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Die
Erfindung betrifft einen Asynchronmotor, der an Wechselspannungen
mit variabler Frequenz anschließbar
und betreibbar ist.
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Derartige
Asynchronmotoren sind bereits hinlänglich bekannt. Bei frequenzvariablen
Stromversorgungsnetzen, wie sie beispielsweise in modernen Passagierflugzeugen
häufig
verwendet werden, werden Asynchronmaschinen generell an Frequenzumrichter
angeschlossen, die eine Spannung mit vorgebbaren Frequenzen bereitstellen.
Entsprechend der Ansteuerung der Frequenzumrichter werden dadurch
Drehzahlen und Drehmomente der Asynchronmaschinen in einem weiten
Bereich beeinflusst, womit die größtmögliche Flexibilität in der
jeweiligen Anwendung gegeben ist. Ein üblicher elektrischer Antrieb
besteht in einem solchen Falle demnach aus einem Frequenzumrichter
mit einer entsprechenden Ansteuerungslogik und Leistungshalbleiterbauelementen
und der elektrischen Maschine selbst.
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Für manche
Anwendungen, die eines elektrischen Antriebs bedürfen, werden jedoch keine hohen Anforderungen
an die Drehzahl der Maschine gestellt, so dass diese Größe auch
nicht in einem weiten Bereich einstellbar sein muss. Die exakte
Drehzahl der elektrischen Maschine ist etwa für den Betrieb unerheblich,
so lange sie nur in einem zugelassenen Drehzahlbereich liegt. Als
Beispiel dient der Antrieb einer Pumpe: Wenn durch den elektrischen Antrieb
ein ausreichender Druck im Rohrssystem erzeugt wird, ist die Drehzahl
des Antriebs nicht von Interesse.
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Wird
für einen
derartigen Anwendungszweck dennoch ein umrichtergesteuerter Antrieb
verwendet, so ergeben sich einige deutliche Nachteile gegenüber einem
Antrieb ohne Frequenzumrichter. Zum einen fällt zusätzliches Gewicht und zusätzlicher
Bauraum durch den Frequenzumrichter an. Finden solche elektrischen
Maschinen in einem modernen Passagierflugzeug Anwendung, sind dies
besonders gravierende Nachteile. Weiterhin wird durch die Ausfallmöglichkeit
des Frequenzumrichters bzw. der darin enthaltenen Leistungshalbleiter
die Ausfall wahrscheinlichkeit der Gesamtanordnung aus elektrischer
Maschine und Frequenzumrichter erhöht. Durch den Betrieb des Frequenzumrichters
wird das Stromversorgungsnetz außerdem verstärkt durch elektromagnetische
Interferenzeffekte gefährdet. Schließlich wird
durch den verlustbehafteten Betrieb des Frequenzumrichters die Effektivität des Gesamtsystems
verringert und der durch die elektrische Verlustleistung erzeugte
Wärmeeintrag
erhöht.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist demnach das Verringern oder Eliminieren
eines oder mehrerer der genannten Nachteile. Insbesondere ist Aufgabe
der Erfindung, einen robusten und zuverlässigen Wechselstromantrieb
mit geringem Gewicht zum Betrieb an einer frequenzvariablen Stromversorgung
vorzuschlagen, der für
weitgehend drehzahlunabhängige Anwendungen
mit einem beschränkten
Drehzahlbereich geeignet ist.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass ein Asynchronmotor bei Wechselspannungen mit mindestens zwei
unterschiedlichen Polzahlen an variabler Frequenz betreibbar ist.
Diese Asynchronmaschine weist neben einem Rotor einen Stator mit
einer aus mehreren Spulengruppen bestehenden Statorwicklung oder
mehreren Statorwicklungen auf, wobei Anzapfleitungen und/oder die
Enden der Spulengruppen getrennt aus dem Motor heraus zu einem Umschalter
geführt
sind, der den Betrieb des Asynchronmotors bei unterschiedlichen
Frequenzbereichen der Stromversorgung durch Polumschaltung ermöglicht.
