DE69100430T2

DE69100430T2 - Synchron-Induktionsmotor mit Doppelstator.

Info

Publication number: DE69100430T2
Application number: DE91304765T
Authority: DE
Inventors: Yukio Onogi; Toshihiko Satake
Original assignee: Satake Engineering Co Ltd
Current assignee: Satake Engineering Co Ltd
Priority date: 1990-05-26
Filing date: 1991-05-24
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2011-05-25
Also published as: US5254894A; DK0467517T3; NO303606B1; CA2043208A1; AU7729791A; EP0467517A1; FI912532A7; EP0467517B1; KR100215534B1; KR910020991A; NO912024D0; NO912024L; FI912532A0; DE69100430D1; AU643525B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen synchronmotor.
Im allgemeinen benötigt ein synchronmotor eine Anlaufeinrichtung zum Beschleunigen seines Rotors auf eine Rotationsgeschwindigkeit von durch Statorwicklungen erzeugten rotierenden Magnetfeldern, das heißt ungefähr auf eine Synchrongeschwindigkeit, und eine Einrichtung zum Bewirken einer Gleichstrom-Erregung von Rotorwicklungen für den normalen Lauf betrieb. Ein Antriebssystem für eine synchronmaschine ist in US- A-3462669 offenbart.
Ein Induktions-Synchronmotor ist entwickelt worden, wobei auf eine Anlaufeinrichtung verzichtet werden soll, und wobei der Synchronmotor selbst ein Anlaufdrehmoment haben soll, so daß der Motor zuerst als ein Induktionsmotor anlaufen kann, wobei die Rotorwicklungen kurzgeschlossen werden, wodurch keine spezielle Einrichtung zum Anlaufen des Motors benötigt wird. Jedoch benötigt ein solcher Motor Bürsten, da die Rotorwicklungen durch Gleichstrom für den Synchronbetrieb des Motors erregt werden müssen. Wenn sich die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors der Synchrongeschwindigkeit nähert, wird der Rurzschluß der Rotorwicklungen beendet bzw. freigegeben, so daß der Gleichstrom über die Bürsten von der externen Gleichstromversorgungsquelle zu den Rotorwicklungen fließen kann, wodurch magnetische Pole in dem Rotor erzeugt werden. Diese magnetischen Pole werden durch die rotierenden Magnetfelder, die durch die Statorwicklungen erzeugt werden, angezogen, so daß der Rotor veranlaßt wird, mit Synchrongeschwindigkeit zu rotieren. Die Bürsten erfordern Wartungskontrollen, woraus zusätzliche Wartungskosten resultieren, so daß die Entwicklung eines Synchronmotors, der eine bürstenlose Konfiguration aufweist, sehr wünschenswert ist.
Da konventionelle Synchronmotoren eine bürstenlose Konfiguration aufweisen, gibt es Motoren von permanent-magnetischem Typ oder vom Reluktanz-Typ, aber diese sind alle auf Motoren mit kleiner Leistung beschränkt, weil Induktionsanlauf nicht möglich ist und das Anlaufdrehmoment klein ist. Solche Motoren vom Induktor-Typ haben Nachteile, weil magnetische Durchgänge darin komplex sind, was ein Anstieg der Motorgröße zur Folge hat. Das gleiche gilt für Motoren, die darin einen Wechsel-Strom-Erreger und eine Drehgleichrichtereinrichtung benutzen. Ein Drei-Phasen-Synchronmotor eines bürstenlosen Typs, der ein harmonisches Magnetfeld über eine Rechteckspannung eines Inverters durch Aufweisen einer Diode, die mit den Rotorwicklungen verbunden ist, verwendet, hat einen Nachteil, und zwar, daß die magnetische Magnetisierungsleistung des Rotors unzureichend ist und die Abgabeleistung nicht stark genug ist.
Weiter offenbart die Japanische Patentanmeldung Kokoku Nr. Sho 54(1979)-34,124 eine Anordnung, wobei der Anlauf gemäß der Induktionsmotortheorie bewirkt wird und der Synchronbetrieb bewirkt wird, indem man die Gleichstrommagnetfelder in der axialen Richtung ausbildet, wodurch die Rotorkerne veranlaßt werden, magnetische Pole auszubilden. Dies hat einen Nachteil, daß das erzeugte Drehmoment asymetrisch in bezug auf die Drehachse ist, wodurch die Achse veranlaßt wird, zu vibrieren.
Zusätzlich offenbart die Japanische Patentanmeldung Kokoku Nr. Sho 61(1986)-1,992 eine Anordnung, wobei zwei rotierende Magnetfelder mit vier Polen und acht Polen vorliegen, die sich gegenseitig nicht stören, und zwei Phasen der Drei-Phasen-Rotorwicklungen sind für den Synchronbetrieb, und die verbleibende eine Phase wird für den Anlauf betrieb benutzt, wobei die Rotorwicklungen dieser einen Phase kurzgeschlossen werden. Jedoch ist ein Nachteil darin, daß das Anlaufdrehmoment dazu neigt, klein zu sein.

