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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen einphasigen Asynchron-Induktionsmotor
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein
derartiger Motor ist aus der US-Patentschrift Nr. 4520303 bekannt.
Wenn sich einer der Schalter öffnet,
hat der Strom in der Wicklung, die mit diesem Schalter verbunden
ist, das Bestreben, weiterzufliessen und erzeugt eine Überspannung
an den Anschlüssen
dieser Halbwicklung, und diese Überspannung
findet sich auch auf der anderen Halbwicklung wegen der gegenseitigen
induktiven Kopplung der beiden Halbwicklungen. Diese Überspannung tritt
an den Anschlüssen
des Schalters auf, der sich gerade geöffnet hat.
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Da
die Schalter im allgemeinen aus Halbleiter-Bauelementen bestehen,
die nur begrenzte Spannungen aushalten können, zerstört die an den Anschlüssen der
Schalter auftretende Überspannung diese
Halbleiter-Bauelemente in den meisten Fällen. Damit der Strom, der
aufgrund einer Überspannung beim
Ausschalten in einer Spule entsteht, abgeleitet werden kann, reicht
es üblicherweise
aus, parallel zu dieser Spule eine Freilaufdiode zu schalten. Im
Falle der magnetischen Kopplung zweier Windungen wird jedoch eine
solche Freilaufdiode von der anderen Spule als Kurzschluss betrachtet
und auch so behandelt. Wenn nämlich
diese andere Spule unter Strom gesetzt wird, ist sie in Reihe mit
einer Spule geschaltet, wobei eine Diode die unmittelbare Verbindung herstellt.
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Eine
Lösung
dieser Schwierigkeit könnte
darin gesehen werden, als stromableitende Vorrichtung eine Transildiode
zu verwenden, d. h. eine Schutzdiode mit Lawineneffekt in der Art
einer Zenerdiode, die mit ihrer Anode am negativen Pol der Diodenbrücke und
mit ihrer Kathode an den Halbwicklungen des Motors angeschlossen
ist. Die Schwelle der Stromleitung dieser Diode in Gegenrichtung
muss höher
sein als die Spannung, die an der Diodenbrücke anliegt. Beispielsweise
liegt diese Schwelle bei einem Motor mit einer Betriebsspannung
von 230 Veff bei 600 V. Diese Vorrichtung
zur Ableitung des Stromes könnte gleichermassen
parallel zu jeder Halbwicklung wirken. Eine solche Vorrichtung zur
Ableitung des Stromes könnte
nach Festlegung einer definierten Schwelle derart ausgelegt werden,
dass sie die Wärmeleistung
abführt,
welche auf Grund des Durchganges von Strom bei einer Spannung entsteht,
die gleich der Schwellenspannung ist. Bei kleinen Motoren mit Leistungen
unter hundert Watt ist es möglich, solche
Ableitelemente zu finden, da die abzugebende Leistung unter 2 Watt
liegt. Demgegenüber
wird bei stärkeren
Motoren mit Leistungen von mehreren hundert Watt die vom Ableitelement
abzuführende Leistung
zu gross, und solche Bauteile sind nicht handelsüblich.
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Die
vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die oben angesprochenen
Schwierigkeiten bei Motoren beliebiger Leistung zu beseitigen.
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Der
Induktions-Asynchronmotor gemäss
vorliegender Erfindung ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 definiert.
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Da
der Grenzwert der Schaltspannung oberhalb der Speisespannung liegt,
stellt die Begrenzungsvorrichtung keinen Kurzschluss aus der Sicht der
anderen Halbwicklung dar.
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Die
Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung weist Bauteile auf, beispielsweise
Kondensatoren und/oder Widerstände,
welche dazu befähigt
sind, starke Ströme
fliessen zu lassen.
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Gemäss einer
Ausführungsform
ist es möglich,
eine Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung für jede Halbwicklung vorzusehen
oder aber eine einzige, gemeinsame Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung
für die
beiden Halbwicklungen, wobei ein Anschluss der Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung mit
den nicht gemeinsamen Anschlüssen
der Halbwicklungen über
entgegengesetzt geschaltete Dioden verbunden ist.
