DE2032437C3 - Synchronmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Synchronmotor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein Synchronmotor entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ist aus der DE-PS 5 08 151 bekannt. Bei diesem Synchronmotor wird während des Synchronbetriebes mit der Hilfswicklung eine Unterstützung des Magnetflusses des Hauptpoles bezweckt, während jedoch kein definierter, steuerbarer Fluß auf der zwischen den Polen liegenden Achse zur Änderung so der resultierenden Position des Magnetflusses auf der Polschuhfläche erzeugt werden kann. Außerdem läßt sich keine Lastaufteilung zwischen zwei Synchronmotoren ausführen, die an eine gemeinsame Last gekuppelt sind, da ein Teil der Dämpferwicklung in Serie zur Hauptwicklung geschaltet ist.

Aus der US-PS 33 33 173 ist es bekannt, die Hilfswicklung bei Synchronmotoren in Sternschaltung vorzusehen. Mit einer derartigen Anordnung ist es möglich, eine Lastaufteilung auf mehrere Synchronmotoren vorzunehmen, die an eine gemeinsame Last gekuppelt sind. Die Verschiebung des Flusses über den Polschuhflächen wird durch einen geteilten Polschuh erreicht, wobei die Wicklungen auf jede Polhälfte und auf die Basis des Polschuhes gewickelt sind. Die Wicklungen dienen nicht zur Unterstützung des Hauptfeldes während des Anlaufvorganges.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe

zugrunde, einen Synchronmotor der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher eine Hilfswicklung aufweist, die zur Verlagerung des Gleichstromfeldes benutzbar ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit dem erfindungsgemäßen SynehronnK tor ist es zum einen möglich, das Feld durch die Hilfswicklung während des Anlaufens zu unterstützen, und zum anderen eine Verlagerung des Gleichstromfeldes und daher eine Verteilung einer gemeinsamen Last, mit der mehrere Synchronme toren gekuppelt sind, auf die einzelnen Synchronmotoren. Die Hilfswicklung ist dabei derart angeordnet, daß sie eine Kopplung zwischen dem Hauptfeld und dem Feld zwischen den Polen während des Anlaufvorganges vornimmt Damit wird eine Veränderung der Position des Hauptfeldes auf die physikalischen Pole ermöglicht, infolgedessen die Rotorposition gegenüber dem den Stator drehenden Magnetfluß verschoben wird, wodurch eine Lastaufteilung zwischen mit einer gemeinsamen Last gekuppelten Synchronmotoren ermöglicht wird.

Die Hilfswicklung ist in den Nuten von Polschuhen des Rotors derart angeordnet, daß sie bei Erregung mit Gleichstrom abwechselnde N- und S-PoIe erzeugt, deren Achsen um einen Winkel bezüglich der Achsen der Pole des Hauptfeldes versetzt sind; während des Anlaufbetriebs des Synchronmotors wirkt die Hilfswicklung als Widerstand zur Erzeugung eines sekundären Hilfsfeldes, wodurch dem Synchronmotor ein relativ hohes Drehmoment verliehen wird.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des Synchronmotors anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 zwei Synchronmotoren, die eine gemeinsame Last antreiben,

F i g. 2 eine verteilte Hilfswicklung,

F i g. 3 eine dreiphasige Sternschaltung der Hilfswicklung nach F i g. 2, und

F i g. 4, 5 die Hilfswicklungen und ihre Verbindungen mit äußeren Schaltungen.

F i g. I und die zugehörigen Erläuterungen dienen zur Erklärung der Beziehung zwischen den Haupt- und Hilfsfeldpolen, um in einfacher Weise die Überlagerung dieser Felder zur Erzeugung des resultierenden Feldes anzugeben, das relativ zu dem Feldkern Verlagen werden kann, indem die Ströme durch die Hilfs- und/oder Hauptwicklungen verändert werden.