Zusammenfassung der Erfindung

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Synchronmotor vorzusehen, der ein großes Anlaufdrehmoment und ein großes Synchrondrehmoment erzeugen kann, der jedoch keine Bürsten oder irgendeine exklusive Anlaufeinrichtung benötigt, so daß der Motor in seiner Konfiguration einfach und seine Wartung leicht sein kann.
Bei Ausführen der obengenannten und weiterer Aufgaben der Erfindung wird in einer Form ein Induktions-Synchronmotor mit zwei Statoren vorgesehen, der zwei Rotorkerne aufweist, die auf einer gemeinsamen Achse mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen montiert sind, und zwei Statorkerne aufweist, die den zwei Rotorkernen jeweils gegenüberstehen, wobei der Motor dadurch gekennzeichnet ist, daß er aufweist:
einen Rotor mit zwei ersten Rotorwicklungen einer vorbestimmten Anzahl von Polen, die jeweils auf den zwei Rotorkernen vorgesehen sind- und zwei zweiten Rotorwicklungen einer unterschiedlichen Zahl von Polen bezüglich der Zahl von Polen der ersten Rotorwicklungen, vorgesehen jeweils auf den zwei Rotorkernen, wobei die zwei ersten Rotorwicklungen miteinander verbunden sind und die zwei zweiten Rotorwicklungen miteinander zwischen den zwei Rotorkernen verbunden sind;
zwei Statoren, die jeder zwei Statorwicklungen aufweisen, die jeweils auf den zwei Statorkernen vorgesehen sind und mit der Zahl von Polen, die gleich der Zahl von Polen der ersten Rotorwicklungen ist, und zwei Gleichstrom-Erregungswicklungen, die jeweils auf den zwei Statorkernen vorgesehen sind und die Zahl von Polen haben, die gleich der Zahl der Pole der zweiten Rotorwicklungen ist;
eine Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten von Ausgängen von den zweiten Rotorwicklungen und zum Zuführen der gleichgerichteten Spannungen zu den ersten Rotorwicklungen, wobei die ersten Rotorwicklungen und die zweiten Rotorwicklungen Verbindungsabschnitte dazwischen haben und die Gleichrichterschaltung zwischen den Verbindungsabschnitten vorgesehen ist; und
eine Phasenschiebeeinrichtung zum Erzeugen einer Phasendifferenz von 180º zwischen einem rotierenden Magnetfeld, welches um einen der Rotorkerne erzeugt wird, der einem der zwei Statoren gegenübersteht, und einem rotierenden Magnetfeld, welches um den anderen der zwei Rotorkerne erzeugt wird, der dem anderen der zwei Statoren gegenübersteht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Induktions- Synchronmotor mit zwei Statoren vorgesehen, der zwei Rotorkerne aufweist, die auf einer gemeinsamen Achse mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen montiert sind, und zwei Statorkerne, die den zwei Rotorkernen jeweils gegenüberstehen, wobei der Motor aufweist:
einen Rotor mit zwei ersten Rotorwicklungen einer vorbestimmten Anzahl von Polen, die jeweils auf den zwei Rotorkernen vorgesehen sind, und zwei zweiten Rotorwicklungen einer doppelt so großen Anzahl von Polen wie der Zahl von Polen der ersten Rotorwicklungen, vorgesehen jeweils auf den zwei Rotorkernen, wobei die zwei ersten Rotorwicklungen miteinander verbunden sind und die zwei zweiten Rotorwicklungen miteinander zwischen den zwei Rotorkernen verbunden sind;
zwei Statoren, die jeder zwei Statorkerne aufweisen, die den zwei Rotorkernen jeweils gegenüberstehen, und, die zwei Statorwicklungen aufweisen, die jede zwei Wicklungen aufweisen, die pro Phase vorgesehen und parallel miteinander verbunden sind, wobei diese zwei Statorwicklungen jeweils auf den zwei Statorkernen angeordnet sind und wobei die zwei Statorwicklungen die Anzahl von Polen haben, die gleich der der ersten Rotorwicklungen ist, wobei die zwei Wicklungen jeweils an einem mittleren Abschnitt hiervon einen Erregungsspannungs-Eingangsknoten haben;
eine Erregungsspannungs-Erzeugungsschaltung zum Erzeugen von Erregungsspannungen und zum Zuführen dieser zu den Erregungsspannungseingangsknoten der Statorwicklungen;
eine Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten von Ausgängen von den zweiten Rotorwicklungen und zum Zuführen der gleichgerichteten Spannungen zu den ersten Rotorwicklungen, wobei die ersten Rotorwicklungen und die zweiten Rotorwicklungen Verbindungsabschnitte dazwischen haben und die Gleichrichterschaltung zwischen den Verbindungsabschnitten vorgesehen ist; und
eine Phasenschiebeeinrichtung zum Erzeugen einer Phasendifferenz von 180º zwischen einem rotierenden Magnetfeld, welches um einen der Rotorkerne erzeugt wird, der einem der zwei Statoren gegenübersteht, und einem rotierenden Magnetfeld, welches um den anderen der zwei Rotorkerne erzeugt wird, der dem anderen der zwei Statoren gegenübersteht.
Unter Bezugnahme auf die Funktionen bzw. den Betrieb einer Phasenschiebeeinrichtung für einen Mehrstatoren-Induktionsmotor hat der Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung eine vollständige Erklärung davon in der Japanischen Patentanmeldung Nr. Sho 61(1986)-128,314 gegeben.
In Beziehung auf die vorliegende Erfindung betrifft die hier gegebene Erklärung jedoch eine Anordnung, wobei die Spannungs- Phasenschiebeeinrichtung die Phasendifferenz veranlaßt, während des Anlaufbetriebes 0º zu sein und während des Synchronbetriebes 180º zu sein.
In der Anordnung gemaß der vorliegenden Erfindung, zwischen den ersten Rotorwicklungen und den zweiten Rotorwicklungen, die eine unterschiedliche Anzahl von Polen bezüglich der Pole der ersten Rotorwicklungen aufweisen und zwischen den Statorwicklungen, die die gleiche Anzahl von Polen wie die der ersten Rotorwicklungen aufweisen, und die Gleichstrom-Erregungswicklungen, die die gleiche Anzahl von Polen wie die der zweiten Rotorwicklungen aufweisen, reagieren lediglich die Statoren und Rotoren, die die gleiche Anzahl von Polen haben, aufeinander und die rotierenden Magnetfelder der Statorwicklungen reagieren in keiner Weise auf die zweiten Rotorwicklungen, die eine unterschiedliche Anzahl von Polen haben. Das Prinzip selbst, auf dem die vorliegende Erfindung basiert, ist bekannt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beginnt der Rotor zu rotieren, so wie das durch die Statorwicklungen erzeugte Magnetfeld verursacht, daß eine Spannung in den ersten Rotorwicklungen, die die gleiche Anzahl von Polen wie die der Statorwicklungen haben, induziert wird, und diese Induktion geschieht ohne Beeinflußung der zweiten Rotorwicklungen, die eine unterschiedliche Anzahl von Polen als die der Statorwicklungen haben.
Hier ist die Phasenschiebeeinrichtung so wirksam, daß die Spannungen, die über den ersten Rotorwicklungen, die jeweils auf den zwei Rotorkernen gewickelt sind, induziert werden, die gleiche Phase haben könnten, das heißt, so, daß der Strom in den ersten Rotorwicklungen, die jeweils auf den zwei Rotorkernen gewickelt sind, zirkulieren könnte. Der Motor läuft folglich auf die gleiche Weise an wie ein gewöhnlicher Induktionsmotor.
Nach dem Anlaufen des Motors, so wie die Rotationsgeschwindigkeit ansteigt und sich einer Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Magnetfelder nähert, das heißt einer Synchrongeschwindigkeit, werden die durch die rotierenden Magnetfelder induzierten Spannungen an den leitenden Rotorelementen klein.
Der Betrieb bis zu diesem Punkt ist der eines Induktionsmotors, aber dies verändert sich zu einem Synchronbetrieb, wenn sich der Schlupf S = 0,05 nähert. Wie sich diese Änderung vollzieht, wird erklärt.
Zuerst wird die Spannungs-Phasenschiebeeinrichtung auf solch eine Weise betrieben, daß eine Phasendifferenz von 180º zwischen den rotierenden Magnetfeldern, die um den Rotorkern, der einem der zwei Statoren gegenübersteht, erzeugt werden, und den rotierenden Magnetfeldern, die um den Rotorkern, der dem anderen der zwei Statoren gegenübersteht, erzeugt werden, ausgebildet wird.
Auf diese Weise fließt der Strom, der zirkulär durch die ersten Rotorwicklungen geflossen ist, die jeweils auf den zwei Rotorkernen gewickelt sind, nicht länger dort, aber er beginnt zu der Gleichrichterschaltung zu fließen, die zwischen einem Anschluß der ersten Rotorwicklungen und einem Anschluß der zweiten Rotorwicklungen vorgesehen ist.
Der Strom, der aufgrund der rotierenden Magnetfelder, die eine Phasendifferenz von 180º aufweisen, in den ersten Rotorwicklungen geflossen ist, fließt darin nicht mehr, so wie der Schlupf S null wird, wenn der Rotor die Synchrongeschwindigkeit erreicht.
Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, zur gleichen Zeit zu der die Spannungs-Phasenschiebeeinrichtung wirksam ist, wird die Gleichstrom-Erregungsspannung den Gleichstrom-Erregungswicklungen zugeführt. Als eine Folge werden dabei aufgrund dieser Gleichstrom-Erregungsspannung statische Magnetfelder erzeugt. Da diese statischen Magnetfelder zu der gleichen Anzahl von Polen wie der der zweiten Rotorwicklungen des Rotors führen, beeinflußen sie nicht die ersten Rotorwicklungen, die eine unterschiedliche Anzahlvon Polen haben, und die zweiten Rotorwicklungen induzieren durch Überschneiden der statischen Magnetfelder Wechselstrom-Spannungen. Die Wechselstrom-Spannungen werden größer, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors größer wird. Zusätzlich, wie oben erklärt, zirkuliert der Strom aufgrund der Phasendifferenz von 180º in den rotierenden Magnetfeldern und der induzierten Wechselstrom-Spannungen, nicht in den zweiten Rotorwicklungen, die jeweils auf den zwei Rotorkernen gewickelt sind, sondern fließt zu der Gleichrichterschaltung, die an den Verbindungsabschnitten zwischen den ersten und zweiten Rotorwicklungen vorgesehen ist. Wenn der Strom, der durch die Gleichrichterschaltung gleichgerichtet wird, als eine Ausgabe der Gleichrichterschaltung in die ersten Rotorwicklungen eingegeben wird, bilden die ersten Rotorwicklungen magnetische Pole aus und werden durch die rotierenden Magnetfelder der Statorwicklungen, die die gleiche Anzahl von Polen haben, angezogen, was dem Rotor erlaubt, mit einer Synchrongeschwindigkeit zu rotieren. In dem obengenannten Zustand, da die zweiten Rotorwicklungen durch die Gleichstrom-Erregungswicklungen, die die gleiche Anzahl von Polen haben, unter der Kontrolle der Gleichstrom-Magnetfelder und die ersten Rotorwicklungen unter der Kontrolle der Statorwicklungen, die die gleiche Anzahl von Polen haben, sind, ist es offensichtlich, daß sie sich gegenseitig nicht stören.
Nun wird das Synchrondrehmoment betrachtet. Die Phase der rotierenden Magnetfelder, die durch die einzelnen Statorwicklungen erzeugt werden, wird um 180º geschoben, und zwar in bezug auf die der rotierenden Magnetfelder, die durch die anderen Statorwicklungen erzeugt werden. Die Flußrichtung des Stromes, der in den zweiten Rotorwicklungen des Rotorkerns fließt, der einem der Statoren gegenübersteht, und zwar durch die statischen Magnetfelder, die durch die Gleichstrom-Erregungswicklungen erzeugt werden, und die Flußrichtung des Stromes, der in den zweiten Rotorwicklungen dieses Rotors fließt, der dem anderen der Statoren gegenübersteht, sind entgegengesetzt zueinander. Jedoch fließen sie beide zu der Gleichrichterschaltung, wodurch vier magnetische Pole in den ersten Rotorwicklungen ausgebildet werden, und die Anzahl dieser magnetischen Pole ist die gleiche wie die der rotierenden Magnetfelder, die durch die Statorwicklungen erzeugt werden. Folglich, obwohl der Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Statoren hat, ist die Leistung des Motors aufgrund der zusätzlichen Wirkung der zwei Rotorwicklungen in der Summe gleich wie die eines konventionellen Induktionsmotors, der Bürsten hat.
Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, zur gleichen Zeit zu der die Spannungs-Phasenschiebeeinrichtung wirksam ist, wird die Gleichstrom-Erregungsspannung zwischen mittleren Punkten der zwei Wicklungen, die für jede Phase der Statorwicklungen gewickelt sind, eingegeben, und aufgrund dieser Gleichstrom-Erregungsspannung werden da statische Magnetfelder erzeugt, die die doppelte Anzahl von Polen wie die der Statorwicklungen haben.
Da diese statischen Magnetfelder zu der gleichen Anzahl von Polen wie die der zweiten Rotorwicklungen des Rotors führen, beeinflussen sie nicht die ersten Rotorwicklungen, die eine unterschiedliche Anzahl von Polen haben, und die zweiten Rotorwicklungen überschneiden diese statischen Magnetfelder, wodurch Wechselstrom-Spannungen induziert werden. Mit einem Anstieg der Rotationsgeschwindigkeit erfolgt ein Anstieg der induzierten Wechselstrom-Spannungen.
Zusätzlich, wie oben erklärt, zirkuliert der Strom aufgrund der Phasendifferenz von 180º in den rotierenden Magnetfeldern und der induzierten Gleichspannung nicht in den zweiten Rotorwicklungen, die jeweils auf dem zweiten Rotorkern gewickelt sind, sondern fließt zu der Gleichrichterschaltung, die zwischen den Verbindungsabschnitten zwischen den ersten und zweiten Rotorwicklungen vorgesehen ist.
Wenn der Strom, der durch die Gleichrichterschaltung gleichgerichtet wird, als eine Ausgabe der Gleichrichterschaltung in die ersten Rotorwicklungen eingegeben wird, bilden die ersten Rotorwicklungen magnetische Pole aus und werden durch die rotierenden Magnetfelder der Statorwicklungen, die die gleiche Anzahl von Polen haben, angezogen, was dem Rotor erlaubt, mit einer Synchrongeschwindigkeit zu rotieren.
Als nächstes wird gemäß der dritten und vierten Ausführungsform der Erfindung, zu der gleichen Zeit zu der die Spannungs-Phasenschiebeeinrichtung wirksam ist, die Wechselstrom-Spannung zwischen den mittleren Punkten der zwei Wicklungen, die für jede Phase der Statorwicklungen gewickelt sind, eingegeben, und, aufgrund dieser Wechselstrom-Spannung, werden zweite rotierende Magnetfelder erzeugt, die die doppelt so große Anzahl von Polen wie die der Statorwicklungen haben.
Da diese zweiten rotierenden Magnetfelder zu der gleichen Anzahl von Polen wie die der zweiten Rotorwicklungen des Rotors führen, beeinflußen sie nicht die ersten Rotorwicklungen, die eine unterschiedliche Anzahl von Polen haben, sondern reagieren lediglich auf die zweiten Rotorwicklungen.
Da hier die zweiten Rotorwicklungen in die gleiche Richtung rotiert werden wie die ersten Rotorwicklungen, wenn die zweiten rotierenden Magnetfelder von den rotierenden Magnetfeldern mit vier Polen, die durch die Statorwicklungen als Referenz erzeugt werden, aus betrachtet werden, ist der Schlupf hiervon S = 0,5, und zwar in dem Fall, in dem die Richtung der Phasenrotation der zweiten rotierenden Magnetfelder die gleiche wie die der rotierenden Magnetfelder ist, die durch die Statorwicklungen erzeugt werden, und ist S = 1,5 in dem Fall, in dem die Richtung der Phasenrotation der zweiten rotierenden Magnetfelder entgegengesetzt zu der der rotierenden Magnetfelder ist, die durch die Statorwicklungen erzeugt werden. Die zweiten Rotorwicklungen überschneiden die zweiten rotierenden Magnetfelder und Wechselstrom- Spannungen werden darin induziert.
Zusätzlich, wie oben erklärt, fließt der Strom aufgrund der Phasendifferenz von 180º in den rotierenden Magnetfeldern und der induzierten Gleichstrom- Spannung nicht, um in zweiten Rotorwicklungen, die jeweils auf den zwei Rotorkernen gewickelt sind, zu zirkulieren, sondern fließt zu der Gleichrichterschaltung, die an den Verbindungsabschnitten zwischen den ersten und den zweiten Rotorwicklungen vorgesehen ist.
Wenn der durch die Gleichrichterschaltung gleichgerichtete Strom als eine Ausgabe der Gleichrichterschaltung in die ersten Rotorwicklungen eingegeben wird, bilden die ersten Rotorwicklungen magnetische Pole aus und werden durch die rotierenden Magnetfelder der Statorwicklungen, die die gleiche Anzahl von Polen haben, angezogen, was dem Rotor erlaubt, mit Synchrongeschwindigkeit zu rotieren.
In dem obengenannten Zustand, da die zweiten Rotorwicklungen unter der Kontrolle der zweiten rotierenden Magnetfelder sind, die aufgrund der Wechselstrom- Spannungen die gleiche Anzahl von Polen haben und die ersten Rotorwicklungen unter der Kontrolle der Statorwicklungen sind, die die gleiche Anzahl von Polen haben, ist es offensichtlich, daß sie sich gegenseitig nicht stören.
Was die Spannungs-Phasenschiebeeinrichtung angeht, hat der Anmelder der vorliegenden Anmeldung in der Japanischen Patentanmeldung Nr. Sho 61(1986)-128,314 zwei Methoden zum Bewirken des Schiebens offenbart, und zwar eine zum Verändern der relativen Positionen der zwei Statoren durch mechanisches Rotieren von einem oder beiden Statoren um ihre Rotationsachse und die andere zum Schalten der Verbindungen der Statorwicklungen.
Eine der wichtigsten Betriebsarten in dem Synchronmotor gemäß der vorliegenden Erfindung ist die, daß wenn der Motor nach Anlaufen in seinen Synchronbetrieb wechselt, die Phasendifferenz der zwei rotierenden Magnetfelder von 0º zu 180º gewechselt wird, und, daß es wünschenswert ist, daß dieser Wechsel verzögerungsfrei bewirkt wird. Solch Wechsel zu der Synchrongeschwindigkeit wird möglich gemacht, falls die Eingabe der Erregungsspannung gemäß einer der drei beschriebenen Ausführungsformen zu den mittleren Punkten der zwei Wicklungen pro Phase in den entsprechenden Statorwicklungen und der Wechsel der oben erwähnten Phasendifferenz gleichzeitig und verzögerungsfrei bewirkt werden.
