DE102007020706A1 - Pole-changing asynchronous machine for variable supply frequency - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Asynchronmotor, der an Wechselspannungen mit variabler Frequenz anschließbar und bei diesen Wechselspannungen mit mindestens zwei unterschiedlichen Polzahlen betreibbar ist, mit einem Stator mit einer aus mehreren Spulengruppen bestehenden Statorwicklung oder mehreren Statorwicklungen und einem Rotor, wobei Anzapfleitungen und/oder die Enden der Statorwicklungen getrennt aus dem Motor heraus zu einem Umschalter geführt sind, der ein Beschränken der Drehzahl des Asynchronmotors auf einen vorbestimmten Bereich durch Polumschaltung ermöglicht. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Asynchronmotors an Wechselspannungen variabler Frequenz.The The invention relates to an asynchronous motor, the AC voltages connectable with variable frequency and at these alternating voltages with at least two different ones Polzahl is operable, with a stator with one of several Coil groups existing stator winding or multiple stator windings and a rotor, wherein tap lines and / or the ends of the stator windings are led out of the engine out to a changeover switch, the one restricting the speed of the induction motor to a predetermined range by pole change enabled. Furthermore, the invention relates to a method of operation such an asynchronous motor to AC voltages of variable frequency.

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen Asynchronmotor, der an Wechselspannungen mit variabler Frequenz anschließbar und betreibbar ist.The The invention relates to an asynchronous motor, the AC voltages connectable with variable frequency and is operable.

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.such Asynchronous motors are already well known. At frequency variables Power supply networks, such as those in modern passenger aircraft often Asynchronous machines are generally used on frequency converters connected, which provide a voltage with predetermined frequencies. According to the control of the frequency converter thereby Speeds and torques of asynchronous machines in a wide Area influenced, bringing the greatest possible flexibility in the given application. A standard electric drive consists in such a case accordingly of a frequency converter with a corresponding control logic and power semiconductor devices and the electric machine itself.

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.For some Applications requiring an electric drive, however, are not very demanding put at the speed of the machine, so this size too does not have to be adjustable in a wide range. The exact one Speed of the electric machine is insignificant for operation, for example, as long as it is only in an approved speed range. When Example is the drive of a pump: If by the electric drive a sufficient pressure in the pipe system is generated, is the speed of the drive not of interest.

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.Becomes for one such application still a converter controlled drive used, so there are some significant disadvantages over one Drive without frequency converter. Firstly, additional weight and additional weight Space through the frequency converter on. Find such electrical Machines in a modern passenger aircraft application, are this particularly serious disadvantages. Furthermore, by the possibility of failure the frequency converter or the power semiconductor contained therein the failure probability of the overall arrangement of electrical Machine and frequency converter increased. By the operation of the frequency converter In addition, the power grid is reinforced by electromagnetic Interference effects endangered. Finally will due to the lossy operation of the frequency converter, the effectiveness of the overall system reduced and generated by the electrical power loss heat input elevated.

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.The The object of the invention is therefore to reduce or eliminate one or more of the disadvantages mentioned. In particular, task is of the invention, a rugged and reliable AC drive low weight for operation on a variable frequency power supply to propose for largely speed-independent applications with a limited Speed range is suitable.

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.The Task is solved by that an asynchronous motor at AC voltages with at least two different numbers of poles at variable frequency is operable. This asynchronous machine has a stator in addition to a rotor a stator winding consisting of several coil groups or a plurality of stator windings, wherein tap lines and / or the Ends of the coil groups separated from the motor to a switch guided are the operation of the asynchronous motor at different Frequency ranges of the power supply by Polumschaltung allows.

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.at variable frequency of an AC voltage (hereinafter also called "feed frequency") would be a conventional Asynchronous motor without frequency converter proportional to the frequency speed taking. By Polumschaltung and thus achieved increase or Reducing the number of pole pairs of the stator windings can reduce the speed or increased be, because the speed of an asynchronous motor also depends inversely proportional to the number of pole pairs.

