DE721557C - Self-starting synchronous motor - Google Patents

Description

Selbstanlaufender Synchronmotor Selbstanlaufende Einphasensyrichronmotoren in Form zwei- oder vierpoliger Schnellläufer sind grundsätzlich bekannt. Fürgrößere Leistungen als den Antrieb von Uhren o. dgl. hat man vierpolige Motoren verwendet, bei denen mittels Kondensatoren ein phasenverschobenes Feld erzeugt wurde. Dabei wurde ein üblicher Käfigläufer verwendet, der vier Aussparungen am Umfang enthielt, so daß vier ausgesprochene Pole entstanden. Diese bekannten Motoren waren jedoch verhältnismäßig umfangreich und eigneten sich .daher nicht für den Antrieb kleiner Apparate. Außerdem hatten sie im Synchronismus ein sehr geringes Drehmoment, weil ihre Käfigwicklung dabei wirkungslos ist, der Motor vielmehr nur noch infolge der Eisenwirkung der Polvorsprünge als Reaktionsmotor läuft. Wenn größere Drehmomente z. B. für den Antrieb von Kinobildwerfern benötigt wurden, hat man daher Drehstrommotaren den Vorzug gegeben. Im Beispielsfall kam die Schwierigkeit hinzu, daß die Antriebswelle aus filmtechnischen Gründen die Umlaufzahl 144o haben muß und daß man, um diese Drehzahl von der synchronen Umlaufzähl I5oo abzuleiten, ein- Untersetzungsgetriebe verwenden mußte.Self-starting synchronous motor Self-starting single-phase syrichron motors in the form of two- or four-pole high-speed runners are known in principle. For bigger ones Four-pole motors were used to drive clocks or the like, in which a phase-shifted field was generated by means of capacitors. Included a conventional squirrel cage was used, which contained four recesses on the circumference, so that four distinct poles arose. However, these well-known engines were relatively extensive and therefore not suitable for the drive smaller Apparatus. In addition, they had a very low torque in synchronism because their cage winding is ineffective, the motor rather only as a result of the Iron effect of the pole protrusions as a reaction motor is running. When larger torques z. B. were needed to drive cinema projectors, so you have three-phase motorcycles given preference. In the example there was the additional problem that the drive shaft For reasons of film technology, the number must be 144o and that in order to use it Derive speed from the synchronous circulation counter I5oo, a reduction gear had to use.

Bekannt sind auch selbsfanlaufende Einph.as:ensynchronmotoren mit sechspoligem Käfigläufer, deren Ständer vier Haupt- und Hilfspole aufweisen, die in ungleichen Winkelabständen angeordnet sind und zwei Drehfelder verschiedener Geschwindigkeit erzeugen, deren auf den Läufer einwirkende resultierende Drehzahl etwas höher ist als .die synchrone Drehzahl, die dem kleineren Winkelabstand der Hauptpole und der Läuferteilung entspricht. Dabei sind auch Läufer bekanntgeworden, bei denen zur Sicherung des Selbstanlaufs je zwei aufeinanderfolgende Pole stets eine verschiedene Anzahl von Kurzschlußstäben enthalten. Derartige Motoren haben zwar ein starkes Drehmoment im Anlauf und im Synchronismus, aber kurz vor dem Synchronismus zeigt die Charakteristik einen Tiefpunkt, der- die Stabilität der Arbeitsdrehzahl gefährdet. Überdies müßten auch diese Motoren mit einem Untersetzungsgetriebe versehen werden, wenn sie eine Arbeitsdrehzahl liefern sollten, die keinem Faktor der Wechselstromfrequenz entspricht.Self-starting single-phase synchronous motors are also known six-pole squirrel cage whose stator has four main and auxiliary poles, the are arranged at unequal angular distances and two rotating fields are different Generate speed, the resulting speed acting on the rotor is slightly higher than the synchronous speed, which corresponds to the smaller angular distance of the Main poles and the armature division is equivalent to. There are also runners become known, in which two consecutive to ensure the self-start Poles always contain a different number of short-circuit rods. Such engines have a strong torque at start-up and in synchronism, but shortly before the synchronism shows the characteristic a low point, the stability the working speed at risk. In addition, these motors would also have to have a reduction gear provided if they should deliver a working speed that is not a factor corresponds to the alternating current frequency.

