die Stirnstreulinien gezeigt. Eisenringe
e sind an bestimmten, radial übereinanderliegenden Stellen unter, in und über der
Zweischichtenwicklung konzentrisch angeordnet. Die Streulinien in der Luft zwischen
diesen Ringen können sich in den Außen- und Innenringen h zu den benachbarten Polen
herüberschließen und umschlingen auf diese Weise die eingelagerten Tertiärleiterschichten
r sehr vollständig. Es ist nicht schwer, eine derartige Anordnung so zu dimensionieren,
daß sich unter der Wirkung bekannter Sekundärströme in den Stäben ein: Streufeld
von gewollter Stärke ausbildet, das in transformatorischer Wirkung und Rückwirkung
bei allen vorkommenden Schlüpfungen ohne Regelung von außen tertiäre Energieverluste
von ebenfalls gewollter Stärke hervorruft.