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.Becomes for one essentially speed-independent Application a permissible Speed range for given an asynchronous motor, this must by a targeted Polumschaltung the engine are respected. This results the lower limit of the speed range due to the minimum system requirements (eg minimum pressure with a pump drive, minimum air mass flow with a fan). The upper limit of the speed range is predetermined by the mechanical load capacity of the electrical machine. Would be for example, at a set relatively low number of pole pairs and at the same time a relatively high frequency of the supply network out of the allowed Range passing speed of the asynchronous motor is a targeted increase the number of poles needed to reduce the speed of the asynchronous motor, so that these are back in the allowed Area is located. Conversely, if the number of poles is too high and too low Frequency of the supply network the speed of the asynchronous motor fall below the required speed range, so that a targeted reduction of the number of poles to increase the speed is needed.

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.For specific pole switching, it is necessary to divide the stator windings according to a specific scheme and by selective interconnection to connect again. For this purpose, the ends of the individual winding segments are led out of the motor so that they become accessible to interconnection. The targeted interconnection may be, for example, a triangle or a star circuit, which is performed either via a manual, an automatic or advantageously a controlled by an electronic device switch, which can switch back and forth between different types of circuits. In order to avoid frequent switching operations with slight frequency fluctuations, a switching hysteresis is provided in this case.

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.takes the AC voltage regularly one Frequency from a very large Frequency range may be more than two different types of circuit and thus more Polumschaltmöglichkeiten meaningful. The asynchronous machine is according to the given Frequency range interpret, in particular, the frequency in Switchover operating point must be observed. Furthermore, it is to Pay attention to the number and size of the poles also the size of the asynchronous machine affected.

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.advantageous Further developments of the asynchronous motor according to the invention are in the dependent claims specified. Likewise, a corresponding method for operating an asynchronous motor and the use of an asynchronous motor according to the invention proposed in an aircraft with frequency-variable power grid.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. In den Figuren werden gleiche Objekte durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:The Invention will be explained in more detail with reference to FIGS. In the figures will be same objects are identified by the same reference numerals. Show it:

1: ein exemplarisches Diagramm mit Motordrehzahl in Abhängigkeit von der Speisefrequenz und von Betriebsgrenzen; 1 : an exemplary graph of engine speed versus feed frequency and operating limits;

2a: eine Dreiecks-Schaltung; 2a : a triangle circuit;

2b: eine Doppelstern-Schaltung; 2 B a double star circuit;

2c: ein exemplarisches Wicklungsschema und 2c : an exemplary winding scheme and

3: eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Asynchronmotors. 3 : A schematic view of the method according to the invention for operating an asynchronous motor.

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.In 1 By way of example, a diagram is shown in which an operating range necessary for a predetermined application 2 an engine is marked as a non-hatched white area. The application is exemplified by a coolant pump, which serves to supply a coolant circuit in a modern passenger aircraft.

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.On the abscissa axis 4 the parameter feed frequency is plotted in Hz, on the ordinate axis 6 the engine speed in revolutions per minute (min -1 ). The engine speed must, for the exemplary application, be at all operating frequencies in the operating range 2 lie by a minimum speed 8th by way of example 8000 min -1 and a maximum speed 10 is limited by example 16000 min -1 . Meanwhile, in this example, the feed frequency is in a range of approximately 360 Hz to 800 Hz and is dependent on the respective speed of the generators driven by the aircraft engines. This frequency range from 360 Hz to 800 Hz is exemplified by a minimum frequency 12 and a maximum frequency 14 limited.