Um nun die Phasendifferenz zwischen den rotierenden Magnetfeldern, die jeweils durch zwei Statoren erzeugt werden, auf 180º zu setzen, das heißt, um die Phasendifferenz zwischen der Phase der Erregungsspannung, die an den mittleren Punkten der Pro-Phasen-Wicklungen in einem der Statoren eingegeben wird, und die Phase der Erregungsspannung, die an den mittleren Punkten der Pro-Phasen-Wicklungen in dem anderen der Statoren eingegeben wird, auf 180º zu setzen, ist es möglich gemacht, falls die betreffenden Wicklungen im voraus in solch einer Weise verbunden sind, daß die Phasendifferenz zwischen der Erregungsspannung und der anderen solcher Spannungen 180º sein wird.
Durch wie obengenanntes Anordnen, ist es möglich, einen Synchronmotor zu realisieren, der ein großes Synchrondrehmoment hat, der keine Bürsten oder andere zu wartenden Einrichtungen benötigt, der einfach konstruiert ist und, der keine Anlaufeinrichtungen benötigt.
Was die Stromversorgung zum Bewirken der Magnetisierung der Statorwicklungen angeht, kann die Stromversorgungsquelle eine Wechselstromquelle einer kommerziellen Frequenz oder eine Stromversorgung einer variablen Frequenz sein, die einen Inverter verwendet. Die Phase könnte entweder eine Einphase oder Mehrphasen sein. Wenn die Stromversorgung mit variabler Frequenz benutzt wird, ist es möglich, die Synchrongeschwindigkeit zu variieren und der Motor kann sogar in solch einem Fall mit einem Anlaufdrehmoment wie in einem gewöhnlichen Induktionsmotor anlaufen. Die vorliegende Erfindung kann folglich einen Synchronmotor vorsehen, der für eine Vielfalt von Anwendungen offen ist und an Niedrig-Kosten-Fertigung angepasst ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist ein Diagramm, das die Seite der Statorwicklungen und die Seite der Rotorwicklungen der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Figur 2 ist eine Drehmomentkennlinie des in Figur 1 gezeigten Motors;
Figur 3 ist ein Diagramm, das die Seite der Statorwicklungen und die Seite der Rotorwicklungen der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Figur 4 ist die Drehmomentkennlinie des in Figur 3 gezeigten Motors;
Figur 5 ist ein Diagramm, das die Seite der statorwicklungen und die Seite der Rotorwicklungen der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Figur 6 ist die Drehmomentkennlinie des in Figur 5 gezeigten Motors;
Figur 7 ist ein Diagramm, das die Seite der Statorwicklungen der vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
Figur 8 ist ein Diagramm, das die Seite der Statorwicklungen und der Rotorwicklungen des Motors zeigt, in denen die zweiten Rotorwicklungen und die Erregungswicklungen Einphasenwicklungen sind.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird jetzt hauptsächlich in Zusammenhang mit einem Induktions-Synchronmotor erklärt, der zwei Statoren hat, wobei aber natürlich die Anzahl der Statoren nicht begrenzend ist. Zusätzlich könnten die Verbindungen der Statorwicklungen Parallel-, Seriell-, Stern- oder Deltaverbindungen sein. Weiter könnte die Phase eine Einphase, Zweiphase, Dreiphase oder Mehrphase sein. Das gleiche gilt auch für die Rotorwicklungen.
Der Anmelder der vorliegenden Erfindung hat in der Japanischen Patent-Phasenanmeldung Nr. Sho 61(1986)-128,314 eine Konfiguration und Funktion eines Induktionsmotors, der eine vielzahl von Statoren aufweist, offenbart, was teilweise in der vorliegenden Anmeldung enthalten ist.
Die obengenannte Patentanmeldung erklärt, daß, wo die Spannungs-Phasenschiebeeinrichtung eine Phasendifferenz auf, zum Beispiel, die gleiche Phase oder 0º in elektrischem Winkel setzt, und zwar zwischen den rotierenden Magnetfeldern, die um den Rotor erzeugt werden, der einem einzelnen aus einer Vielzahl von Statoren gegenübersteht, und den rotierenden Magnetfeldern, die um den Rotor erzeugt werden, der dem anderen der Statoren gegenübersteht, der Strom, der zu den leitenden Rotorelementen fließt, in den leitenden Rotorelementen zirkuliert. Falls jedoch der elektrische Winkel 180º ist, zirkuliert der zu den leitenden Rotorelementen zu fließende Strom nicht in den leitenden Rotorelementen, sondern fließt über die Verbindungselemente, die die leitenden Rotorelemente zwischen den Rotorkernen verbinden.
Die Konfiguration der Phasenschiebeeinrichtung ist zusätzlich in der obengenannten Patentanmeldung gezeigt, in der der Stator rotiert wird oder die Verbindungen der Statorwicklungen zum Bewirken des Phasenschiebens geschaltet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Konfiguration der Phasenschiebeeinrichtung speziell eine, in der die Verbindungen der Statorwicklungen gewechselt oder geschaltet werden, und auf diese Weise kann das Schalten von dem elektrischen Winkel 0º auf 180º verzögerungsfrei bewirkt werden, wodurch das Schalten in den Synchronbetrieb möglich gemacht wird. Wo ein Sensor zum Ermitteln der Rotationsgeschwindigkeit und eine Steuereinrichtung für die Erregungsschaltung und die Spannungs-Phasenschiebeeinrichtung vorgesehen sind, ist es möglich, den Geschwindigkeitswechsel auf eine Synchrongeschwindigkeit nach dem Anlauf zu automatisieren und zusätzlich, sogar wenn der Motor während des Betriebs aussetzt, können die Signale von dem Sensor zur Ermitteln der Geschwindigkeiten den Synchronbetrieb sofort in einen Betrieb als Induktionsmotor schalten. Im Gegensatz zu einem gewöhnlichen Synchronmotor verursacht das Aussetzen kein plötzliches Anhalten des Motors, so daß ein Unfall, der ansonsten auftreten könnte, leicht vermieden werden kann.
Jetzt wird eine ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Figur 1 erklärt. Ziffer 20 stellt eine Anordnung auf der Seite des Stators eines Induktions-Synchronmotors mit zwei Statoren der Erfindung dar und die Ziffer 30 stellt gleichermaßen eine Anordnung auf der Seite des Rotors davon dar.
Auf der Seite des Stators 20 sind Statorwicklungen 21 und 22 jeweils auf zwei Statorkernen vorgesehen. Diese Statorwicklungen 21 und 22 sind eine serielle Y-Verbindung und jeweils mit Drei-Phasen-Wechselstromversorgungsquellen R, S und T verbunden. Zusätzlich sind dort direkte Stromerregungswicklungen 41 30 und 42 auf den zwei Statorkernen vorgesehen. Auf der Seite des Rotors 30 sind auf den zwei Rotorkernen, die auf der gemeinsamen Achse mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen angeordnet sind, jeweils erste Rotorwicklungen 31 und 32 vorgesehen. Diese ersten Rotorwicklungen 31 und 32 sind parallel miteinander verbunden. Zusätzlich sind auf den zwei Rotorkernen jeweils zweite Rotorwicklungen 33 und 34 vorgesehen. Diese zweiten Rotorwicklungen 33 und 34 sind ebenfalls parallel miteinander verbunden.
Die Anzahl der Pole der ersten Rotorwicklungen 31, 32 und die Anzahl von denen der Statorwicklungen 21, 22 sind beide identisch vier, und die Anzahl der Pole der zweiten Rotorwicklungen 33, 34 und die Anzahl von denen der Gleichstromerregungswicklungen 41, 42 sind ebenfalls beide identisch acht. An den Abschnitten der Rotorwicklungen, welche an einer Position zwischen den zwei Rotorkernen angeordnet sind, und zwar nicht den zwei Statorkernen gegenüberstehen, ist eine Gleichrichterschaltung 35 vorgesehen, welche eine Ausgabe der zweiten Rotorwicklungen 33, 34 gleichrichtet. Die Gleichrichterschaltung 35 hat seine Ausgabeanschlüsse auf der Gleichstromseite über Dioden 36 mit den ersten Rotorwicklungen 31, 32 verbunden.
Hier wird vorausgesetzt, daß die Spannung, die in den ersten Rotorwicklungen 31, die den Statorwicklungen 21 gegenüberstehen, induziert wird, die durch einen Pfeil E in Figur 1 gezeigte Richtung hat, und ebenso hat die Spannung, die in den zweiten Rotorwicklungen 33 induziert wird, die durch einen Pfeil e gezeigte Richtung. Weiter wird vorausgesetzt, daß die Spannung, die in den zweiten Rotorwicklungen 32, die den Statorwicklungen 22 gegenüberstehen, induziert wird, die durch einen Pfeil E&epsi;jθ gezeigte Richtung hat, und ebenso hat die Spannung, die in den zweiten Rotorwicklungen 34 induziert wird, die durch einen Pfeil e&epsi;jθ gezeigte Richtung. Hier ist θ der Phasendifferenzwinkel der Spannungen.