Demnach bestand die Aufgabe darin, einen Einphasensynchronmotor zu schaffen, der im Anlauf und auch kurz unterhalb des Synchronismus ein starkes Drehmoment aufweist und darüber hinaus unmittelbar beliebige Arbeitsdrehzahlen liefert. Die Aufgabe wird durch die Vereinigung zweier Läufer, eines synchronen und eines asynchronen, gelöst, die über ein Getriebe kraftschlüssig miteinander gekuppelt und im einzelnen in besonderer, weiter unten beschriebener Weise ausgebildet sind. Zwei miteinander gekuppelte Läufer innerhalb eines Motors zu benutzen, ist an sich von Uhrenantrieben her bekannt. Dort wurde jedoch zusämmen mit einem permanentmagnetischen, innerhalb eines vielpoligen Ständers arbeitenden Synchronläufers ein als Asynchronteil mit einem sechspoligen Ständer zusammenarbeitender Ferrarisläufer verwendet. Dieser hatte nur die Aufgabe, den nicht selbstanlaufenden Synchronläufer anzuwerfen und in Synchronismus zu bringen. Bei der Arbeitsdrehzahl selbst war er ohne Wirkung. Demgegenüber besteht die Erfindung darin: Beide Läufer haben einen gemeinsamen Ständer, der die gleiche Polzahl hat wie der Synchronläufer und für beide Läufer in gleicher Weise ausgeführt ist. Beide Läufer entwickeln beim Anlauf ein Drehmoment, und ihr Getriebe ist derart übersetzt, daß der asynchrone Läufer während :des synchronen Laufes des Synchronläufers im Gebiet seines höchsten Drehmoments arbeitet. Hierdurch wird ein Einphasensynchronmotor erzielt, der bei zwei oder vier Polen :ein sehr hohes Drehmoment besitzt und daher sehr klein gebaut werden kann und dessen Wirkungsgrad den von den bekannten Drehstrommotoren für solche Zwecke wesentlich übertrifft, da :diese nur als Reaktionsmotoren laufen.Accordingly, the task was to create a single-phase synchronous motor create a strong torque during start-up and also just below synchronism and moreover directly supplies any working speeds. the The task is achieved through the union of two runners, one synchronous and one asynchronous, solved, which are positively coupled to each other via a transmission and in detail are designed in a special manner described below. Two together Using coupled rotors within a motor is inherently of clock drives known. There it was, however, together with a permanent magnetic, within a multi-pole stator working synchronous rotor as an asynchronous part a six-pole stator used Ferrari rotors working together. This only had the task of starting the synchronous rotor, which did not start automatically, and bring them into synchronicity. At the working speed itself it had no effect. In contrast, the invention consists in: Both rotors have a common stator, which has the same number of poles as the synchronous rotor and the same for both rotors Way is executed. Both runners develop a torque when starting, and you Gear is translated in such a way that the asynchronous rotor during: the synchronous Running of the synchronous runner works in the area of its highest torque. Through this a single-phase synchronous motor is obtained that with two or four poles: a very has high torque and can therefore be built very small and its efficiency significantly surpasses that of the known three-phase motors for such purposes, because: these only run as reaction motors.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig. i eine Drehmoment-Charakteristik in Abhängigkeit von der Drehzahl, Fig. 2 die Läuferanordnung mit .dem Kuppelgetriebe, Fit-'- 3 einen Schnitt durch den synchronen Läufer, Fig. q. einen Schnitt durch den asynchronen Läufer, Fig.5 einen Schnitt durch einen Ständer mit vier Erregerspulen, Fig.6 einen Schnitt durch einen anderen Ständer mit zwei Erregerspulen.An embodiment of the invention is shown schematically in the drawing shown. They show: FIG. I a torque characteristic as a function of the speed, Fig. 2 the rotor arrangement with .dem coupling gear, Fit -'- 3 a Section through the synchronous rotor, Fig. Q. a cut through the asynchronous Runner, FIG. 5 a section through a stator with four excitation coils, FIG. 6 a Section through another stand with two excitation coils.