Fig. 1 zeigt schematisch zwei Synchronmotoren, die direkt mit einer Einzellast 10 gekuppelt sind, so daß Leide Motoren die Last antreiben und die Belastung zwischen sich entsprechend der jeweiligen Leistung jedes Motors aufteilen. Als Beispiel für einen derartigen Antrieb kann eine große Erzmühle genannt werden, die von zwei Synchronmotoren angetrieben wird, von denen jeder ein Antriebsrad auf seiner Antriebswelle hat, die in Eingriff mit einem Zahnrad auf der Mühlenantriebswelle stehen. Vorzugsweise haben die beiden Synchronmotoren die gleiche odef nahezu gleiche Auslegung, Drehzahl und Arbeitscharakteristik. Natürlich können Motoren mit verschiedenen Drehzahlen unter Verwendung geeigneter Getriebe benutzt werden; dies bedeutet jedoch, daß die gesamte Anordnung kompliziert wird.

Der Motor in F i g. 1 links ist ein üblicher Synchronmotor mit vier ausgeprägten Polen, der eine dreiphasige

Wechselspannungs-Ankerwicklung 11 auf seinem Stator und eine Gleichstrom-Feldwicklung 12 auf seinem Rotor trägt. Die Ankerwicklung 11 ist an eiiiC dreiphasige 60 Hz-Wechselstromquelle angeschlossen; bei Erregung erzeugt sie ein magnetisches Feld, das sich mit einer synchronen Drehzahl entsprechend 60 Hz di-ifcr, in diesem Fall mit 1800 Umdrehungen pro Minute. Die vierpoHge Feldwicklung 12 wird von einer Gleichstromquelle über zwei stationäre Bürsten 13 erregt, die in Schleifkontakt mit zwei Schleifringen 14 _in stehen, ^*.!ehc u'.h dem Rotor umlaufen, und über einen veränderlichen Widerstand 16 zum Einstellen des durch die Feldwicklung fließenden Stromes. Die erregte Feldwicklung 12 erzeugt ein Magnetfeld, dessen Richtung und Größe durch den Pfeil 17 dargestellt wird.

Der zweite Motor ist ein Synchronmotor mit vier ausgeprägten Polen, der eine dreiphasige Wechselspannungs-Anksrwicklung 18 auf seinem Stator und zwei Gleichstrom-Feldwicklungen 19 und 20 auf seinem Rotor aufweist, von denen die Wicklung 19 die der Wicklung 12 entsprechende Hauptfeldwicklung, und die Wicklung 20 eine um einen Winkel bezüglich der Hauptfeldwicklung versetzte Hilfsfeldwicklung ist. Die Wicklung 18 ist mit einer dreiphasigen 60 Hz-Wechselstromquelle verbunden und bei Erregung durch diese erzeugt sie ein magnetisches Feld, das bei 60 Hz mit synchroner Drehzahl läuft, wie bei dem ersten Motor mit 1800 Umdrehungen pro Minute. Die Energie, die der zweite Motor von der Wechselstromspannungsquelle zieht wird mit einer Lastmeßeinrichtung 21 gemessen, die in die Leitung zur Wicklung 18 geschaltet ist. Die Meßeinrichtung 21 kann ein Wattmeter, ein Amperemeter oder ein ähnliches Gerät sein, daß die Eingangsleistung des Motors und somit seine Ausgangsleistung mißt, oder den Teil der Last 10, der auf den Motor wirkt.

Wenn die Wicklung 19 mit Gleichstrom erregt wird, erzeugt sie ein statinonäres Magnetfeld, dessen magnetische Achsen durch die abwechselnd aufeinanderfolgenden N- und S-PoIe Winkel von 90° im Raum oder 180 elektrischen Grad einschließen. Der Pfeil 23 stellt in Richtung und die Größe des Magnetfeldes des oberen N-PoIs 22 dar und wird hier als seine Polachse bezeichnet Die Hilfswicklung 20 ist ebenfalls eine Vierpolwicklung; ihre magnetischen Achsen liegen zwischen denen der Wicklung 19.

Der Motor rechts in F i g. 1 zeigt ein'; Anordnung, bei der die Hilfspole um 90° phasenverschoben zu den Hauptpolen angeordnet sind. Dementsprechend ist das Feld der bezüglich der Hauptpole verschoben. Ein Pfeil 24 repräsentiert die Richtung und die Größe des Magnetfeldes des N-PoIs 25 direkt auf der rechten Seite des Hauptpols 22 und wird hier als seine Polachse bezeichnet.

Bei einer Überlagerung ergeben die Felder 23 und 24 ein resultierendes Feld 26, das sich zwischen den Polen 22 und 25 befindet und größer ist als jede einzelne Feldkomponente 23 oder 24.