Jetzt wird der Betrieb des Motors mit der obengenannten Anordnung erklärt. Zuerst werden zum Anlaufen des Motors die Drei- Phasen-Wechselstromversorgungsquellen eingeschaltet, und zwar in den Zustand, in dem die Statorwicklungen 21, 22 so verbunden werden, daß der Phasendifferenzwinkel θ der Induktionspannungen in den ersten Rotorwicklungen 31, 32 zu θ = 0º gemacht wird. Auf diese Weise fließt der Drei-Phasen-Wechselstrom von den Drei-Phasen-Wechselstromversorgungsquellen zu den Statorwicklungen 21, 22, so daß dort jeweils rotierende Magnetfelder der gleichen Phase erzeugt werden und die Spannungen E, E&epsi;jθ in den ersten Rotorwicklungen 31, 32 induziert werden. Da der Phasendifferenzwinkel θ in der Induktionspannung θ = 0º ist, zirkuliert der Strom, der in den ersten Rotorwicklungen 31, 32 fließt, in den beiden Wicklungen und dies veranlaßt den Rotor zu rotieren und den Motor gemäß dem Prinzip des Induktionsmotors (siehe Figur 2) zu starten. Da hier die Anzahl der Pole der zweiten Rotorwicklungen 33, 34 acht ist und die der Statorwicklungen 21, 22 vier ist, treten keine Störungen zwischen ihnen auf und daher erzeugen die durch die Statorwicklungen 21, 22 generierten rotierenden Magnetfelder in den zweiten Rotorwicklungen 33, 34 keine Spannung. Folglich spielen die zweiten Rotorwicklungen 33, 34 bei dem Anlaufen des Motors keine Rolle. Das heißt, da der Anlauf des Motors mit den gleichen Charakteristika wie in einem konventionellen Induktionsmotor erfolgt, daß das Anlaufdrehmoment groß ist und dies ohne eine Anlaufeinrichtung, wie zum Beispiel einen Starter, zu benötigen.
Nach dem Start steigt die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors an und sobald sie die Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Magnetfelder mit vier Polen, die durch die Statorwicklungen 21, 22 erzeugt werden, erreicht, das heißt, die Synchrongeschwindigkeit der vier Pole, sinkt der Schlupf S und die induzierte Spannung E in den ersten Rotorwicklungen 31, 32 wird klein. Der Betrieb bis zu diesem Punkt ist ein Betrieb, wie der eines Induktionsmotors, aber wenn der Schlupf S den Wert S = 0,05 erreicht, wechselt der Betrieb zu einem Synchronbetrieb. Wie dies geschieht, wird im folgenden erklärt.
Zuerst werden mittels der Spannungs-Phasenschiebeeinrichtung die Verbindungen von einer der zwei Statorwicklungen 21 und 22, zum Beispiel der Statorwicklung 22, gewechselt, und zwar dadurch, daß die Verbindungen eines Schalters SW1 von einem a- Kontakt zu einem b-Kontakt geschaltet werden, um den Phasendifferenzwinkel θ in den rotierenden Magnetfeldern, die durch die zwei Statorwicklungen 21, 22 erzeugt werden, auf θ = 180º zu setzen. Auf diese Art und Weise wird der Phasendifferenzwinkel θ der in den ersten Rotorwicklungen 31, 32 induzierten Spannungen θ = 180º und die in der Rotorwicklung 32 induzierte Spannung wird E&epsi;j(180º) = -E, wodurch der Strom, der von der Rotorwicklung 31 zu der Rotorwicklung 32 zirkuliert ist, nicht länger fließt und der Motor nicht länger als Induktionsmotor operiert. An diesem Punkt beginnen die Gleichstromerregungswicklungen 41, 42, die jeweils auf den zwei Statorkernen vorgesehen sind, aufgrund des Schließens eines Schalters SW2 zu operieren. Das heißt, wo die Gleichstromerregungswicklungen 41, 42, wie in der Figur gezeigt, in Serie miteinander verbunden sind, und wenn der Gleichstrom von der Gleichstromquelle 43 dadurch fließt, wodurch statische Magnetfelder mit acht Polen erzeugt werden, werden Wechselspannungen e, e&epsi;j in den zweiten Rotorwicklungen 33 und 34 erzeugt. Daher folgt der Strom, der in den zweiten Rotorwicklungen 33, 34 fließt, in die Richtung zu der Gleichrichterschaltung 35 und der dadurch gleichgerichtete Strom fließt über die Dioden 36 zu den ersten Rotorwicklungen 31, 32. Der Gleichstrom verursacht in den ersten Rotorwicklungen 31, 32 die Erzeugung von Magnetpolen mit vier Polen, die es erlauben, zusammen mit den vier Polen der rotierenden Magnetfelder, die durch die Statorwicklungen 21, 22 erzeugt werden, ein Drehmoment zu erzeugen, wodurch der Rotor in die Synchronrotation übergeht. Da die Anzahl der Pole der ersten Rotorwicklungen 31, 32 und die der Gleichstromerregungswicklungen 41, 42 unterschiedlich zueinander sind, treten dazwischen keine Störungen auf. Zusätzlich sind die Anzahl der Pole der Statorwicklungen 21, 22 und die der Gleichstromerregungswicklungen 41, 42 unterschiedlich zueinander, so daß dazwischen keine Störungen auftreten. Folglich wird dem Rotor erlaubt, wie ein reiner vierpoliger konventioneller Synchronmotor zu rotieren, was zu der Verstärkung des Synchrondrehmomentes eines Motors führt (Figur 2).
Als nächstes wird der Betrieb des Motors betrachtet, und zwar wenn dieser aussetzt. In dem Fall, in dem der Motor aussetzt, erfolgt aufgrund der vierpoligen rotierenden Magnetfelder, die durch die Statorwicklungen 21, 22 erzeugt werden, ein Anstieg der induzierten Spannungen E, -E in den ersten Rotorwicklungen 31, 32. Aufgrund dieser Spannungen fließt der gleichgerichtete Strom über die Dioden 36 und die Gleichrichterschaltung 35 zu den ersten Rotorwicklungen 31, 32, und dies verhindert das Fortschreiten des Aussetzens.
Weiter wird das Synchrondrehmoment betrachtet. Im Synchronbetrieb wird die Phase des rotierenden Magnetfeldes mittels der Spannungs-Phasenschiebeeinrichtung, die durch die Statorwicklungen 22 erzeugt wird, um 180º geschoben, und zwar bezüglich jenes, welches durch die Statorwicklungen 21 erzeugt wird. Da folglich die relativen Positionen der magnetischen Pole der ersten Rotorwicklungen 31 und 32, ausgebildet durch den gleichgerichteten Strom, der durch die zweiten Rotorwicklungen 33, 34, die Gleichrichterschaltung 35 und die Dioden 36 fließt und zwar aufgrund der statischen Magnetfelder, die durch die Gleichstromerregungswicklungen 41, 42 erzeugt werden und der magnetischen Pole der rotierenden Magnetfelder, die durch die Statoren 21, 22 erzeugt werden, einander exakt entsprechen, werden die Synchrondrehmomente an den zwei Rotorkernen in die gleiche Richtung gerichtet, was zu der zusätzlichen Wirkung dieser Drehmomente führt. Daher, obwohl der Induktionsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Statoren hat, ist die Leistung in der Summe wie die eines konventionellen Induktionsmotors, der Bürsten hat.
In Verbindung mit der vorliegenden Ausführungsform ist die Spannungs-Phasenschiebeeinrichtung zum Vorsehen einer Phasendifferenz in den Spannungen, die in den Rotorwicklungen 31, 32 induziert werden, so erklärt worden, daß sie eine Methode verwendet, bei der die Verbindungen der Statorwicklungen 21, 22 geschaltet werden, um die Phasendifferenz θ auf elektrischem Wege von θ = 0º nach θ = 180º zu wechseln. Die Gleichstromerregungswicklungen 41, 42 operieren jedoch lediglich während des Synchronbetriebes, so daß, da die Verdrahtungsverbindungen gemacht worden sind, um solchen Zwecken zu entsprechen, keine Notwendigkeit vorliegt, Verbindungswechsel durch Schalten zu machen.
Jetzt wird die Erklärung der zweiten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf Figur 3 gegeben. Die gleichen Ziffern bzw. die ähnlichen Symbole werden hier für die gleichen bzw. ähnlichen Elemente der ersten Ausführungsform benutzt. Ziffer 20 stellt die Seite des Stators eines induktions-Synchronmotors mit zwei Statoren dar und Ziffer 30 stellt gleichermaßen die Seite des Rotors davon dar.
Auf der Seite des Stators 20 sind Statorwicklungen 27 und 28 jeweils auf zwei Statorkernen vorgesehen. Diese Wicklungen 27 und 28 sind eine serielle Y-Verbindung und jeweils mit Drei- Phasen-Wechselstromversorgungsquellen R, S und T verbunden. Für die Statorwicklungen 27, 28 sind zwei Wicklungen pro Phase vorgesehen, also Wicklungen 23, 24 und Wicklungen 25, 26, die jeweils parallel verbunden sind. Es ist so arrangiert, daß Erregungsspannungen Ea, -Ea' jeweils in die zwei Pro-Phasen- Wicklungen 23, 24 und 25, 26 an ihrer mittleren Position eingeben werden. Auch für die weiteren Phasen werden die Erregungsspannungen Eb, Ec und Eb', Ec' genauso eingegeben.
Beispiele für die eingegebenen Erregungsspannungen sind solche, die ausgegeben werden als Ergebnis davon, daß die Gleichrichterbrücken 51, 52, 53, die mit den Drei-Phasen-Wechselstromversorgungsquellen R, S, T verbunden werden, und die davon ausgegebenen Gleichstromspannungen als solche Eingaben benutzt werden. Die Gleichrichterbrücken werden über einen Schalter SW3 und Transformatoren 64 - 66 mit den Drei-Phasen- versorgungsquellen verbunden.
Für die Wicklungen 25, 26 der Statorwicklungen 28 ist ein Schalter SW4 zum Wechseln des Phasendifferenzwinkels θ auf θ = 180º in bezug auf die Statorwicklungen 27 vorgesehen.
Andererseits sind die ersten Rotorwicklungen 31, 32 jeweils auf zwei Rotorkernen, die auf einer gemeinsamen Achse auf der Seite des Rotors 30 montiert sind, vorgesehen und parallel verbunden. Auf der Seite des Rotors 30 sind zweite Rotorwicklungen 33, 34 jeweils auf den zwei Rotorkernen vorgesehen und parallel verbunden.