In der Fig. 2 ist schematisch ein Motor dargestellt, dessen gemeinsamem Ständer i zwei Läufer zugeordnet sind, und zwar ein üblicher runder asynchroner Käfigläufer2 und ein synchroner Läufer 3. Der Widerstand der Käfigwicklung des Läufers 2 (Fig. 4.j ist so gewählt, daß der Läufer ein hohes Anlaufmoment entwickelt, dagegen im Betrieb einen erheblichen Schlupf aufweist (Fig. i, Kurve 1). Die Ausführungsmöglichkeiten solcher Läufer sind bekannt. Der Synchronläufer 3 besitzt ausgeprägte Pole 12, und zwar dem vierpoligen Ständer .entsprechend vier Pole. Auch er ist mit einem Käfig versehen. Wie aus Fit-'- 3 ersichtlich und an sich bekannt, sind die vier Pole 12 und die Stäbe 13 der Käfigwicklung gleichmäßig am Umfang verteilt, jedoch ist die Anzahl der Stäbe, z. B. 14, .durch die Polzahl nicht teilbar, damit trotz gleichmäßiger Gewichtsverteilung im Läufer eine ungleichmäßige elektromagnetische Wirkung seiner aufeinanderfolgenden Pole und damit der Selbstanlauf erzielt wird. Immerhin ist das Anlaufmoment des Synchronläufers geringer als das des Asynchronläufers. Bei Erreichen der synchronen Drehzahl wird das synchrone Drehmoment nur durch die Reaktionswirkung des Eisens der Polvorsprünge hervorgerufen, der Käfig bleibt dagegen wirkungslos. Beide Läufer 2 und 3 sind auf der gleichen Welle .1 angeordnet; aber einer von ihnen sitzt auf dieser fest, während der andere auf einer gleichmittigen Hülse 5 verkeilt ist und sich daher gegenüber der Welle .1 drehen kann, so @daß beide Läufer mit verschiedener Geschwindigkeit umlaufen können. Die Welle q. läuft in den in Fig. z angedeuteten Lagerschalen 6 und trägt ein festes Zahnrad;. Auf der Hülse 5 sitzt ein Zahnrad S. Auf einer zweiten Welle 9, die zweckmäßig ebenfalls in dem Gehäuse :des Motors gelagert ist, sitzen zwei feste Zahnräder io und i i, die mit den Zahnrädern 7 und 8 in Eingriff stehen. Das über- oder Untersetzungsverhältnis des so gebildeten Kuppelgetriebes ergibt sich aus folgendem: Im Käfig eines asynchronen einphasigen Läufers wie des Läufers 2 wird bekanntlich ein Drehmoment entwickelt, das je nach den Anlaufhilfsmitteln eine veränderliche Charakteristik hat, die vom Anlauf ansteigt, einen Höhepunkt erreicht und dann bis auf Null abfällt. Die Fig. i zeigt schematisch zwei solche Charakteristiken des Drehmoments D in Abhängigkeit von der Drehzahl n. Man sieht aus der Kurve I, daß das Drehmoment bei etwa 1450 Umdrehungen gerade noch ausreicht, um die Leerlaufreibung. des Läufers zu überwinden. Wird er belastet, dann fällt seine Drehzahl ab. Ein solcher Läufer dürfte zwischen 1300 und I4oo Umdrehungen am wirtschaftlichsten arbeiten. Demgegenüber arbeitet der Läufer 3 bei I5oo Umdrehungen synchron. Er läuft also bei dieser Drehzahl völlig außerhalb des Wirkungsgebietes des Asynchronläufers. Demnach ist das Übersetzungsverhältnis des Kuppelgetriebes 7, 8, Io, 11 so zu wählen, daß der Läufer :2 im Gebiet seines höchsten Drehmoments arbeitet, wenn der Läufer 3 die synchrone Drehzahl hat. Dabei muß für den asynchronen Läufer durch entsprechende Bemessung eine Drehzahl vorgesehen sein, die eine Anpassung der Drehzahl der Arbeitswelle des Motors an