Wenn das resultierende Feld 26 die Richtung des Feldes 17 hat, dann laufen die Rotoren der Synchronmotoren in Phase. Die Achse 17 ist unverschiebbar relativ eo zu dem Rotor des ersten Motors, aber die Achse 26 liegt relativ zu dem Rotor des zweiten Synchronmotors nicht fest Die Achse 26 kann verschoben werden, indem die Gleichströme in den Wicklungen 19 und 20 entsprechend eingestellt werden. Wenn die Achse 26 in Richtung der Rotation verschoben wird, dann hat das für den zweiten Synchronmotor zur Folge, daß sein Anteil an der Last 10 abfällt, und das Zurückdrehen der Achse 26 bewirkt für diesen Synchront-TWic:, daß sein Anteil an der Last anstc-ie= Die Belastung kn;,¹) durch die Meßeinnchtung 21 beiumnv. ·: a:üsn_; wer;:¹· sie nich¹- :!;:*it gewünschten Anteil an der Belastung 10 entspricht, kann sie auf den richtigen Wert eingestellt werden, z. B. C:-rdi Justierung der Drehwiderstände 27 und 28 in den Zuführungsleitungen von der Gleichstromquelle zu den Bürsten 30, die sich in Schleifkontakt mit der· drei Schleifringen 31 befinden.

Fig.2 zeigt drei Rotorpole eines Synchronmotors, in denen die Sekundärwicklung ai-. Wellenwicklung ausgeführt ist. Diese Wicklung kann mit Widerständen verbunden werden, um dem Motor ein höheres Anlaufdrehmoment zu geben, oder sie kann mit einer Gleichstromquelle verbunden werden, um ein Hilfsmagnetfeld zu erzeugen, das bezüglich des Hauptfeldes verschoben ist Der Rotor sei vierpolig, die Wechselspannungs-Wicklung auf dem Stator entspreche den Motoren in F i g. 1. Jeder der Pole 32, 33, 34 trägt eine Hauptfeldw.-cklung 35 um seinen Polkern 36 unter einem überhängenden Polschuh 37. '.,der Polschuh 37 enthält sech: axial gerichtete Nuten 3ö ris 43, die sich radial nach innen erstrecken; vgl. F i g. 2(a) und (c). Die Nuten enthalten die Hilfswicklung 45.

Die Hilfswicklung 45 ist in Fig.2(a) und (d) als eine konventionelle Wellenwicklung mit zwei Spulenseiten pro Nut dargestellt Die Spulen 46 bzw. 47 bzw. 48 bestehen aus einer Vielzahl von isolierten Leitern. Die beiden Spulenseiter. sind in entsprechenden Nuten benachbarter Polschuhe angeordnet. Dios ist am besten in Verbindung mit der Spule 46 dargestellt, die mit einer Seite 48 in der oberen Hälfte der Nut 38 des Pols 32 und mit der andere Seite 49 in der unteren Hälfte der Nut 38 des Pols 33 gezeigt ist. Die Spule 46 setzt sich fort in der unteren Hälfte der Nut 38 des Pols 34. Jedem Pol ist eine solche Spulenseite der Spule 46 zugeordnet. Die Spule 46 verläuft also vollständig um den Rotor herum. Die benachbarte Spule 47 sind wie die Spule 46 ausgebildet und verläuft um den Rotor durch die Nuten 39 herum. Die Spulen 47 und 46 sind in der geeigneten Reihenfolge als eine Phase einer dreiphasigen Wicklung miteinander verbunden, z. B. als Phase 46,47 in F i g. 3. Die nächsten Spulen 50 und 51 entsprechen den Spulen 46 und 47 und sind in Nuten 40 und 4) angeordnet Sie sind in F i g. 3 als eine zweite Phase dargestellt Die dritte Phase setzt sich aus den Spulen 52 und 53 zusammen, welche in den Nuten 42 bzw. 43 liegen.