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Bei
variabler Frequenz einer Wechselspannung (im folgenden auch „Speisefrequenz" genannt) würde ein
herkömmlicher
Asynchronmotor ohne Frequenzumrichter eine zur Frequenz proportionale Drehzahl
einnehmen. Durch Polumschaltung und dadurch erreichte Erhöhung oder
Verringerung der Polpaarzahl der Statorwicklungen kann die Drehzahl verringert
oder erhöht
werden, denn die Drehzahl eines Asynchronmotors hängt auch
umgekehrt proportional von der Polpaarzahl ab.
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Wird
für eine
im Wesentlichen drehzahlunabhängige
Anwendung ein zulässiger
Drehzahlbereich für
einen Asynchronmotor vorgegeben, muss dieser durch eine gezielte
Polumschaltung des Motors eingehalten werden. Hierbei ergibt sich
die untere Grenze des Drehzahlbereiches durch die minimalen Systemanforderungen
(z. B. mininaler Druck bei einem Pumpenantrieb, minimaler Luftmassenstrom
bei einem Ventilator). Die obere Grenze des Drehzahlbereiches ist
durch die mechanische Belastbarkeit der elektrischen Maschine vorgegeben.
Würde sich
beispielsweise bei einer eingestellten relativ niedrigen Polpaarzahl
und gleichzeitig relativ hoher Frequenz des Versorgungsnetzes eine
aus dem zulässigen
Bereich tretende Drehzahl des Asynchronmotors ergeben, ist eine
gezielte Erhöhung
der Polzahl zum Verringern der Drehzahl des Asynchronmotors erforderlich,
so dass diese wieder im zulässigen
Bereich liegt. Umgekehrt kann bei zu hoher Polzahl und zu niedriger
Frequenz des Versorgungsnetzes die Drehzahl des Asynchronmotors
den erforderlichen Drehzahlbereich unterschreiten, so dass eine
gezielte Verringerung der Polzahl zum Erhöhen der Drehzahl vonnöten ist.
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Zur
gezielten Polumschaltung ist es notwendig, die Statorwicklungen
nach einem bestimmten Schema aufzuteilen und durch gezielte Verschaltung wieder
miteinander zu verbinden. Die Enden der einzelnen Wicklungssegmente
werden dafür
aus dem Motor herausgeführt,
so dass sie einer Verschaltung miteinander zugänglich werden. Die gezielte
Verschaltung kann beispielsweise eine Dreieck- oder eine Stern-Schaltung sein, die
entweder über
einen manuellen, einen automatischen oder vorteilhafterweise einen
durch ein Elektronikgerät
gesteuerten Umschalter vollzogen wird, der zwischen verschiedenen
Schaltungsarten hin- und
herschalten kann. Damit bei leichten Frequenzschwankungen häufige Schaltvorgänge vermieden
werden, wird hierbei eine Schalthysterese vorgesehen.
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Nimmt
die Wechselspannung regelmäßig eine
Frequenz aus einem sehr großen
Frequenzbereich an, sind möglicherweise
mehr als zwei verschiedene Schaltungsarten und damit mehr Polumschaltmöglichkeiten
sinnvoll. Die Asynchronmaschine ist entsprechend des vorgegebenen
Frequenzbereiches auszulegen, wobei insbesondere die Frequenz im
Umschaltbetriebspunkt beachtet werden muss. Ferner ist darauf zu
achten, dass die Anzahl und Größe der Polzahlen
auch die Baugröße der Asynchronmaschine
beeinflusst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Asynchronmotors sind in
den Unteransprüchen
angegeben. Ebenso wird ein korrespondierendes Verfahren zum Betreiben
eines Asynchronmotors sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Asynchronmotors
in einem Flugzeug mit frequenzvariablem Stromversorgungsnetz vorgeschlagen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. In den Figuren werden
gleiche Objekte durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
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1:
ein exemplarisches Diagramm mit Motordrehzahl in Abhängigkeit
von der Speisefrequenz und von Betriebsgrenzen;
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2a:
eine Dreiecks-Schaltung;
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2b:
eine Doppelstern-Schaltung;
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2c:
ein exemplarisches Wicklungsschema und
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3:
eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben
eines Asynchronmotors.
