Titel: | Der Einphasen-Wechselstrommotor. |
Autor: | A. Linker |
Fundstelle: | Band 322, Jahrgang 1907, S. 673 |
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Der Einphasen-Wechselstrommotor.
Bauart, Wirkungsweise und Eigenschaften der bisher
angegebenen Konstruktionen.
Von Dipl.-Ing. A. Linker.
(Fortsetzung von S. 659 d. Bd.)
Der Einphasen-Wechselstrommotor.
II. Abschnitt.
Asynchronmotoren oder Induktionsmotoren.
Diese Motoren besitzen allgemein einen feststehenden Eisenring (Stator) mit einer
Wicklung, die vom Wechselstrom durchflössen wird, und eine darin rotierende
Wicklung, die entweder als Phasen- oder Käfiganker ausgebildet ist und das für das
Drehmoment erforderliche Feld erzeugen soll. Während nun der Synchronmotor zur
Erregung des Magnetfeldes einen gleichgerichteten Strom braucht, wird bei dieser
Gruppe von Motoren der zur Erzeugung des Feldes notwendige Strom im Rotor vom Stator
oder primären Teil aus durch Induktion hervorgerufen. Der Induktionsmotor wirkt
daher wie ein Transformator mit beweglicher Sekundärwicklung. Da er ferner zur
Erzeugung einer E. M. K. im Rotor mit einer kleineren als der synchronen
Geschwindigkeit laufen muß, so bezeichnet man ihn auch deswegen als
Asynchronmotor.
Er läuft aus der Ruhelage ohne besondere Hilfsmittel nicht an, da hierbei kein
Drehmoment entwickelt wird. Erteilt man dem Rotor jedoch in beliebiger Richtung eine
kleine Anfangsgeschwindigkeit, so erzeugen die infolge der Rotation im Statorfelde
in der Rotorwicklung induzierten Ströme ein Querfeld, das mit dem Statorfeld
zusammen ein Drehfeld hervorruft, wodurch bei genügender Stärke desselben der Motor
unbelastet auf seine normale Tourenzahl kommt, die nur wenig vom Synchronismus
abweicht. Dann kann er belastet werden und ändert zwischen Leerlauf und Vollast
seine Geschwindigkeit nur um etwa 5 bis 8 v. H. Die Geschwindigkeitskurve entspricht
also derjenigen eines Gleichstrom - Nebenschlußmotors. (Motor mit konstantem
Feld.)
Die normale Leistung dieser Klasse von Motoren beträgt ungefähr 70 v. H. im Vergleich
zu einem ebenso groß dimensionierten Drehstrommotor. Durch geeignete
Hilfsvorrichtungen kann man auch den Asynchronmotor zum Anlauf bringen. Er
entwickelt aber auch dann nur ein geringes Anzugsmoment, das selbst bei
Schleifringankern und Anlaßwiderständen etwa 50–100 v. H. des normalen beträgt bei
einer Stromaufnahme von ¾ – 5/4 des Normalstromes. Außerdem ist der
Leistungsfaktor beim Anlauf infolge der starken Phasenverschiebung klein. Der Motor
eignet sich daher wenig für Hebezeuge, da diese ein großes Anlaufsmoment und hohe
Ueberlastungsfähigkeit erfordern, und ebensowenig für Bahnbetrieb. Man hat jedoch
verschiedene Konstruktionen ausgebildet, um dem Motor seine ungünstigen
Eigenschaften zu nehmen.
Ein asynchroner Motor, allerdings auf einem anderen Prinzip als die normalen
Ausführungen beruhend, ist zuerst von F. Borel und E. Paccaud (9, 11) angegeben worden. Die KonstruktionE. T. Z., Aug. 1889, S. 416. ist
etwa folgende: Innerhalb der Pole eines hufeisenförmigen Elektromagnets M (Fig. 12) ist frei
drehbar eine Eisenscheibe E angeordnet. Umgeben wird
sie von einem feststehenden mit der Magnetwicklung hintereinander geschalteten
Solenoid 5. Bei Gleichstrom tritt keine Rotation auf. Ist dagegen der Strom
wechselnd oder intermittierend, so entsteht infolge der in dem Hufeisenmagnet
induzierten Wirbelströme und der dadurch bedingten magnetischen Verzögerung seines
Feldes ein sogenanntes Hysteresisdrehmoment. Der Motor hat jedoch keine praktische
Bedeutung erlangt, jedenfalls weil die Leistung zu gering ist.