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.In 1 is also a first operating curve 16 for an asynchronous Darge provides, which is operated on a power supply with the above-described exemplary supply frequency range. The initial pole pair number here is p = 2. At the minimum frequency 12 an engine speed of about 11000 min -1 sets in, up to a supply frequency of 533 Hz to the maximum value permitted in this application 10 increases linearly from 16000 min -1 . If a further increase in the supply frequency occurs, the winding of the asynchronous motor is connected in a different way by a changeover switch, so that the number of pole pairs is doubled and now p = 4. As a result, the speed of the motor drops to half and is at the exemplary switching supply frequency of 533 Hz 8000 min -1 . The second operating curve 18 represents the resulting curve of the motor speed over the supply frequency at the pole pair number of p = 4. With the doubled number of pole pairs, the maximum frequency 14 of 800 Hz can be achieved without the permissible speed limit 10 is exceeded.

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.The number of pole pairs of an asynchronous motor can be actively influenced if the stator winding of the asynchronous motor is divided into several coils, which are connected to each other from the outside in different ways. For example, all known types of triangular and star circuits are possible. Usually, the ends of the individual stator windings are separated out of the motor and out, for example, into a terminal board arranged on the outside of the motor, where they are then connected to one another to achieve a specific type of circuit. In addition, tap lines for tapping the windings can be used, which are also led out of the engine. The interconnection of the individual ends or Anzapflei tions can be done by a fixed wiring, in the inventive asynchronous motor, however, a non-illustrated switch is particularly advantageous. By a switch, the interconnection of the stator windings between different types of circuits with different pole pair numbers can be changed quickly. In an industrial application, this switching is done automatically by the switching frequency is detected by a speed sensor or the evaluation of the mains frequency. Stable switching operations are achieved in conjunction with a switching hysteresis provided in the switching logic.

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.
The specific embodiment of an asynchronous motor according to the invention for providing a necessary power in a frequency-variable supply network is carried out by design according to conventional methods. Often - especially with very limited space in passenger aircraft - various boundary conditions such as a maximum stator outside diameter or a maximum length of the engine specified. The general layout method for an AC motor basically consists of the steps
  • Determining the main dimensions of the engine,
  • • laying out the stator winding,
  • • laying out the rotor winding,
  • • laying out the magnetic circuit and
  • • Verification of the design.

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.at many applications, especially in the planned integration of the asynchronous motor in the confined space of a passenger plane, will be the maximum outer dimensions already given. When laying the stator windings is dependent from a rated voltage, a rated frequency and the to be provided Performance parameters such. B. number of turns, number of slots and tooth width determined. In the analytical design of the magnetic circuit is in particular determines the groove geometry. On detailed calculation schemes is omitted here and on basic literature directed.

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.The application of the conventional design scheme has to be modified in order to selectively lead to a pole-changing AC motor which can be used on a frequency-variable supply network. In the example of an electric machine, which can be switched between a number of pole pairs of p = 2 to a pole pair number of p = 4, see 1 , the design of the stator windings must be carried out separately for each pole pair number in order to tune the parameters determined therefrom. An important parameter for the operating behavior of the pole-changing asynchronous motor is the ratio of the induction in both pole pair numbers Bp₂ Bp₁ . which depends on the chosen way of switching the turns.

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.In the event that an asynchronous motor according to the invention, for example, at 400 Hz and pole pair p 1 = 2, the same speed, the same mechanical power and therefore also provide the same torque as 800 Hz and pole pair p 2 = 4, the ratio of inductions be equal to 1 if possible. Other induction ratios are possible, but affect the mechanical output power of the machine for the selected number of pole pairs.

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. 2a shows an example of a delta circuit 20 with which the coil groups of the stator winding are connected in such a way that there is a number of pole pairs of p = 2 in the stator. Separate winding parts of the stator are also referred to below as "coils." By way of example, the coil groups are identified by terminals representing numbers from S1 to S12, which are described in the following 2 B and 2c to repeat. These can be the ends of individual turns, but also of tapping lines.

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.In the triangle circuit 20 are each two coils 22 to a total of three coil groups 24 connected in series whose external connection points are connected to each other and to the individual phases of the supply network.

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.In the 2 B shown double star circuit 26 generates a pole pair number of p = 4 in the stator and is generated by parallel-connected coil groups 28 constructed, their first connection points as shown with a star point 30 connected to a star and whose second connection points are connected to the individual phases.