Diese Anordnung der Spulen ergibt eine dreiphasige Nutenwicklung in Sternschaltung, wie F i g. 3 zeigt Um den Motor ein relativ hohes Anlaufdrehmoment zu geben, werden die Ausgangsklemmen 54,55 und 56 der Hilfswicklung 45 je mit einem Widerstand verbunden, während der Motor asynchron angefahren wird. Wenn der Rc¹IO' fast die Synchrondrehzahl erreicht hat, wird der Hauptfeldstrom zugeführt, um den Motor in Synchronismus zu bringen; die Klemmen 54, £5 und 56 werden dann von dem Widerstand getrennt und die Klemmen 55 und 56 mit einer Gleichstromquelle verbunden, so daß die zugeordneten Phasen jetzt die Hilfsfeldwicklungen bilden, die ein magnetisches Feld induzieren, wie es im Diagramm der Fig.2(b) dargestellt ist. In diesem Diagramm 3ind die P.eciitecke 57 bis 60 auf einer Basislinie 61 aufgetragen, um die N-PoIe, die dup-b ik Spulen 50 bis 53 auf den Polen 32 und i3 inrJtjzieri werden, darzustellen, und die Rechtecke 62 Lit. 65 sind auf der gleichen Basislinie gezeichnet, um das S-Polfeld darzustellen, das durch aie gleichen Iti'er auf den Polen 33 und 34 induziert wird.

Die Summe der Felder ist durch eine dicke Linie 66 dargestellt, die einer Sinuslinie angenähert ist, deren Nullpunkte auf der Linie 61 liegen. Die Abschnitte oberhalb der Linie 61 stellen das Nordpolfeld und die darunter das Südpolfeld dar. Der Feldteil 66, der durch -, den Gleichstom, der durch die Hilfswicklung auf den Polen 32 und 33 fließt, induziert ist, hat eine Nordpolachse 67, die um eine Winkel θ nach links von der Nordpolachse 68 des Feldes aus, das im Pol 33 durch den in der Hauptfeldspule 35 fließenden Gleichstrom n> induziert ist, versetzt ist. Ein Hilfsfeldpol für jeden Hauptpol ist von dort in die gleiche Richtung und um den gleichen Betrag versetzt. Die Haupt- und Hilfsfelder erzeugen ein resultierendes Feld, das alternierende Nord- und Südpolachsen hat, die irgenwo zwischen den ι ■-, Haupt- und der Hilfsachse liegen, d. h. zwischen den Achsen 67 und 68. Die Lage und die Größe des resultierende" Feldes hän^t vo" der Größe h#»c Wanni- und Hilfsfeldes, d. h. von den relativen Werten der beiden Feldströme ab. Deshalb ist es möglich, von dem >o Zeitpunkt an, wenn die resultierenden Achsen den Punkt darstellen, bei welchem der Rotor mit dem rotierenden Ankerfeld synchron läuft, diesen Punkt zu ändern, indem die Feldströme eingestellt und ein oder mehrere Motoren einer Vielzahl von Motoren, die eine 2^r> gemeinsame Last antreiben, höher oder weniger hoch belastet werden, so daß die Motoren gezwungen sind, die Belastung so auf sich zu verteilen, wie schon in Verbindung mit F i g. 1 erläutert ist.

Es ist demnach ersichtlich, daß eine Hilfswicklung, jn beispielsweise die Hilfswicklung 45, in Nuten der Polschuhe in verschiedener Art verteilt werden kann und daß die Zahl der Nuten von der Konstruktion des Motors abhängt. Es ist wichtig, daß die Anordnung der Leiter der Wicklungen derart gewählt ist, daß die ü Wicklung ein Wechselspannungs-Sekundär-Feld zum Anfahren des Motors und ein Gleichstrom-Hilfsfeld zur Veränderung der Position des Hauptfeldes relativ zu der Kernstruktur beim Synchronlauf des Motors erzeugt.

Die Hilfswicklung 45, mit einem Anlaufwiderstand und einer Gleichstromquelle zu verbinden, werden unter Bezugnahme auf Fig.4 bis 6 beschrieben. Die Hauptfeldwicklung, die sich auf dem Rotor befindet, und die Schleifringe, welche die Hauptfeldwicklung während des Anfahrens des Motors an einen Widerstand und während des Syrichronlaufs an eine Gleichstromquelle anschließen, sind nicht gezeigt.