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Gemäss einer
Ausführungsform
ist die spannungsbegrenzende Vorrichtung eine solche, welche diejenige
Halbwicklung kurzschliesst, an deren Anschlüssen sich bei der Öffnung des
zugehörigen Kommutierungsschalters
eine Überspannung
ergibt. Diese Vorrichtung besteht beispielsweise aus einem Bauteil
mit Spannungsschwelle und einem Schalter, der von diesem Bauteil
gesteuert wird. Dabei ist dieser Schalter beispielsweise durch einen
Transistor verwirklicht, und das Bauteil mit Spannungsschwelle besteht
aus dem Übergang
Basis-Emitter des Transistors und einem Spannungsteiler, der parallel
zu den Halbwicklungen geschaltet ist.
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Die
Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung kann selbststeuernd ausgeführt werden
oder von einem Kontroller gesteuert werden.
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Die
zusätzliche
Anschaltung eines Kondensators parallel zu den Halbwicklungen ermöglicht die Absorption
von Stromspitzen bei der Umschaltung der Schalter.
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Nach
einer anderen Ausführungsform
besteht die Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung aus einem Widerstand
und einem Kondensator parallel zu den Halbwicklungen. Unter Berücksich tigung
der Leistungsabführung
einer solchen Ausführungsform wird
diese im allgemeinen für
starke Motoren reserviert.
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Die
beigegebenen Zeichnungen zeigen in Form von Beispielen einige Ausführungsformen
des erfindungsgemässen
Motors.
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1 ist
ein allgemeines Schema eines erfindungsgemässen Motors, das auf verschiedene Weise
verwirklicht werden kann.
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2 stellt
eine erste Variante des allgemeinen Schemas von 1 dar.
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3 stellt
eine zweite Variante des allgemeinen Schemas von 1 dar.
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4 zeigt
ein allgemeines Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Vorrichtungen
DAP der 1 und 2.
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5 zeigt
ein ersten Ausführungsbeispiel des
allgemeinen Schemas von 4.
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6 stellt
ein zweites Ausführungsbeispiel des
allgemeinen Schemas von 4 dar.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung DP in 3.
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8a stellt
den Verlauf der Speisespannung an den Anschlüssen der Hauptwicklung DP des Motors
dar.
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8b zeigt
den Verlauf der Spannung aus der Sicht der doppelten Hilfswicklung
im Falle eines Motors geringer Leistung.
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8c stellt
den Verlauf der Spannung aus der Sicht der doppelten Hilfswicklung
im Falle eines Motors mit hoher Leistung dar.
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9 zeigt
eine andere Ausführungsform der
Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung an den Anschlüssen des
Schalters.
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In
1 ist
der Motor M schematisch durch seine Hauptwicklung oder Hauptspule
BP dargestellt, an welcher eine Wechselspannung anliegt, beispielsweise
diejenige des Netzes, die durch ihre Phase P und den Nulleiter N
dargestellt ist, sowie durch seine beiden als Hilfswicklungen dienenden
Halbwicklungen B1 und B2, die im Gegensinn gewickelt sind, wie es
in der Zeichnung angedeutet ist. Die Halbwicklungen B1 und B2 werden
abwechselnd von den Strömen
I1 und I2 durchflossen, welche die Halbwicklungen in dem Sinne durchlaufen,
der durch die Pfeile angegeben ist, wobei der Gleichstrom von einem Gleichrichter
GR mit Dioden in Brückenschaltung
geliefert wird. Der gemeinsame Punkt der Halbwicklungen B1 und B2
ist mit einem Ausgang des Bodengleichrichters und einer Steuerschaltung
COM verbunden, während
die anderen Anschlüsse
der Halbwicklungen B1 und B2, welche nicht miteinander verbunden
sind, jeweils am anderen Ausgang des Brückengleichrichters über einen
Schalter T1 bzw. T2 verbunden sind, wobei diese Schalter von der
Steuerschaltung COM gesteuert werden, die ebenfalls über den
Brückengleichrichter
GR mit Strom versorgt wird. Beim dargestellten Beispiel ist die
Steuerschaltung COM ebenfalls mit einer Handsteuerung CM verbunden,
die eine Steuerung der Rotation des Motors in der einen oder der
anderen Richtung ermöglicht.