den Verwendungszweck ermöglicht. Als Arbeitswelle kann je nach Erfordernis die Läuferwelle 4 oder die Nebenwelle 9 benutzt werden.In Fig. 2, a motor is shown schematically, the common stator i are assigned to two rotors, namely a conventional round asynchronous squirrel cage rotor 2 and a synchronous rotor 3. The resistance of the cage winding of the rotor 2 (Fig. 4.j is chosen so that that the rotor develops a high starting torque, but exhibits considerable slip during operation (FIG. 1, curve 1). The possible designs of such rotors are known. The synchronous rotor 3 has pronounced poles 12, namely the four-pole stator As can be seen from Fit -'- 3 and is known per se, the four poles 12 and the bars 13 of the cage winding are evenly distributed around the circumference, but the number of bars, for example 14,. not divisible by the number of poles, so that, despite even weight distribution in the rotor, an uneven electromagnetic effect of its successive poles and thus self-start is achieved The starting torque of the synchronous rotor is lower than that of the asynchronous rotor. When the synchronous speed is reached, the synchronous torque is only caused by the reaction effect of the iron of the pole protrusions, the cage, on the other hand, remains ineffective. Both rotors 2 and 3 are arranged on the same shaft .1; but one of them is stuck on this, while the other is wedged on an equidistant sleeve 5 and can therefore rotate relative to the shaft .1, so that both runners can rotate at different speeds. The wave q. runs in the bearing shells 6 indicated in FIG. z and carries a fixed gear. A gear S is seated on the sleeve 5. On a second shaft 9, which is also expediently mounted in the housing of the motor, there are two fixed gears io and ii, which mesh with the gears 7 and 8. The step-up or step-down ratio of the coupling gear formed in this way results from the following: In the cage of an asynchronous single-phase rotor such as rotor 2, a torque is known to be developed which, depending on the start-up tools, has a variable characteristic that increases from start-up, reaches a peak and then drops to zero. FIG. I shows schematically two such characteristics of the torque D as a function of the speed n. It can be seen from curve I that the torque at approximately 1450 revolutions is just sufficient to reduce the idling friction. of the runner to overcome. If it is loaded, then its speed drops. Such a rotor should work most economically between 1300 and 1400 revolutions. In contrast, rotor 3 works synchronously at 150 revolutions. So at this speed it runs completely outside the effective area of the asynchronous rotor. Accordingly, the transmission ratio of the coupling gear 7, 8, Io, 11 is to be selected so that the rotor: 2 works in the region of its highest torque when the rotor 3 has the synchronous speed. In this case, a speed must be provided for the asynchronous rotor by appropriate dimensioning that enables the speed of the working shaft of the motor to be adapted to the intended use. The rotor shaft 4 or the auxiliary shaft 9 can be used as the working shaft, depending on requirements.