Die Anzahl der Pole der ersten Rotorwicklungen 31, 32 und die Anzahl von denen der Statorwicklungen 27, 28 sind beide identisch vier. Zusätzlich ist die Anzahl der Pole der zweiten Rotorwicklungen 33, 34 und die Anzahl der Pole der Magnetfelder, die erzeugt werden, indem man die Erregungsspannungen den mittleren Abschnitten der zwei Wicklungen 23, 24 und 25, 26 pro Phase zuführt, identisch acht. Das Gleiche gilt für weitere Phasen.
An den Verbindungsabschnitten der Rotorwicklungen, die an einer Position zwischen den zwei Rotorkernen angeordnet sind, ist eine Gleichrichterschaltung 35 vorgesehen, die eine Ausgabe von den zweiten Rotorwicklungen 33, 34 gleichrichtet. Die Gleichrichterschaltung 35 hat ihren Ausgabeanschluß auf der Gleichstromseite über Dioden 36 mit den ersten Rotorwicklungen 31, 32 verbunden.
Hier wird vorausgesetzt, daß die Spannung, die in den ersten Rotorwicklungen 31, die den Statorwicklungen 21 gegenüberstehen, induziert wird, die durch einen Pfeil E in Figur 3 gezeigte Richtung hat, und ebenso hat die Spannung, die in den zweiten Rotorwicklungen 33 induziert wird, die durch einen Pfeil e gezeigte Richtung. Weiter wird vorausgesetzt, daß die Spannung, die in den zweiten Rotorwicklungen 32, die den Statorwicklungen 28 gegenüberstehen, induziert wird, die durch einen Pfeil E&epsi;jθ gezeigte Richtung hat, und ebenso hat die Spannung, die in den zweiten Rotorwicklungen 34 induziert wird, die durch einen Pfeil e&epsi;jθ gezeigte Richtung. Hier ist θ der Phasendifferenzwinkel der Spannungen.
Jetzt wird der Betrieb des Motors mit der obengenannten Anordnung erklärt. Zuerst werden zum Anlauf des Motors die Drei- Phasen-Wechselstromversorgungsquellen eingeschaltet, und zwar in den Zustand, in dem die Statorwicklungen 27, 28 so verbunden werden (das heißt, der a-Kontakt des Schalters SW4 ist geschlossen), daß der Phasendifferenzwinkel θ der induzierten Spannungen in den ersten Rotorwicklungen 31, 32 zu θ = 0º gemacht wird. Auf diese Weise fließt der Drei-Phasen-Wechsel-Strom von den Drei-Phasen-Wechselstromversorgungsquellen zu den Statorwicklungen 27, 28, so daß dort jeweils rotierende Magnetfelder der gleichen Phase erzeugt werden und die Spannungen E, E&epsi;jθ in den ersten Rotorwicklungen 31, 32 induziert werden. Da der Phasendifferenzwinkel θ der induzierten Spannungen θ = 0º ist, zirkuliert der Strom, der in den ersten Rotorwicklungen 31, 32 fließt, in den beiden Wicklungen und dies veranlaßt den Rotor zu rotieren und den Motor gemäß dem Prinzip des gewöhnlichen Induktionsmotors (siehe Figur 4) zu starten. Da hier die Anzahl der Pole der zweiten Rotorwicklungen 33, 34 acht ist und die der Statorwicklungen 27, 28 vier ist, treten keine Störungen zwischen ihnen auf und daher erzeugen die durch die Statorwicklungen 27, 28 generierten rotierenden Magnetfelder in den zweiten Rotorwicklungen 33, 34 keine Spannungen. Folglich spielen die zweiten Rotorwicklungen 33, 34 bei dem Anlauf des Motors keine Rolle. Das heißt, da der Anlauf des Motors mit den gleichen Charakteristika wie in einem konventionellen Induktionsmotor erfolgt, daß das Anlaufdrehmoment groß ist und dies ohne eine Anlaufeinrichtung, wie zum Beispiel einen Starter, zu benötigen.
Nach dem Start steigt die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors an und sobald sie die Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Magnetfelder mit vier Polen, die durch die Statorwicklungen 27, 28 erzeugt werden, erreicht, das heißt, die Synchrongeschwindigkeit der vier Pole, sinkt der Schlupf S und die induzierte Spannung E in den ersten Rotorwicklungen 31, 32 wird klein. Der Betrieb bis zu diesem Punkt ist ein Betrieb, wie der eines Induktionsmotors, aber wenn der Schlupf S den Wert S = 0,05 erreicht, wechselt der Betrieb zu einem Synchronbetrieb. Wie dies geschieht, wird im folgenden erklärt.
Zuerst werden mittels der Spannungs-Phasenschiebeeinrichtung die Verbindungen von einer der zwei Statorwicklungen 27 und 28, zum Beispiel der Statorwicklung 28, gewechselt, und zwar durch den Schalter SW4, von dem a-Kontakt zu dem b-Kontakt, um den Phasendifferenzwinkel θ in den zwei rotierenden Magnetfeldern, die durch die zwei Statorwicklungen 27, 28 erzeugt werden, auf θ = 180º zu setzen. Auf diese Art und Weise wird der Phasendifferenzwinkel θ der in den ersten Rotorwicklungen 31, 32 induzierten Spannungen θ = 180º und die induzierte Spannung wird E&epsi;j(180) = -E, wobei der Strom, der von der Rotorwicklung 31 zu der Rotorwicklung 32 zirkuliert ist, nicht länger fließt und der Motor nicht länger als Induktionsmotor operiert.
Gleichzeitig mit dem Betrieb des Schalters SW4 werden die Magnetfelder mit acht Polen veranlaßt, ihre Rolle zu übernehmen. Das heißt, wenn der Schalter SW3 geschlossen ist und die Erregungsspannungen Ea, Eb, Ec, -Ea, -Eb, -Ec an den jeweiligen mittleren Abschnitten zwischen den zwei Statorwicklungen, die jede zwei Wicklungen aufweisen, die pro Phase vorgesehen sind, parallel miteinander verbunden sind, angelegt werden, werden statische Magnetfelder mit acht Polen erzeugt, da die angelegten Spannungen Gleichspannungen sind.
Da hier die Spannungen Ea, Eb, Ec und Spannungen -Ea, -Eb, -Ec, die jeweils an die Statorwicklungen angelegt werden, von entgegengesetzter Polarität sind, so daß die Phasendifferenz θ der rotierenden Magnetfelder θ = 180º sein könnte, wird der Phasendifferenzwinkel θ der in den zweiten Rotorwicklungen 33, 34 induzierten Wechselstromspannungen θ = 180º sein und die induzierten Spannungen werden e&epsi;j(180) = -e sein.
Daher fließt der Strom, der zu den zweiten Rotorwicklungen 33, 34 fließt, in die Richtung der Gleichrichterschaltung 35 und der gleichgerichtete Strom fließt zu den ersten Rotorwicklungen 31, 32. Der Gleichstrom verursacht, Magnetfelder mit vier Polen in den Rotorwicklungen 31, 32 zu erzeugen, die, zusammen mit den rotierenden Magnetfeldern mit vier Polen, die durch die Statorwicklungen 27, 28 erzeugt werden, es erlauben, ein Synchrondrehmoment zu erzeugen, wodurch der Rotor in den Synchronbetrieb übergeht.
Da die Anzahl der Pole der ersten Rotorwicklungen 31, 32 und die der statischen Magnetfelder unterschiedlich zueinander sind, treten keine Störungen dazwischen auf. Zusätzlich ist die Anzahl der Pole der Statorwicklungen 27, 28 und die der statischen Magnetfelder unterschiedlich zueinander, so daß keine Störung dazwischen auftritt. Folglich wird dem Rotor erlaubt, wie in einem reinen vierpoligen konventionellen Synchronmotor zu rotieren, was zu der Verstärkung des Synchrondrehmomentes eines Motors führt.
Die Japanische Patentanmeldung Kokoku Nr. Hei 2(1990)-18,038 offenbart eine Anordnung, durch die zwei Magnetfelder, die eine unterschiedliche Anzahl von Polen aufweisen, gleichzeitig in den gleichen Statorwicklungen erzeugt werden.
Der Induktions-Synchronmotor gemäß der vorliegenden Erfindung hat Bezug zu der wie in der obengenannten Veröffentlichung offenbarten Anordnung, und zwar in so weit, als die Mittel zum Erzeugen der zwei Magnetfelder, die eine unterschiedliche Anzahl von Polen haben, betroffen sind. Jedoch hat der Induktions-Synchronmotor mit zwei Statoren gemäß der vorliegenden Erfindung einen zusätzlichen Vorteil, in dem er einen Induktionsanlauf mit hohem Drehmoment realisiert hat.
Als nächstes wird der Betrieb des Motors betrachtet, und zwar wenn dieser aussetzt. In dem Fall, daß der Motor aussetzt, erfolgt durch die vierpoligen rotierenden Magnetfelder, die in den ersten Statorwicklungen 27, 28 erzeugt werden, ein Anstieg der induzierten Spannungen E, -E. Aufgrund dieser Spannungen fließt der gleichgerichtete Strom über die Dioden 36 und die Gleichrichterschaltung 35 zu den ersten Rotorwicklungen 31, 32, und dies verhindert das Fortschreiten des Aussetzens.
Jetzt erfolgt die Erklärung der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Figur 5. Da die dargestellte Seite des Rotors des Motors die gleiche wie die der ersten und zweiten Ausführungsformen ist, werden Darstellungen und Erklärungen dafür weggelassen.
Auf der Seite des Stators 20 sind jeweils Statorwicklungen 27 und 28 auf den zwei Statorkernen vorgesehen. Diese Wicklungen sind eine serielle Y-Verbindung und jeweils mit Drei-Phasen- Wechselstromversorgungsquellen R, S und T verbunden.
Für die Statorwicklungen 27, 28 sind zwei Wicklungen pro Phase vorgesehen, also die Wicklungen 23, 24 und die Wicklungen 25, 26, die jeweils parallel verbunden sind.