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In 1 wird
exemplarisch ein Diagramm gezeigt, in dem ein für eine vorbestimmte Anwendung
notwendiger Betriebsbereich 2 eines Motors als nicht schraffierte
weiße
Fläche
gekennzeichnet ist. Bei der Anwendung handelt es sich exemplarisch
um eine Kühlmittelpumpe,
die zum Versorgen eines Kühlmittel
kreislaufs in einem modernen Passagierflugzeug dient.
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Auf
der Abszissenachse 4 ist der Parameter Speisefrequenz in
Hz aufgetragen, auf der Ordinatenachse 6 die Motordrehzahl
in Umdrehungen pro Minute (min–1). Die Motordrehzahl
muss für
die exemplarische Anwendung bei allen erreichten Speisefrequenzen
in dem Betriebsbereich 2 liegen, der durch eine Mindestdrehzahl 8 von
beispielhaft 8000 min–1 und eine Höchstdrehzahl 10 von
beispielhaft 16000 min–1 begrenzt wird. Die
Speisefrequenz liegt in diesem Beispiel derweil in einem Bereich
von ca. 360 Hz bis 800 Hz und ist abhängig von der jeweiligen Drehzahl
der durch die Flugzeugtriebwerke angetriebenen Generatoren. Exemplarisch
wird dieser Frequenzbereich von 360 Hz bis 800 Hz durch eine Mindestfrequenz 12 und
eine Maximalfrequenz 14 begrenzt.
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In 1 ist
ferner eine erste Betriebskurve 16 für einen Asynchronmotor darge
stellt, der an einer Stromversorgung mit vorangehend geschildertem
beispielhaften Speisefrequenzbereich betrieben wird. Die anfängliche
Polpaarzahl beträgt
hier p = 2. Bei der Minimalfrequenz 12 stellt sich eine
Motordrehzahl von etwa 11000 min–1 ein,
die bis zu einer Speisefrequenz von 533 Hz auf den in dieser Anwendung
zulässigen
Maximalwert 10 von 16000 min–1 linear
anwächst.
Tritt eine weitere Erhöhung
der Speisefrequenz ein, wird die Wicklung des Asynchronmotors durch
einen Umschalter auf andere Art verschaltet, so dass sich die Polpaarzahl
verdoppelt und nun p = 4 beträgt.
Dadurch sinkt die Drehzahl des Motors auf die Hälfte und beträgt bei der
exemplarischen Umschaltspeisefrequenz von 533 Hz 8000 min–1.
Die zweite Betriebskurve 18 stellt den so entstehenden Verlauf
der Motordrehzahl über
der Speisefrequenz bei der Polpaarzahl von p = 4 dar. Mit der verdoppelten
Polpaarzahl kann die Maximalfrequenz 14 von 800 Hz erreicht
werden, ohne dass die zulässige Drehzahlgrenze 10 überschritten
wird.
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Die
Polpaarzahl eines Asynchronmotors kann dann aktiv beeinflusst werden,
wenn die Statorwicklung des Asynchronmotors in mehrere Spulen unterteilt
ist, welche von außen
auf unterschiedliche Arten miteinander verbunden werden. In Frage
kommen beispielsweise alle bekannten Arten von Dreieck- und Stern-Schaltungen. Üblicherweise
werden dafür
die Enden der einzelnen Statorwicklungen getrennt aus dem Motor
heraus und beispielsweise in ein außen am Motor angeordnetes Klemmbrett
geführt,
wo sie anschließend
zum Erreichen einer bestimmten Schaltungsart miteinander verschaltet
werden. Zusätzlich
können
auch Anzapfleitungen zum Anzapfen der Wicklungen verwendet werden,
die ebenfalls aus dem Motor herausgeführt werden. Die Verschaltung
der einzelnen Enden oder Anzapfleitungen kann durch eine feste Verdrahtung
erfolgen, bei erfindungsgemäßem Asynchronmotor
ist jedoch ein nicht näher
dargestellter Umschalter besonders vorteilhaft. Durch einen Umschalter
kann die Verschaltung der Statorwicklungen zwischen verschiedenen
Schaltungsarten mit unterschiedlichen Polpaarzahlen rasch geändert werden.