Im Ausgangsbeispiel eines Kinobildwerfers muß der Motor eine Arbeitsdrehzahl von 144o Umdrehungen liefern. Für diesen Fall ist der asynchrone Läufer so auszurüsten, daß seine praktisch erreichbare Höchstdrehzahl etwa bei 1480 Umdrehungen liegen dürfte. Ein solcher Läufer kann bei 144o Umdrehungen schon ein praktisch brauchbares Drehmoment erzeugen. Der Asynchronläufer ist dann, wie an Hand der Fig. 2 beschrieben, auf der Welle 4 zu verkeilen, während der Synchronläufer auf der Hülse 5 festsitzt. Der asynchrone Läufer muß für diesen Fall einen geringen inneren Widerstand haben; damit er bei dieser Umdrehungszahl noch ein asynchrones Drehmoment entwickelt. (Fig. 1, Kurve II). Man kann aber auch die Nebenwelle 9 als Arbeitswelle verwenden und zur Läuferwelle 4 im Verhältnis von 24 : 25 untersetzen. Dann muß der synchrone Läufer auf der Achse 4 festsitzen, der asynchrone Läufer aber sitzt auf der Hülse 5 und kann eine beliebige Umlaufzahl haben. Soll dagegen die Arbeitsdrehzahl beispielsweise gleich. der synchronen Drehzahl 1500 sein, dann ist .der synchrone Läufer auf der Welle 4 und der asynchrone auf der Hülse 5 zu verkeilen, die Läuferwelle 4 ist dann Arbeitswelle. Der synchrone Läufer 3 läuft dann bei 5operiodigem Wechselstrom mit I5oo Umdrehungen, während der asynchrone Läufer 2 je nach seinem Käfigwiderstand im Drehzahlbereich mit dem günstigsten Drehmoment, bei einem kleinen Motor z. B. mit etwa 135o bzw. I2oo Umdrehungen, läuft.In the initial example of a cinema projector, the motor must have a working speed of 144o revolutions. In this case, the asynchronous runner must be equipped in such a way that that its practically achievable maximum speed is around 1480 revolutions should. Such a runner can be practically useful at 144o revolutions Generate torque. The asynchronous rotor is then, as described with reference to FIG. 2, to be wedged on the shaft 4, while the synchronous rotor is stuck on the sleeve 5. In this case, the asynchronous rotor must have a low internal resistance; so that it still develops an asynchronous torque at this speed. (Fig. 1, curve II). But you can also use the auxiliary shaft 9 as a working shaft and Reduce to rotor shaft 4 in a ratio of 24:25. Then the synchronous The rotor is stuck on axis 4, but the asynchronous rotor is sitting on the sleeve 5 and can have any number in circulation. On the other hand, should the working speed, for example same. the synchronous speed be 1500, then the synchronous rotor is on the To wedge shaft 4 and the asynchronous on sleeve 5, the rotor shaft 4 is then Working shaft. The synchronous rotor 3 then runs with 5-period alternating current I5oo revolutions, while the asynchronous rotor 2 depending on its cage resistance in the speed range with the most favorable torque, for a small engine z. B. runs at about 135o or I2oo revolutions.

Wie ersichtlich, ist es, mit dem Motor nach der Erfindung möglich, je nach Wahl der Arbeitswelle verschiedene Umlaufgeschwindigkeiten zu erzeugen und dabei den synchronen Läufer stets im Synchronismus, den asynchronen Läufer .dagegen stets au der Stelle seines größten Wirkungsgrades arbeiten zu lassen. Selbstverständlich muß zur Erreichung des höchsten Wirkungsgrades der synchrone Läufer ein hohes negatives Drehmoment entwickeln, damit er durch den asynchronen Läufer, der auch bei Leerlauf ein hohes Drehmoment besitzt, nicht über die synchrone Drehzahl hinaus gedreht werden kann. Dieses negative Drehmoment kann der Läufer nur dann entwickeln, wenn die Pole des Ständers so aufgeteilt sind, daß Haupt-und Hilfspole gleich breit sind, sich gegenseitig berühren und den Läufer voll umschließen. Ein solcher Ständer muß :dann allerdings, da das Eisen der Pole am inneren Umfang vollkommen geschlossen ist, aus Stücken zusammengefügt werden, damit man die Wicklung von außen aufbringen kann. In den Fig. 5 und 6 sind zwei Ausführungsbeispiele von derartigen vierpoligen Ständern dar= gestellt.As can be seen, it is possible with the engine according to the invention, depending on the choice of the working shaft to generate different rotational speeds and the synchronous runner always in synchronism, the asynchronous runner, on the other hand to always let work at the point of its greatest efficiency. Of course In order to achieve the highest degree of efficiency, the synchronous rotor must have a high negative Develop torque so that it passes through the asynchronous rotor, which also runs at idle has a high torque, cannot be rotated beyond the synchronous speed can. The rotor can only develop this negative torque when the pole of the stand are divided so that the main and auxiliary poles are equally wide touch each other and fully enclose the runner. Such a stand must: then however, since the iron of the poles is completely closed on the inner circumference, be put together from pieces so that the winding can be applied from the outside. 5 and 6 are two exemplary embodiments of such four-pole stator represents = presented.