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.An exemplary winding scheme, which belongs to an experimental asynchronous motor according to the invention, is disclosed in US Pat 2c shown. The individual connection points S1 to S12 of the individual coils 32 are marked to the representation in the 2a and 2 B to clarify. Due to the demand for a compact asynchronous motor as possible, the number of slots was chosen as low as possible, so that the number of grooves 30 of the stator 24 is, taking into account three terminal strands and a maximum number of pole pairs of p = 4 or a maximum number of poles of 8th ,

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. 3 Finally, schematically illustrates a method for operating an asynchronous motor according to the invention. During operation 36 the asynchronous motor according to the invention at a variable frequency is below 38 the minimum Speed reduces the number of poles 40 , so that the speed of the asynchronous motor decreases. Preferably, the switching takes place to reduce the speed to a delta circuit 42 , After switching is the operation 36 of the asynchronous motor continuously. When crossing 44 the maximum speed increases the number of poles of the asynchronous motor 46 to increase the speed. Preferably, the switching to increase the speed to a double-star circuit 48 , Subsequently, the operation 36 the asynchronous motor continued with new number of poles.

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.The Switching preferably takes place automatically with mechanical or electronic aids and frequency dependent, a manual switching However, it can also be advantageous in special situations. At the Automatic switching is a control by a computing unit or an electronic device conceivable that is tuned to the speed of the induction motor according to the invention to the allowed area by automatic switching of the Limit stator windings.

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.Of the in the present application described asynchronous motor for operation at alternating voltages of variable frequency with at least two different ones Poling numbers is particularly advantageous to essentially speed independent applications to provide mechanical power and a limited speed range independently not to leave the frequency of the power supply. By the inventive feature the frequency-dependent Polumschaltung can be dispensed with a frequency converter, thus saving weight, reducing installation space and increasing efficiency and reliability of the total drive increases becomes.

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.The Invention is based on embodiments explained in more detail, the but not as a limitation the invention are to be understood. In particular, a limitation is on Triangular and double star circuit not mandatory, but all Circuit types can in the technical realization of the asynchronous motor according to the invention and the method according to the invention considered become.

Claims (18)