Bei einer industriellen Anwendung geschieht dieses Umschalten automatisch,
indem die Umschaltfrequenz durch einen Drehzahlsensor oder die Auswertung
der Netzfrequenz detek tiert wird. In Verbindung mit einer in der Umschaltlogik
vorgesehenen Schalthysterese werden stabile Umschaltvorgänge erreicht.
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Die
konkrete Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Asynchronmotors zum Bereitstellen einer
notwendigen Leistung bei einem frequenzvariablen Versorgungsnetz
erfolgt durch Auslegung nach herkömmlichen Methoden. Häufig werden – gerade bei
stark beschränktem
Bauraum in Passagierflugzeugen – verschiedene
Randbedingungen wie etwa ein maximaler Statoraußendurchmesser oder eine maximale
Länge des
Motors vorgegeben. Das allgemeine Auslegeverfahren für einen
Wechselstrommotor besteht im Wesentlichen aus den Schritten
- • Bestimmen
der Hauptabmessungen des Motors,
- • Auslegen
der Statorwicklung,
- • Auslegen
der Rotorwicklung,
- • Auslegen
des Magnetkreises und
- • Verifikation
des Entwurfs.
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Bei
vielen Anwendungszwecken, insbesondere bei der geplanten Integration
des Asynchronmotors in die beengten Raumverhältnisse eines Passagierflugzeugs,
werden dessen maximale äußere Abmessungen
bereits vorgegeben. Beim Auslegen der Statorwicklungen wird in Abhängigkeit
von einer Bemessungsspannung, einer Bemessungsfrequenz und der bereitzustellenden
Leistung Parameter wie z. B. Windungszahl, Nutzahl und Zahnbreite
ermittelt. Bei der analytischen Auslegung des Magnetkreises wird
insbesondere die Nutgeometrie bestimmt. Auf ausführliche Berechnungsschemata
wird an dieser Stelle jedoch verzichtet und auf grundlegende Fachliteratur
verwiesen.
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Die
Anwendung des herkömmlichen
Auslegungsschemas muss abgewandelt werden, um gezielt zu einem an
einem frequenzvariablen Versorgungsnetz verwendbaren polumschaltbaren
Wechselstrommotor zu führen.
Im Beispielfall einer elektrischen Maschine, die zwischen einer
Polpaarzahl von p = 2 auf eine Polpaarzahl von p = 4 umschaltbar
ist, siehe 1, muss die Auslegung der Statorwicklungen
für jede
Polpaarzahl getrennt durchgeführt
werden, um die daraus ermittelten Parameter abzustimmen. Ein für das Betriebsverhalten
des polumschaltbaren Asynchronmotors bedeutender Parameter ist das
Verhältnis
der Induktion bei beiden Polpaarzahlen Bp₂Bp₁ ,das
von der gewählten
Schaltungsweise der Windungen abhängt.
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Für den Fall,
dass ein erfindungsgemäßer Asynchronmotor
beispielsweise bei 400 Hz und Polpaarzahl p1 =
2 die gleiche Drehzahl, die gleiche mechanische Leistung und demnach
auch das gleiche Drehmoment wie bei 800 Hz und Polpaarzahl p2 = 4 bereitstellen soll, muss das Verhältnis der
Induktionen möglichst
gleich 1 sein. Andere Induktionsverhältnisse sind möglich, beeinflussen
aber die mechanisch abgegebene Leistung der Maschine für die gewählte Polpaarzahl.
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2a zeigt
beispielhaft eine Dreieck-Schaltung 20, mit der die Spulengruppen
der Statorwicklung so verschaltet werden, dass im Stator eine Polpaarzahl
von p = 2 vorliegt. Getrennte Wicklungsteile des Stators werden
im folgenden auch „Spulen" genannt. Beispielhaft
werden die Spulengruppen durch Anschlüsse repräsentierende Ziffern von S1
bis S12 gekennzeichnet, die sich in den nachfolgenden 2b und 2c wiederholen.
Dies können
die Enden von einzelnen Windungen, aber auch von Anzapfleitungen
sein.