Textabbildung Bd. 322, S. 673
Fig. 12.
Da ein gewöhnlicher Einphasen-Induktionsmotor aus der Ruhelage nicht von selbst
anläuft, weil die Achsen des Ankerfeldes und des Magnetkraftflusses zusammenfallen,
so zerlegen L. B. Atkinson und W. Goolden (15) die Ankerwicklung in zwei
gleichgewickelte Hälften und schalten die Spulen des einen Teils mit denjenigen des
anderen Teils in Reihe, welche um eine halbe Polteilung gegen die Spulen des ersten
Systems verschoben sind. Die Wicklungen der beiden Magnetsysteme werden in Reihe
geschaltet und vom Hauptstrome gespeist. Auf diese Weise sollen die Spulen der einen
Ankerhälfte transformatorisch wirkend in der anderen einen Strom erzeugen, der mit
dem Feld eines Magnetsystems zusammen ein Drehmoment hervorruft und deswegen
motorisch wirkt. Die Anordnung ist jedoch nur ein zweiteiliger Motor und besitzt
keine Vorteile.
Textabbildung Bd. 322, S. 673
Fig. 13.
Auf andere Weise erhält W. Mordey (16) bei einem
Asynchronmotor ein Anlaufsmoment, indem er nach Fig.
13
auf dem Eisenring
des Feldsystems F Spulen (II) anbringt, welche durch die Schleifringe s
von der Ankerspule b einen Strom erhalten, der durch
Transformation von Seiten der Primärspulen I des
Hauptfeldes hervorgerufen wird. Das hierbei von den Spulen II erzeugte Feld steht senkrecht zum Ankerfeld und ergibt mit diesem
Ankerstern zusammen ein Drehmoment, wodurch der Anker zum Anlauf kommt. Nun kann die
in sich geschlossene Wicklung a wie bei einem normalen
Induktionsmotor mitarbeiten. Durch Einfügen eines induktiven Widerstandes L sollte außerdem die zeitliche Verschiebung des
Stromes verändert werden.
Eine andere Anordnung ist von E. Thomson und M. Wightmann (21) angegeben,
bei welcher der mit dem Wechselstrom durch Schleifringe gespeiste Anker A die Gestalt eines S besitzt und in dem mit einer
massiven Kupferschicht C versehenen Eisenring D rotiert
(Fig. 14). Das Wechselfeld ruft in den massiven
Teilen des Armaturkörpers Wirbelströme hervor, deren Feld mit dem Hauptfefd zusammen
ein FlächenfeldF. Braun, E. T. Z., 31. März 1898, S.
204. erzeugt. Dieses entspricht in seiner Wirkung einem rotierenden
Feld, induziert daher in dem Kupferzylinder C Ströme,
durch die ein Drehmoment erzeugt wird, welches den Anker in Umdrehung versetzt.
Dieser Motor hat jedenfalls infolge der starken Erwärmung, großen Verluste und wegen
des niedrigen Leistungsfaktors keine praktische Verwendung erlangt.
Textabbildung Bd. 322, S. 674
Fig. 14.
Textabbildung Bd. 322, S. 674
Fig. 15.
Zur Erzeugung eines Flächenfeldes sind später von E.
Thomson (58) noch andere Anordnungen angegeben,
auf die jedoch nicht näher eingegangen werden soll.
Thomson hat ferner (28, 34) einen anderen MotorC. f. E., 20. September 1889, Bd. 12, S. 154.
E. T. Z., 28. März 1890, S. 191. konstruiert, der als
gewöhnlicher Induktionsmotor mit Kurzschlußanker arbeitet. Der primäre oder
induzierende Teil ist entweder als Ringwicklung ausgeführt oder besitzt ausgeprägte
Pole.
Der sekundäre, meistens rotierende Teil hat Trommel-Ring- oder Polwicklung.
Bemerkenswert ist dabei, daß der Rotor oder induzierte Teil A (Fig. 15) zum AnlassenE. T. Z., 19. Dezember 1890, S.