Asynchronmotor, der an Wechselspannungen mit variabler Frequenz anschließbar und bei diesen Wechselspannungen mit mindestens zwei unterschiedlichen Polzahlen betreibbar ist, mit einem Stator mit einer aus mehreren Spulengruppen bestehenden Statorwicklung oder mehreren Statorwicklungen und einem Rotor, wobei Anzapfleitungen und/oder die Enden der Spulengruppen getrennt aus dem Motor heraus zu einem Umschalter geführt sind, der ein Beschränken der Drehzahl des Asynchronmotors bei unterschiedlichen Frequenzen der Stromversorgung auf einen vorbestimmten Bereich durch Polumschaltung ermöglicht.Asynchronous motor, which is connected to AC voltages variable frequency connectable and at these alternating voltages with at least two different ones Polzahl is operable, with a stator with one of several Coil groups existing stator winding or more stator windings and a rotor, wherein tap lines and / or the ends of the coil groups are led out of the engine out to a changeover switch, the one restricting the speed of the asynchronous motor at different frequencies the power supply to a predetermined range by Polumschaltung allows. Asynchronmotor nach Anspruch 1, bei dem der Umschalter zum Umschalten der Statorwicklungen wahlweise zum Erreichen genau zwei, drei, vier, fünf oder mehr verschiedener Polpaarzahlen eingerichtet ist.Asynchronous motor according to claim 1, wherein the switch to switch the stator windings selectively to achieve exactly two three four five or more different pole pair numbers is set up. Asynchronmotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Umschalter zum Umschalten zwischen einer Dreieck-Schaltung (20) und einer Doppel-Stern-Schaltung (26) mit dem Polpaarverhältnis 1:2 eingerichtet ist.Asynchronous motor according to at least one of the preceding claims, wherein the changeover switch for switching between a delta circuit ( 20 ) and a double-star circuit ( 26 ) is set up with the pole pair ratio 1: 2. Asynchronmotor nach Anspruch 3, bei dem der Umschalter in der Dreieck-Schaltung (20) für jeden Anschlussstrang jeweils zwei Spulengruppen (22) in Reihe (24) schaltet und paarweise mit den Anschlusssträngen verbindet und in Doppel-Stern-Schaltung (26) jeweils zwei Spulengruppen (22) parallel schaltet (28), die parallelgeschalteten Spulengruppen mit jeweils einem Ende an einen Sternpunkt (30) anschließt und das jeweils andere Ende mit einem Anschlussstrang verbindet.Asynchronous motor according to claim 3, wherein the switch in the delta circuit ( 20 ) for each connection string in each case two coil groups ( 22 ) in row ( 24 ) and connects in pairs to the connection strings and in double star connection ( 26 ) two groups of coils ( 22 ) switches in parallel ( 28 ), the coil groups connected in parallel, each having one end to a star point ( 30 ) connects and connects the other end with a connection string. Asynchronmotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Umschalter beim durch ansteigende Frequenz der Stromversorgung hervorgerufenen Erreichen oder Überschreiten einer gegebenen maximalen Drehzahl (10) die Polzahl durch Umschalten erhöht.Asynchronous motor according to at least one of the preceding claims, wherein the change-over switch when reached or exceeded by a rising frequency of the power supply reaching a given maximum speed ( 10 ) increases the number of poles by switching. Asynchronmotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Umschalter beim durch sinkende Frequenz der Stromversorgung hervorgerufenen Erreichen oder Unterschreiten einer gegebenen minimalen Drehzahl (8) die Polzahl durch Umschalten verringert.Asynchronous motor according to at least one of the preceding claims, in which the change-over switch, when the reaching or decreasing of a given minimum speed ( 8th ) reduces the number of poles by switching. Asynchronmotor nach mindestens einem der Ansprüche 5 und 6, der zum Begrenzen der Drehzahl auf einen Drehzahlbereich, der von der minimalen Drehzahl (8) bis zu der maximalen Drehzahl (10) reicht, ein Elektronikgerät aufweist, das automatisch das Verringern oder Erhöhen der Polzahl steuert.Asynchronous motor according to at least one of claims 5 and 6, for limiting the rotational speed to a speed range, which of the minimum speed ( 8th ) up to the maximum speed ( 10 ), an electronic device that automatically controls to decrease or increase the number of poles. Asynchronmotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Elektronikgerät eine Schalthysterese ausführt, die ein häufiges Umschalten um die eingestellte Umschaltfrequenz vermeidet.Asynchronous motor according to at least one of the preceding Claims, where the electronic device executes a switching hysteresis, the one frequent switching avoids the set switching frequency. Asynchronmotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das bereitgestellte Drehmoment des Asynchronmotors bei allen Polzahlen im Wesentlichen gleich ist.Asynchronous motor according to at least one of the preceding Claims, in which the provided torque of the asynchronous motor at all pole numbers is essentially the same. Verfahren zum Betrieb