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Bei
der Dreieck-Schaltung 20 sind jeweils zwei Spulen 22 zu
insgesamt drei Spulengruppen 24 in Serie geschaltet, deren äußere Anschlusspunkte miteinander
und mit den einzelnen Phasen des Versorgungsnetzes verbunden sind.
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Die
in 2b gezeigte Doppel-Stern-Schaltung 26 erzeugt
eine Polpaarzahl von p = 4 im Stator und wird durch parallel geschaltete
Spulengruppen 28 aufgebaut, deren erste Anschlusspunkte
wie gezeigt mit einem Sternpunkt 30 zu einem Stern verbunden
und deren zweite Anschlusspunkte an die einzelnen Phasen angeschlossen
sind.
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Ein
beispielhaftes Wicklungsschema, das zu einem experimentellen erfindungsgemäßen Asynchronmotor
gehört,
wird in 2c dargestellt. Die einzelnen
Anschlusspunkte S1 bis S12 der einzelnen Spulen 32 sind
gekennzeichnet, um die Darstellung in den 2a und 2b zu
verdeutlichen. Aufgrund der Forderung nach einem möglichst
kompakten Asynchronmotor wurde die Nutzahl möglichst gering gewählt, so
dass die Anzahl der Nuten 30 des Stators 24 beträgt, unter
Berücksichtigung
von drei Anschlusssträngen
und einer maximalen Polpaarzahl von p = 4 bzw. einer maximalen Polzahl
von 8.
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3 stellt
schließlich
schematisch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Asynchronmotors
dar. Beim Betrieb 36 des erfindungsgemäßen Asynchronmotors an einer
variablen Frequenz wird bei Unterschreiten 38 der minimalen Drehzahl
die Polzahl verringert 40, so dass die Drehzahl des Asynchronmotors
sinkt. Bevorzugt erfolgt die Umschaltung zur Verringerung der Drehzahl
zu einer Dreieck-Schaltung 42. Nach Umschaltung wird der
Betrieb 36 des Asynchronmotors kontinuierlich fortgesetzt.
Bei Überschreiten 44 der
maximalen Drehzahl wird die Polzahl des Asynchronmotors erhöht 46,
um die Drehzahl zu erhöhen.
Bevorzugt erfolgt die Umschaltung zum Erhöhen der Drehzahl zu einer Doppel-Stern-Schaltung 48.
Anschließend
wird der Betrieb 36 des Asynchronmotors mit neuer Polzahl
fortgesetzt.
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Die
Umschaltung erfolgt bevorzugt automatisch mit mechanischen oder
elektronischen Hilfsmitteln und frequenzabhängig, ein manuelles Umschalten
kann jedoch auch in besonderen Situationen vorteilhaft sein. Beim
automatischen Umschalten ist eine Steuerung durch eine Recheneinheit
bzw. ein Elektronikgerät
denkbar, das darauf abgestimmt ist, die Drehzahl des erfindungsgemäßen Asynchronmotors
auf den zugelassenen Bereich durch automatisches Verschalten der
Statorwicklungen zu begrenzen.
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Der
in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Asynchronmotor zum Betrieb
an Wechselspannungen variabler Frequenz mit mindestens zwei verschiedenen
Polzahlen ist besonders vorteilhaft, um im Wesentlichen drehzahlunabhängige Anwendungen
mit mechanischer Leistung versorgen zu können und einen beschränkten Drehzahlbereich
unabhängig
von der Frequenz der Stromversorgung nicht zu verlassen. Durch das
erfindungsgemäße Merkmal
der frequenzabhängigen
Polumschaltung kann auf einen Frequenzumrichter verzichtet werden,
so dass Gewicht eingespart, Bauraum verringert und die Effizienz
und Zuverlässigkeit
des Gesamtantriebs erhöht
wird.
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Die
Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert, die
jedoch nicht als Einschränkung
der Erfindung zu verstehen sind. Insbesondere ist eine Beschränkung auf
Dreieck- und Doppel-Stern-Schaltung nicht zwingend, sondern alle
Schaltungsarten können
bei der technischen Realisierung des erfindungsgemäßen Asynchronmotors und
des erfindungsgemäßen Verfahrens
berücksichtigt
werden.