677. mit einem Kommutator K verbunden
ist, der soviel Segmente besitzt, wie der Motor Pole enthält. Zum Ingangsetzen des
Motors wird eine der beiden kurzgeschlossenen Bürsten B1 aus der diametralen Stellung durch
einen Schwungkugelregulator verschoben. Dadurch wird erreicht, daß die Spulen nicht
direkt vor den Polen, sondern erst, wenn sie um einen gewissen Winkel gegen diese
verschoben sind, kurzgeschlossen werden, wobei ein Antrieb durch Repulsionswirkung
entstehtAus diesem Grunde
könnte dieser Motor auch zu der Klasse V gerechnet werden..
Unbelastet gerät der Motor auf diese Weise in Rotation und erreicht allmählich eine
nahezu synchrone Tourenzahl. In diesem Moment können die mit den
Kommutatorzuführungen verbundenen Schleifringe s durch
eine besondere Vorrichtung selbsttätig kurzgeschlossen und eventl. die
Kommutatorbürsten B abgehoben werden, so daß der Motor
normal nur unter dem Einfluß der Induktionswirkung arbeitet. Jedoch hat diese
Anordnung wegen der unvorteilhaften konstruktiven Ausbildung keine praktische
Bedeutung erlangt.
Von den bisher geschilderten Prinzipien abweichend ist der in Fig. 16 angegebene MotorE. T. Z., Oktober 1889, S. 473 und 15. Februar
1894, S. 99. von N. Tesla (30, 31) gebaut Er gehört zu
den ersten Typen, bei welchen künstlich ein rotierendes Feld durch Anwendung zweier
oder mehrerer räumlich und zeitlich gegeneinander verschobener Wechselfelder erzeugt
wird, wie es schon Ferraris„Rotationi elletrodynamiche“. Atti dell
Acad. di Torino, März 1888, Bd. 23, S. 360 und L'Elletricità, 22. März
1888. unabhängig von Tesla zur
Erzeugung der sogen. Kunstphase praktisch verwendet hatte.
Textabbildung Bd. 322, S. 674
Fig. 16.
Der Motor besaß vier feststehende, ausgeprägte Pole A B,
die durch ein ringförmiges Joch geschlossen waren, und einen rotierenden Anker C mit zwei in sich geschlossenen Spulen. Wird der
Schalter S auf die Kontakte 1 gelegt, so liegt in dem Zweige A1A2 der induktionsfreie Widerstand R, in B1B2 der induktive Widerstand W. Dadurch wird in den Spulen A die
Phasenverschiebung φ1 des aufgenommenen Stromes J1 gegenüber der
Klemmenspannung Ek
kleiner, als sie ohne den Widerstand R sein würde,
entsprechend der Gleichung
\mbox{tg}\,\varphi=\frac{L\cdot \omega}{R},
während der Strom J2 infolge der Vergrößerung des Faktors L durch die Reaktanz des Widerstandes W eine größere Phasenverschiebung erleidet. Zwischen
den Strömen J1 und J2 tritt also eine
zeitliche Phasenverchiebung φ2 – φ1 auf, so daß sie bei der räumlichen Verschiebung
der Spulen A gegen B eine
dem Zweiphasenstrom ähnliche Wirkung haben, indem sie ein Drehfeld erzeugen,
allerdings kein kreisförmiges, sondern ein elliptisches. Nachdem der Motor mit Hilfe
dieser Kunstphase zum Anlauf gebracht ist, wird der Schalter S auf die Kontakte 2 gelegt. Dadurch wird die Phasenverschiebung der
beiden Felder φ2
– φ1 = 0 und die vier
Pole rufen jetzt ein zweipoliges Wechselfeld hervor, welches infolge der Rotation
des Kurzschlußankers in ihm einen Strom erzeugt, dessen Feld die zur Entstehung
eines Drehfeldes notwendige zweite Komponente liefert.