eines Asynchronmotors an einer Wechselspannung mit variabler Frequenz, wobei der Asynchronmotor einen Stator mit einer Statorwicklung mit mehreren Spulengruppen oder einen Stator mit mehreren Statorwicklungen und einen Rotor aufweist, Anzapfleitungen und/oder die Enden der Spulengruppen getrennt aus dem Motor heraus zu einem Umschalter geführt sind, und der Asynchronmotor bei unterschiedlichen Frequenzen der Stromversorgung zum Beschränken der Drehzahl auf einen vorbestimmten Bereich zwischen mindestens zwei verschiedenen Polzahlen umgeschaltet wird.Method for operating an asynchronous motor on a Alternating voltage with variable frequency, wherein the asynchronous motor a stator with a stator winding with multiple coil groups or a stator with multiple stator windings and a rotor having, Tap lines and / or the ends of the coil groups are led out of the engine out to a changeover switch, and the asynchronous motor at different frequencies of Power supply for limiting the speed to a predetermined range between at least two different numbers of poles is switched. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Umschalter die Statorwicklungen wahlweise zum Erreichen zwei, drei, vier, fünf oder mehr verschiedener Polpaarzahlen umschaltet.The method of claim 10, wherein the switch the stator windings optionally to reach two, three, four, five or switches more different pole pairs. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 10–11, bei dem der Umschalter wahlweise zwischen einer Dreieck-Schaltung (20) und einer Doppel-Stern-Schaltung (26) mit dem Polpaarverhältnis 1:2 umschaltet.Method according to at least one of the preceding claims 10-11, in which the change-over switch is optionally connected between a delta circuit ( 20 ) and a double-star circuit ( 26 ) switches with the pole pair ratio 1: 2. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 10–12, bei dem der Umschalter in der Dreieck-Schaltung (20) für jeden Anschlussstrang jeweils zwei Spulengruppen (22) in Reihe (24) schaltet und paarweise mit den Anschlusssträngen verbindet und in Doppel-Stern-Schaltung (26) jeweils zwei Spulengruppen (22) parallel schaltet (28), die parallelgeschalteten Spulengruppen mit jeweils einem Ende an einen Sternpunkt (30) anschließt, und das jeweils andere Ende mit einem Anschlussstrang verbindet.Method according to at least one of the preceding claims 10-12, wherein the switch in the delta connection ( 20 ) for each connection string in each case two coil groups ( 22 ) in row ( 24 ) and connects in pairs to the connection strings and in double star connection ( 26 ) two groups of coils ( 22 ) switches in parallel ( 28 ), the coil groups connected in parallel, each having one end to a star point ( 30 ) connects, and the other end connects to a connection string. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 10–13, bei dem der Umschalter beim durch ansteigende Frequenz der Stromversorgung hervorgerufenen Erreichen oder Überschreiten einer gegebenen maximalen Drehzahl (10) die Polzahl durch Umschalten erhöht.Method according to at least one of the preceding claims 10-13, in which the changeover switch is at the reaching or exceeding of a given maximum speed caused by the increasing frequency of the power supply ( 10 ) increases the number of poles by switching. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 10–14, bei dem der Umschalter beim durch sinkende Frequenz der Stromversorgung hervorgerufenen Erreichen oder Unterschreiten einer gegebenen minimalen Drehzahl (8) die Polzahl durch Umschalten verringert.Method according to at least one of the preceding claims 10-14, in which the changeover switch is at the reaching or falling below a given minimum speed (15) caused by the decreasing frequency of the power supply. 8th ) reduces the number of poles by switching. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 14 und 15, bei dem zum Begrenzen der Drehzahl auf einen Drehzahlbereich, der von der minimalen Drehzahl (8) bis zu der maximalen Drehzahl (10) reicht, ein Elektronikgerät das automatisch das Verringern oder Erhöhen der Polzahl steuert.Method according to at least one of the preceding claims 14 and 15, in which, for limiting the rotational speed, to a rotational speed range which differs from the minimum rotational speed ( 8th ) up to the maximum speed ( 10 ), an electronic device that automatically controls decreasing or increasing the number of poles. Asynchronmotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch das Elektronikgerät eine Schalthysterese ausgeführt wird, die ein häufiges Umschalten um die eingestellte Umschaltfrequenz vermeidet.Asynchronous motor according to at least one of the preceding Claims, in which by the electronic device a switching hysteresis is performed, the one frequent Switchover by the set switching frequency avoids. Verwendung eines Asynchronmotors nach den Ansprüchen 1 bis 9 an einem Stromversorgungsnetz mit variabler Frequenz.Use of an asynchronous motor according to claims 1 to 9 on a power supply network with variable frequency.
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