Es ist vorgesehen, daß Wechselspannungen Ea, -Ea', die die gleiche Phasenrotation aufweisen wie die der vierpoligen rotierenden Magnetfelder, jeweils in die zwei Pro-Phasen-Wicklungen 23, 24 und 25, 26 an ihrer mittleren Position eingeben werden. Auch für die weiteren Phasen werden die Wechselspannungen Eb, Eb', Ec, Ec'. genauso eingegeben.
Beispiele für die eingegebenen Wechselspannungen sind solche, die von den Transformatoren 61, 62, 63, die mit der Drei-Phasen-Wechselstromversorgungsquellen R, S, T verbunden sind, ausgegeben werden. Die Transformatoren sind über einen Schalter SWS mit den Drei-Phasen-Stromversorgungsquellen verbunden.
Jetzt wird der Betrieb des Motors mit der obengenannten Anordnung erklärt. Zuerst wird zum Anlaufen des Motors der Schalter SW5 geöffnet und der Schalter SW3 wird gewechselt, so daß der Phasendifferenzwinkel θ der induzierten Spannungen in den ersten Rotorwicklungen 31, 32 zu θ = 0º gemacht wird. Die Erklärung zum Anlaufen des Motors, die für die erste Ausführungsform gegeben worden ist, gilt für diese Ausführungsform und die Erklärung hier beginnt zu der Zeit, wenn der Motor in einen Synchronbetrieb übergeht.
Zuerst werden mittels der Spannungsphasenschiebeeinrichtung die Verbindungen von einem der zwei Statorwicklungen 27 und 28, zum Beispiel der Statorwicklung 28, gewechselt, und zwar durch den Schalter SW3, um den Phasendifferenzwinkel θ in den zwei rotierenden Magnetfeldern, die durch die zwei Statorwicklungen 27, 28 erzeugt werden, auf θ = 180º zu setzen. Auf diese Art und Weise wird der Phasendifferenzwinkel θ der in den ersten Rotorwicklungen 31,32 induzierten Spannungen θ = 180º und die induzierte Spannung wird E&epsi;j(180) = -E, wodurch der Strom, der von der Rotorwicklung 31 zu der Rotorwicklung 32 zirkuliert ist, nicht länger fließt und der Motor nicht länger als Induktionsmotor operiert.
Gleichzeitig mit dem Betrieb des Schalters SW4 werden die Magnetfelder mit acht Polen veranlaßt, ihre Rolle zu übernehmen. Das heißt, wenn der Schalter SWS geschlossen ist und die Wechselspannungen Ea, Eb, Ec, -Ea', -Eb', -Ec' an den jeweiligen mittleren Abschnitten der Statorwicklungen angelegt werden, die zwei Wicklungen pro Phase aufweisen und parallel miteinander verbunden werden, werden zweite rotierende Magnetfelder mit acht Polen erzeugt, da die angelegten Spannungen Wechselspannungen der gleiche Phase sind. Hier bedeutet das Minuszeichen bei -Ea', daß die Phasendifferenz θ in bezug auf Ea 180º ist.
Während die zweiten Rotorwicklungen 33, 34 zusammen mit den ersten Rotorwicklungen 31, 32, die vier Pole haben, rotieren, überschneiden sie die zweiten rotierenden Magnetfelder mit acht Polen, die mit einer unterschiedlichen Geschwindigkeit rotieren, wodurch die zweiten rotierenden Nagnetfelder veranlaßt werden, Wechselspannungen in den zweiten Rotorwicklungen 33, 34 zu erzeugen.
Die Phasendifferenz θ der Wechsel Spannungen, die jeweils in den zweiten Rotorwicklungen 33, 34 induziert werden, werden θ = 180º werden.
Daher fließt der Strom, der zu den zweiten Rotorwicklungen 33, 34 fließt, in die Richtung der Gleichrichterschaltung 35 und der gleichgerichtete Strom fließt zu den ersten Rotorwicklungen 31, 32. Der Gleichstrom veranlaßt, in den Rotorwicklungen 31, 32 Magnetfelder mit vier Polen zu erzeugen, die es zusammen mit den rotierenden Magnetfeldern mit vier Polen, die durch die Statorwicklungen 27, 28 erzeugt werden, erlauben, ein Synchrondrehmoment zu erzeugen, wodurch der Rotor in die Synchronrotation übergeht.
Die oben erklärten zweiten Rotorwicklungen 33, 34 werden, wie in Figur 6 gezeigt, mit der achtpoligen Synchrongeschwindigkeit rotieren. Da sie jedoch zusammen mit den vierpoligen Rotorwicklungen in der Nähe von vierpoliger Synchrongeschwindigkeit mit dem Schlupf S = 0 rotieren, werden die Rotorwicklungen 33, 34, die in der Nähe von S = 0,5 (als Referenz von der vierpoligen Synchrongeschwindigkeit aus betrachtet) einen Leistungsgenerierungseffekt aufweisen.
Hier repräsentiert der Schupf S den des Rotors in bezug auf die vierpolige Synchrongeschwindigkeit.
Figur 7 stellt eine vierte Ausführungsform dar, für die die Erklärung hier auf die Elemente begrenzt ist, die sich von denen in der dritten Ausführungsform unterscheiden.
In der dritten Ausführungsform werden zwischen dem mittleren Abschnitt der Wicklungen 23 und jenen der Wicklungen 24 die Wechselstromspannungen der gleichen Richtung der Phasenrotation, wie die der vierpoligen rotierenden Magnetfelder, angelegt. Jedoch sind die eingegebenen Spannungen die Wechselspannungen mit der entgegengesetzten Richtung der Phasenrotation in bezug auf die Phasenrotation der vierpoligen rotierenden Magnetfelder.
Wie in Figur 7 gezeigt, sind die Wicklungen für die einzugebenen Wechselspannungen Ea, Eb, Ec auf der Ausgangsseite der Transformatoren 61, 62, 63 ersetzt, so daß sie für die Phasenrotation, die umgekehrt zu der der vierpoligen rotierenden Magnetfelder ist, eingeben werden. Das heißt, in dieser vierten Ausführungsform werden die Wechselspannungen Eb und Ec und die Wechselspannungen -Eb' und -Ec' jeweils durcheinander ersetzt.
In diesem Fall weisen die zweiten rotierenden Magnetfelder, die durch das Eingeben der Wechselspannungen Ea, Eb, Ec und -Ea', -Eb', -Ec' erzeugt werden, acht Pole auf.
Wie in Figur 6 dargestellt ist, wird der Schlupf S des Rotors für die vierpolige Synchrongeschwindigkeit S = 1,5, da die Anzahl der Pole acht ist und die Richtung der Phasenrotation entgegengesetzt zu der der vierpoligen rotierenden Magnetfelder ist.
Daher ist zu bemerken, daß, verglichen mit der dritten Ausführungsform, der Schlupf für die vierpolige Synchrongeschwindigkeit groß ist und die Anzahl der Überschneidungen zwischen den zweiten Rotorwicklungen 43, 44 und den zweiten rotierenden Nagnetfeldern mit acht Polen gestiegen ist, was zu der Verbesserung von Leistungsgenerierungseffekten führt.
Wenn die induzierten Spannungen in den Rotorwicklungen 33, 34 ansteigen, steigt die magnetische Leistung der vier Pole an, die in den ersten Rotorwicklungen 31, 32 erzeugt werden, was zu einem Ansteigen des Synchrondrehmomentes führt.
In dem Motor gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Anzahl der Magnetpole zum Verhindern der Störungen zwischen den rotierenden Magnetfeldern und den statischen Magnetfeldern (oder den zweiten rotierenden Magnetfeldern) als eine Kombination aus vier und acht Polen angenommen, aber diese Anzahl ist nicht begrenzend.
In den obengenannten jeweiligen Ausführungsformen, obwohl die Erregungswicklungen und die zweiten Rotorwicklungen dargestellt sind und als Mehrphasenwicklungen erklärt sind, könnten sie Einphasenwicklungen sein, wie in Figur 8 illustriert.
Es muß zusätzlich bemerkt werden, daß die benutzte Stromversorgung eine Wechselstromversorgungsquelle mit einer kommerziellen Frequenz oder eine frequenzvariable Stromversorgung sein könnte, die einen Inverter verwendet, wobei in diesem Fall eine Synchrongeschwindigkeit nach Bedarf variable gemacht werden könnte.
In dem Induktions-Synchronmotor mit zwei Statoren gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Anlauf betrieb der gleiche wie der in einem konventionellen Induktionsmotor und, ab der Zeit, wenn der Schlupf S = 0,05 erreicht, wechselt die Geschwindigkeit zu einer Synchrongeschwindigkeit und der Motor läuft mit Drehmomentcharakteristika eines Synchronmotors. Dieser Induktions-Synchronmotor mit zwei Statoren benötigt keine Bürsten, was die Konstruktion und den Aufbau des Motors einfacher macht. Zusätzlich ist der Motor fähig, bei dem Anlauf mit den gleichen Drehmomentcharakteristika zu laufen, wie in einem Induktionsmotor, was es für den Motor möglich macht, sogar unter einer belasteten Bedingung anzulaufen und zu dem Synchronbetrieb fortzufahren.
Da der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung mit den Drehmomentcharakteristika eines Induktionsmotors und denen eines Synchronmotors ausgestattet ist, kann er mit den beiden Drehmomentcharakteristika laufen. Dies bedeutet, daß, im Fall, daß sich der Motor aus irgendwelchen Gründen einem Aussetzen unterzieht, es möglich ist, den Betrieb von dem mit den Synchrondrehmomentcharakteristika zu dem mit den Induktionsdrehmomentcharakteristika zu schalten, so daß im Gegensatz zu einem gewöhnlichen Synchronmotor der Motor daran gehindert werden könnte, plötzlich zu stoppen.
Wie oben erklärt, benötigt der Motor keine Bürsten und macht die Konstruktion einfach und ist weiter fähig mit einem großen Anlaufdrehmoment und einem großen Synchrondrehmoment zu laufen.