So schön dieser Gedanke auch theoretisch war, so ist es für Tesla doch schwierig gewesen, ihn in eine praktisch brauchbare Form
umzusetzen. Da infolge der Anordnung von körperlichen Polen ein gleichmäßiges
Drehfeld ohne lokale Wechselfelder sich nicht ausbilden konnte und dazu eine große
Streuung besonders bei der hohen Periodenzahl der amerikanischen Zentralen auftrat,
so hatte der Motor einen niedrigen Leistungsfaktor und dadurch bedingte geringe
Ueberlastungsfähigkeit. Weil nun auch das Anlaufsmoment klein und die dazu
erforderliche Stromaufnahme groß waren, hat der Motor in dieser Form keine praktische Bedeutung
erlangt. Erst im Jahre 1892 hat die Maschinenfabrik
Oerlikon den ersten brauchbaren Einphasenmotor mit Kunstphase gebaut, indem
sie den primären Teil ohne körperliche Pole als Eisenring mit einer bei Generatoren
üblichen Spulenwicklung ausführte (s. später Fig.
30).
Bei einer anderen Konstruktion von Tesla (33) werden die beiden Komponenten der Drehfelder von
einer Doppelspule D (Fig.
17) erzeugt, welche eine schräge Stellung zu einem aus Blechen bestehenden
senkrecht angeordneten System A einnimmt. Innerhalb der
Spule liegt der drehbare als Flachring ausgeführte Kurzschlußanker B. Wird die Spule D mit
Wechselstrom gespeist, so entsteht im Anker B senkrecht
zur Spule D ein Feld, welches mit dem durch die
senkrechten Eisenplatten verlaufenden Kraftfluß infolge der verschiedenen Phase ein
rotierendes Feld ergibt und dadurch auf den Anker B ein
Drehmoment ausübt. Auch dieser Motor hat sich nicht eingebürgert, da er ähnliche
Nachteile besaß, wie der vorher angegebene.
Textabbildung Bd. 322, S. 675
Fig. 17.
Textabbildung Bd. 322, S. 675
Fig. 18.
Zur Erzeugung eines Anlaufsmoments ordnet J. van Depoele
(35, 73) in der Polachse
eine feste mit der Hauptwicklung I hintereinander
geschaltete Hilfsspule H (Fig. 18) an, welche ein zum Hauptfeld N-S
senkrechtes hervorruft. Der Anker A besteht aus einer
gewöhnlichen RingwicklungC. f. E., 20.
September 1889, Bd. 12, S. 154. E. T. Z., 28. März 1890, S. 192.
mit zwei diametralen Verbindungen a b und c d, wodurch er als Kurzschlußanker wirkt. Da die
Felder beider Spulen wegen des parallel zur Wicklung I
geschalteten Widerstandes W in der Phase verschoben
sind, entsteht ein wenn auch nur geringes Drehmoment, so daß der Motor wenigstens
unbelastet anläuft. Zur Regulierung der Phasenverschiebung sind veränderliche
induktive Widerstände W in eine oder beide Phasen
aufgenommen.
In einer späteren Patentschrift (74) sind noch
verschiedene Schaltungen angegeben, bei welchen die Spule H durch eine über den Hauptmagnetspulen liegende Sekundärwicklung erregt
wird.
Textabbildung Bd. 322, S. 675
Fig. 19.
Da diese Konstruktionen jedenfalls infolge der geringen zeitlichen Verschiebung der
Felder ein zu geringes Anlaufsmoment ergaben, wurde der Anker A (Fig. 19) nach Art
eines Grammeringes mit einem Kommutator versehen. Dadurch war es möglich, in die
über beide senkrecht zur Achse des von der Wicklung F
erzeugten Hauptfeldes befindlichen Bürsten gelegte Kurzschlußverbindung einen
regulierbaren induktionsfreien Widerstand aufzunehmen und auf diese Weise ein
stärkeres Drehmoment beim Anlauf zu erhalten. Diese Einrichtung wird jedoch mit
starker Funkenbildung verbunden gewesen sein, denn Depoele änderte sie in der nach Fig. 19
angegebenen Weise ab, indem er nur die Hälfte der Spulen mit den Kommutatorlamellen
verband und die anderen dazwischen liegenden (k) in
sich kurzschloß. In dieser Form ist allerdings der Motor nicht mehr als asynchroner
aufzufassen, da hierbei die Armatur A und das
Feldsystem hintereinander geschaltet sind, und die Spule H parallel zum Anker liegt. Die kurzgeschlossenen Spulen k sollten dämpfend auf die Entstehung starker
Kurzschlußströme einwirken und dadurch beim Anlauf das Feuern vermindern. Bei
höherer Umdrehungszahl erzeugen sie jedoch wie in einem Kurzschlußanker ein
Drehmoment und übernehmen damit einen Teil der motorischen Wirkung. Dieser Motor
bildet daher gewissermaßen schon eine Uebergangsstufe zu den im Abschnitt V
behandelten Formen.