F i g. 4 zeigt eine Hilfswicklung 45, Schleifringe 70 bis 73, Kontakte 74 bis 79 eines Magnetschalters, und einen veränderlichen Widerstand 80 und eine Gleichstromquelle. Die Wicklung 45 befindet sich auf dem Rotor des Synchronmotors mit der Hauptfeldwicklung und ist mit Anschlüssen bzw. Kontakten 74 bis 79 über Schleifringe 70 bis 73, die auf der Rotorwelle montiert und mit der Wicklung verbunden sind, und stationäre Bürsten, die auf die Ringe drücken und mit den Kontakten verbunden sind, zusammengeschaltet Kontakte 74, 75 und 76 sind normalerweise geschlossen und die Kontakte 77, 78 i.nd 79 sind normalerweise offen. Die vorstehend angegebenen Kontaktzustände liegen immer vor, mit Ausnahme daß der Motor bei Synchrondrehzahl läuft; dann sind die Kontaktzustände umgekehrt. Die zwei Sätze der Kontakte sind so verbunden, daß ein Satz geschlossen ist, während der andere offen ist, und umgekehrt. Während des Anlaufs ist die Wirkliing 45 als eine dreiphasige Sternschaltung geschaltet und diese Schaltung ist mit dem veränderlichen Widerstand 80 verbunden, so daß der Motor als Induktionsmotor mit gewickeltem Rotor unter der Steuerung des Widerstands anläuft. Wenn die Drehzahl des Rotors den Punkt erreicht, an dem der Rotor mit dem synchron rotierenden Primärfeld in Phase läuft, werden die Hauptfeldspulen mit Gleichstrom erregt; im Synchronfall öffnet der Schalter seine Kontakte 74, 75 und 76 ν A schließt seine Kontakte 77,78 und 79. Diese Schaltoperation trennt den veränderlichen Widerstand 80 und es werden die beiden Phasen 81 und 82 der Dreiphasenwicklung mit der Gleichstromquelle (in F i g. 3) verbunden, während die dritte Phase 83 kurzgeschlossen wird. Wie die Schaltungen in F i g. 2 und 3 erzeugen die Wicklungen 81 und 82 das einstellbare Hilfsfeld, das mit dem Hauptfluß kombiniert wird, um den resultierenden Magnetfluß bezüglich des Rotors zu verändern oder den Punkt zu verändern, an welchem der Rotor mit dem synchron drehenden Primärfluß in Phase läuft. Der Kurzschluß der Phasenwicklung 83 macht sie zu einer Dämpferwicklung während des Synchronlaufs.

F i g. 5 zeigt die gleiche Hilfswicklung 45, die mit der Gleichstromquelle in anderer Weise verbunden ist Bei dieser Anordnung sind zwei der Phasenwicklungen parallel geschehet und die parallelen Kombinationen in Serie mit der dritten Phasenwicklung. Der Anlauf ist der gleiche wie in Fig.4, während des Synchronlaufs ist jedoch die Serien-Parallel-Kombination an die Gleichstromquelle angeschlossen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Synchronmotor mit einem Stator, der einen Ankerkern mit einer Ankerwicklung aufweist, mit einem Rotor, dessen Pole die Feldwicklung tragen und in dessen Polschuhen Nuten zur Aufnahme einer Hilfswicklung ausgebildet sind, die aus mehreren Spulen besteht, deren jeweils eine Seite in einem Polschuh und deren andere Seite in einem benachbarten Polschuh liegt, wobei die Hilfswick- in lung als Sekundärwicklung zur Ankerwicklung für den Anlaufbetrieb oder zur Erzeugung eines Hilfsfeldes im Synchronbetrieb schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswicklung (45) eine dreiphasige Nutenwicklung ist und in : Sternschaltung geschaltet ist, und daß jeder Leiter (46 usw.) in jedem Pol (32 usw.) in der gleichen Nut (38 bis 43) liegt

2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswicklung (45) eine Wellenwicklung ist

3. Synchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Synchronbetrieb zwei Phasen der Hilfswicklung in Serie an die Gleichstromquelle schaltbar sind.

4. Synchronmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Syndironbetrieb die dritte Phase der Hilfswicklung (45) kurzgeschlossen ist

5. Synchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Phasen der jo Hilfswicklung (45) parallel zueinander und die Parallelscha/.ung in Serie zur dritten Phase der Hilfswicklung geschaltet sind.

6. Synchronmotor na^h einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekcnnze^;rhnet, daß während des Anlaufs ein veränderlicher Widerstand (80) an die Anschlüsse der Hilfswicklung (45) anschaltbar ist