Der Ständer nach Fig. 5 ist aus gleichen Vierteilen 15 zusammengefügt. Jeder Vierteil besitzt einen Hauptpöl 16, einen Hilfspol 17 mit einer Kurzschlußwicklung 18 und, trägt eine Erregerwicklung 19. Die Form der aus gestanzten Blechen zusammengefügten Ständerstücke ermöglicht .das Aufbringen verhältnismäßig starker Wicklungen auf die einzelnen Polstücke. Der Ständer nach Fig.6 besteht aus zwei Teilen 2o, in .deren Schenkel Eisenstücke 21 eingelegt sind. Die Schenkel tragen die beiden Erregerwicklungen 22. Die Polstücke sind in gleichbreite Haupt- und Hilfspole unterteilt. Die Kurzschlußwicklungen der Hilfspole werden durch Kupferlaschen 23 und Kupferstifte 24 gebildet. In bekannter Weise sind die einander berührenden ungleichnamigen Pole zweclcs Regelung des magnetischen Flusses zwischen ihnen durch Stifte 25 aus mehr oder minder magnetischem Stoff getrennt.The stand according to FIG. 5 is assembled from equal quarters 15. Each quarter has a main pole 16, an auxiliary pole 17 with a short-circuit winding 18 and, carries an excitation winding 19. The shape of the assembled from stamped sheets Stator pieces enables. The application of relatively strong windings the individual pole pieces. The stand according to Fig.6 consists of two parts 2o, in .deren Leg iron pieces 21 are inserted. The legs carry the two excitation windings 22. The pole pieces are divided into main and auxiliary poles of equal width. The short-circuit windings of the auxiliary poles are formed by copper tabs 23 and copper pins 24. In well-known Wise, the mutually contacting unlike poles are used for the purpose of regulating the magnetic Flux separated between them by pins 25 made of more or less magnetic material.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE: 1. Selbstanlaufender Synchronmotor mit je einem selbständigen, mit verschiedener Geschwindigkeit umlaufenden asynchronen und synchronen Läufer, die miteinander durch ein Getriebe kraftschlüssig gekuppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Ständer, der für den synchronen und asynchronen Teil die gleiche Polzahl und gleiche Ausführung besitzt, ein asynchroner Käfigläufer und ein selbstanlaufender synchroner Käfi;gläufer angeordnet sind, :der synchrone Käfigläufer die gleiche Polzahl wie der Ständer besitzt und das Übersetzungsverhältnis des Kuppelgetriebes derart gewählt ist, daß der asynchrone Läufer währenddes synchronen Laufes des Synchronläufers im Gebiet seines höchsten Drehmoments arbeitet. PATENT CLAIMS: 1. Self-starting synchronous motor each with an independent asynchronous and synchronous rotor rotating at different speeds, which are non-positively coupled to one another by a gear, characterized in that the same number of poles and the same design in a stator for the synchronous and asynchronous part possesses, an asynchronous squirrel cage rotor and a self-starting synchronous cage rotor are arranged: the synchronous squirrel cage rotor has the same number of poles as the stator and the gear ratio of the coupling gear is selected so that the asynchronous rotor works during the synchronous running of the synchronous rotor in the area of its highest torque . 2. Selbstanlaufender Synchronmotor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabzahl der gleichmäßig auf den Läuferumfang verteilten Käfigwicklung des synchronen Läufers durch die Polzahl nicht teilbar ist.2. Self-starting synchronous motor according to claim i, characterized characterized in that the number of rods is evenly distributed over the circumference of the runner The cage winding of the synchronous rotor is not divisible by the number of poles.