Um ein rotierendes Feld ohne Benutzung einer durch Widerstände hervorgerufenen
Kunstphase zu erhalten, ordnet J. van Depoele (41), wie Fig. 20 für
einen vierpoligen Motor zeigt, innerhalb des Hauptfeldsystems I eine zweite um ½ Polteilung dagegen verschobene
Magnetwicklung II an und speist sie durch
Induktionsströme, die einer über der Primärwicklung a
liegenden Sekundärwicklung b entnommen werden.
Innerhalb der beiden Magnetsysteme befindet sich die aus einzelnen
Kurzschlußwindungen bestehende Armatur A. Da die Felder
I und II gegeneinander
zeitlich in der Phase und außerdem räumlich verschoben sind, so erzeugen sie
zusammen ein Drehfeld, durch welches die Armatur A in
Rotation versetzt wird.
Textabbildung Bd. 322, S. 675
Fig. 20.
Textabbildung Bd. 322, S. 675
Fig. 21.
Textabbildung Bd. 322, S. 675
Fig. 22.
N. Tesla (45, 46, 49) erreicht auf andere
WeiseE. T. Z., 7. Februar
1890, S. 85 und 27. November 1891, S. 653. die zum Entstehen
eines Drehfeldes notwendige Phasenverschiebung der beiden Einzelfelder des primären
Teils, indem er nach Fig. 21 den um eine halbe
Polteilung gegeneinander versetzten Feldwicklungen I
und II verschiedene Induktanz gibt. Zu dem Zwecke
wickelt er die Spulen I für höhere Selbstinduktion mit
vielen Windungen dicken Kupferdrahtes, wodurch der Ohmsche Widerstand klein gehalten wird. Außerdem sind die Spulen möglichst
nahe von Eisen umschlossen, damit die magnetische Leitfähigkeit bezw. die Streuung
groß wird. Die anderen Spulen (II) bestehen aus wenig
Windungen eines Drahtes von großem spezifischem Widerstände (Eisen oder Neusilber)
und sind außerdem auf ganz kurze Polansätze gewickelt, damit sie bei der geringen
Windungszahl einen nahezu gleich großen magnetischen Kraftfluß wie die Pole I
erzeugen. Der Anker
A ist mit Kurzschlußwicklung versehen.
Außerdem sind von Tesla noch andere (47, 50) ähnlich ausgeführte
Konstruktionen angegeben worden.
Im Prinzip übereinstimmend mit Fig. 14 ist ferner von
N. Tesla (54) ein
MotorE. T. Z., 21.
November 1890, S. 619. konstruiert, bei welchem nach Fig. 22 durch die in den Polansätzen P induzierten Wirbelströme ein gegen das Hauptfeld in
der Phase verschobenes erzeugt wird, so daß unter Einwirkung des dadurch
entstehenden Flächenfeldes eine Rotation des Ankers eintritt. Die Wirkung ist jedoch
nicht sehr stark, so daß diese Konstruktion, außer bei der Verwendung für
Meßinstrumente, keine praktische Bedeutung erlangt hat. Durch die in Fig. 23 dargestellte Anordnung der Ankerspulen,
glaubte P. Nipkow (56), ein
starkes Anlaufsmoment und synchronen Gang zu erzielen. Da der Anker jedoch nur
einachsig gewickelt ist, so arbeitet der Motor wie ein asynchroner Motor mit
Kurzschlußanker.
Textabbildung Bd. 322, S. 676
Fig. 23.
Textabbildung Bd. 322, S. 676
Fig. 24.