Claims

1. Induktions-Synchronmotor mit zwei Statoren, der zwei Rotorkerne aufweist, die auf einer gemeinsamen Achse mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen montiert sind, und zwei Statorkerne aufweist, die den zwei Rotorkernen jeweils gegenüberstehen, wobei der Motor dadurch gekennzeichnet ist, daß er aufweist:

einen Rotor (30) mit zwei ersten Rotorwicklungen (31, 32) einer vorbestimmten Anzahl von Polen, die jeweils auf den zwei Rotorkernen vorgesehen sind, und zwei zweiten Rotorwicklungen (33, 34) einer unterschiedlichen Zahl von Polen bezüglich der Zahl von Polen der ersten Rotorwicklungen (31, 32), vorgesehen jeweils auf den zwei Rotorkernen, wobei die zwei ersten Rotorwicklungen (31, 32) miteinander verbunden sind und die zwei zweiten Rotorwicklungen miteinander zwischen den zwei Rotorkernen verbunden sind;

zwei Statoren, die jeder zwei Statorwicklungen (21, 22) aufweisen, die jeweils auf den zwei Statorkernen vorgesehen sind und mit der Zahl von Polen, die gleich der Zahl von Polen der ersten Rotorwicklungen (31, 32) ist, und zwei Erregungswicklungen (41, 42), die jeweils auf den zwei Statorkernen vorgesehen sind und die Zahl von Polen haben, die gleich der Zahl der Polen der zweiten Rotorwicklungen (33, 34) ist;

eine Gleichrichterschaltung (35) zum Gleichrichten von Ausgängen von den zweiten Rotorwicklungen (33, 34) und zum Zuführen der gleichgerichteten Spannungen zu den ersten Rotorwicklungen (31, 32), wobei die ersten Rotorwicklungen (31, 32) und die zweiten Rotorwicklungen (33, 34) Verbindungsabschnitte dazwischen haben und die Gleichrichterschaltung (35) zwischen den Verbindungsabschnitten vorgesehen ist; und

eine Phasenschiebeeinrichtung (SW1) zum Erzeugen einer Phasendifferenz von 180º zwischen einem rotierenden Magnetfeld, welches urn einen der Rotorkerne erzeugt wird, der einem der zwei Statoren gegenübersteht, und einem rotierenden Magnetfeld, welches um den anderen der zwei Rotorkerne erzeugt wird, der dem anderen der zwei Statoren gegenübersteht.

2. Induktions-Synchroninotor mit zwei Statoren gemäß Anspruch 1, wobei die Phasenschiebeeinrichtung eine Schaltereinrichtung (SW1) aufweist zum Übersetzen bzw. Gestalten der Verbindungen der Statorwicklungen der Statoren in eine umgekehrte Polarität.

3. Induktions-Synchronmotor mit zwei Statoren gemaß Anspruch 1, wobei die den Erregungswicklungen (41, 42) zugeführten Spannungen Gleichstrom-Spannungen sind.

4. Induktions-Synchronmotor mit zwei Statoren gemäß Anspruch 1, wobei die zweiten Rotorwicklungen (33, 34) und die Erregungswicklungen (41, 42) Einphasenwicklungen oder Mehrphasenwicklungen mit derselben Anzahl von Polen sind.

5. Induktions-Synchronmotor mit zwei Statoren, der zwei Rotorkerne aufweist, die auf einer gemeinsamen Achse mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen montiert sind, und zwei Statorkerne aufweist, die den zwei Rotorkernen jeweils gegenüberstehen, wobei der Motor dadurch gekennzeichnet ist, daß er aufweist:

einen Rotor, (30) mit zwei ersten Rotorwicklungen (31, 32) einer vorbestimmten Zahl von Polen, die jeweils an den zwei Rotorkernen vorgesehen sind, und zwei zweiten Rotorwicklungen (33, 34) einer doppelt so großen Anzahl von Polen wie der Zahl von Polen der ersten Rotorwicklungen (31, 32), vorgesehen jeweils auf den zwei Rotorkernen, wobei die zwei ersten Rotorwicklungen (31, 32) miteinander verbunden sind und die zwei zweiten Rotorwicklungen miteinander zwischen den zwei Rotorkernen verbunden sind;

zwei Statoren (20), die jeder zwei Statorkerne haben, die jweils den zwei Rotorkernen gegenüberstehen, und zwei Statorwicklungen (27, 28) haben, von denen jede zwei Wicklungen (23, 24; 25, 26) hat, die pro Phase vorgesehen und parallel miteinander verbunden sind, wobei die zwei Statorwicklungen (27, 28) jeweils auf den zwei Statorkernen angeordnet sind und wobei die zwei Statorwicklungen (27, 28) die Zahl von Polen haben, die gleich jener ist der ersten Rotorwicklungen (31, 32), wobei die zwei Wicklungen (23, 24) jeweils an einem mittleren Abschnitt hiervon einen Erregungsspannungseingangsknoten haben;

eine Erregungsspannungs-Erzeugungsschaltung (61, 62, 63, 64, 65, 66, 51, 52, 53) zum Erzeugen von Erregungsspannungen und zuni Zuführen dieser zu den Erregungsspannungseingangsknoten der Statorwicklungen (27, 28);

eine Phasenschiebeeinrichtung (SW4) zum Erzeugen von Phasendifferenzen von 180º zwischen einem rotierenden Magnetfeld, welches um einen der Rotorkerne erzeugt wird, der einem der zwei Statoren gegenübersteht, und einein rotierenden Magnetfeld, welches um den anderen der zwei Rotorkerne erzeugt wird, der dem anderen der zwei Statoren gegenübersteht.

6. Induktions-Synchronmotor mit zwei Statoren gemäß Anspruch 5, wobei die Phasenschiebeeinrichtung eine Schaltereinrichtung (SW4) aufweist zum Übersetzen bzw. Gestalten der Verbindungen der Statorwicklungen (27, 28) der Statoren in eine umgekehrte Polarität.

7. Induktions-Synchronmotor mit zwei Statoren gemäß Anspruch 5, wobei die Erregungsspannungs-Erzeugungsschaltung Umsetzer (64, 65, 66) und Gleichrichterschaltungen (51, 52, 53) aufweist zum Zuführen von Gleichstrom- Spannungen an die Erregungsspannungseingangsknoten der Statorwicklungen (27, 28).

8.Induktions-Synchronmotor mit zwei Statoren gemäß Anspruch 5, wobei die Erregungsspannungs-Erzeugungsschaltung isolierende Umsetzer (61, 62, 63) zum Zuführen von Wechselstrom-Spannungen an die Erregungsspannungseingangsknoten der Statorwicklungen (27, 28) aufweist.

9. Induktions-Synchronmotor mit zwei Statoren gemäß Anspruch 8, wobei die Richtungen der Phasendrehung der Wechselstrom-Spannungen (Ea, Eb, Ec, -Ea', -Eb', -Ec'), die den Erregungsspannungseingangsknoten zugeführt werden, entgegengesetzt zu jener der Wechselstrom-Spannungen (R, S, T) ist, die den Statorwicklungen zugeführt werden, die parallel verbunden sind.