Im weiteren Ausbau seiner Ideen hat Tesla auch unter
Zuhilfenahme der Schutzwirkung eines in sich geschlossenen magnetischen Kreises
Motoren mit KunstphaseE. T. Z., 21.
November 1890, S. 619. gebaut (62, 63).
Infolge der Verwendung von körperlichen Polen ist jedoch diesen Motoren keine
praktische Bedeutung beizumessen aus dem nämlichen Grunde, wie er schon bei den
früheren Motoren Teslas (s. S. 675) erörtert worden
ist.
Erwähnt sei noch eine Konstruktion von N. Tesla (64,
65), bei welcher die Magnetpole P mit Ansätzen a, b versehen sind, wie Fig.
24 zeigt. Diese rufen durch ihre Schirmwirkung eine magnetische
Verzögerung des Kraftflusses hervor und, da infolge des größeren Querschnitts von
a eine Unsymmetrie des Feldes auftritt, entsteht
ein rotierendes Feld analog wie in Fig. 22, wodurch
der Kurzschlußanker A in Rotation versetzt wird.
Auf einem anderen Prinzip beruht die Wirkungsweise des von C.
S. Bradley (67) angegebenen Motors (Fig. 25). Sein Feld besteht aus einer Anzahl von
Polen, denen ungleichnamige gegenüberstehen, so daß zwischen ihnen ein schmaler Raum
frei bleibt. In diesem Zwischenraum befindet sich frei drehbar die auf der Achse
befestigte Kupferscheibe A mit ringsektorförmigen
Ausschnitten. Leitet man durch die Schleifringe S und
den zweiteiligen Stromwender K den Spulen mit Hilfe der
feststehenden Bürsten B Wechselstrom zu, so wird sich
in einem bestimmten Augenblick die eingezeichnete Polarität vorfinden. Durch den
Kraftfluß werden nun EMK' e in der Scheibe A induziert, welche die radial verlaufenden Ströme J in den Stücken a, b
hervorrufen. Durch die Wechselwirkung zwischen dem Feld und den Strömen tritt
eine Drehung der Scheibe ein, bis die Streifen a, b
sich vor einem Polkern befinden. Dabei werden die unter a,
b liegenden Pole stromlos und wechseln dann bei weiterer Drehung der
Scheibe ihre Polarität. Durch die Rotation der Scheibe A verschiebt sich demnach das wechselnde Feld sprungweise, so daß eine
kontinuierliche Bewegung in der angegebenen Richtung entsteht. Die Leistung des
Motors kann jedoch keine große sein, ebenso werden Wirkungsgrad und Leistungsfaktor
klein ausfallen.
Textabbildung Bd. 322, S. 676
Fig. 25.
Zur Erzielung eines guten Anlaufsmoments ordnet W. Stanley
jr. (68) ein zum Hauptfeld senkrechtes an,
welches zwar vom Hauptstrom erregt wird, jedoch nicht in derselben Ebene wie das
Hauptfeld liegt. Jedes Feld wirkt daher unabhängig voneinander induzierend auf den
aus einzelnen achsialen Stäben mit seitlichen Kurzschlußringen bestehenden
Käfiganker. Durch das Zusammenwirken der von dem einen System hervorgerufenen Ströme
mit dem anderen Feld sollte ein Drehmoment entstehen, was jedoch nicht der Fall
ist.
Aehnlich gebaut ist der Motor von R. Kennedy (69). Er besitzt trotzdem kein Anlaufmoment, und stellt
nur eine Verdoppelung eines einachsig gewickelten Motors dar.
Textabbildung Bd. 322, S. 676
Fig. 26.
C. Billberg und P. Winand
(72, 76) erregen nach Fig. 26 die beiden U-förmig ausgebildeten
Magnetsysteme F, welche den als Scheibe ausgeführten
Anker umschließen, durch die primär gespeisten Spulen I. Dadurch werden in den Sekundärspulen (II) E M K' e induziert, die über die Bürsten B durch die Scheibe Ströme in der Richtung vom Umfang
zur Mitte treiben. Nach dem Prinzip der Faraday sehen
Scheibe wird dann der Anker in Rotation geraten. Infolge der vielen Nachteile dieser
Anordnung besitzt sie jedoch keine praktische Bedeutung.
(Fortsetzung folgt.)