Die Steuerschaltung COM kann auf verschiedene, bekannte Weise verwirklicht
werden, beispielsweise wie in der Patentschrift
US 4520303 beschrieben ist.
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Die
Steuerschaltung COM steuert das abwechselnde Schliessen und Öffnen der
Schalter T1 und T2 derart, dass in den Halbwicklungen B1 und B2
ein Strom fliesst, dessen Verlauf und Spannung in 8b dargestellt
und in der US-Patentschrift Nr. 4520303 beschrieben sind.
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Parallel
zu jeder Halbwicklung B1 und B2 ist eine selbststeuernde Vorrichtung
DAP geschaltet, welche die Begrenzung der Spannung an den Anschlüssen der
Schalter T1 und T2 sichert.
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Auf übliche Weise
und wie es in 2 dargestellt ist, können die
beiden selbststeuernden Vorrichtungen DAP in 1 durch
eine einzige Vorrichtung DAP ersetzt werden, die beiden Halbwicklungen B1
und B2 gemeinsam ist, indem der Anschluss der Vorrichtung DAP, der
zu den beiden nicht gemeinsamen Anschlüssen der Halbwicklungen führt, über zwei
Dioden mit diesen nicht gemeinsamen Anschlüssen verbunden ist, wobei die
Dioden in der Richtung der Ströme
I1 und I2 leitend sind.
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Anstelle
einer selbststeuernden Vorrichtung ist es möglich, eine gesteuerte Vorrichtung
zur Spannungsbegrenzung DP einzusetzen, wie es in 3 gezeigt
ist, wobei diese Vorrichtung DP über
einen Kontroller CO gesteuert wird. Dieser Kontroller kann auf übliche Weise
mittels eines flüchtigen
Speichers, eines festen Speichers, einer Verarbeitungseinheit, eines
Taktgebers und einer Schnittstelle verwirklicht werden.
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Die
selbststeuernde Vorrichtung DAP kann auf verschiedene Arten aufgebaut
werden. Vorzugsweise wird die Vorrichtung DAP nach dem in 4 gezeigten
allgemeinen Schema verwirklicht, nämlich mittels eines Schwellenspannungs-Elementes ST und
eines Schalters IN, der vom Schwellenele ment ST gesteuert wird und
in Reihe mit einem Widerstand R liegt. Das Schwellenspannungs-Element
ST bewirkt das Schliessen oder Öffnen
des Schalter IN, je nachdem, ob die Spannungsschwelle überschritten wird
oder nicht. Die Spannungsschwelle wird oberhalb der Speisespannung
gewählt.
Wenn der Schalter IN schliesst, wird die entsprechende Halbwicklung über den
Widerstand R kurzgeschlossen, indem sich die in der Halbwicklung
gespeicherte Energie entlädt.
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Bei
jeder Kommutation von T1 und T2 induziert der in derjenigen Halbwicklung
fliessende Strom, deren Schalter gerade geöffnet ist, und der Widerstand
R in der anderen Halbwicklung einen zusätzlichen Strom, der sich als
unerwünschte
Stromspitze manifestiert. Um diesen Nachteil zu vermeiden, kann
die selbststeuernde Vorrichtung DAP durch einen Kondensator C parallel
zu den Halbwicklungen vervollständigt
werden, der bewirkt, dass die Stromspitze absorbiert wird. Der Wert
dieses Kondensators liegt in der Grössenordnung von 1,5 bis 2,2 μF.
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Eine
erste Ausführungsform
des allgemeinen Schemas von 4 ist in 5 dargestellt.
Das Schwellenspannungs-Element
ST besteht aus einem Spannungsteiler, der von den Widerständen R1
und R2 gebildet wird. Der Schalter IN wird durch einem Transistor
Tr1 verwirklicht, dessen Basis mit dem Spannungsteiler verbunden
ist.
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Eine
andere Ausführungsform
des Schemas von 4 ist in 6 gezeigt.
Das Schwellenspannungs-Element ST besteht aus einer Zenerdiode Ze in
Reihe mit einem Widerstand R3 und ist über eine Diode D1 bzw. D2 mit
jeder Halbwicklung B1 und B2 verbunden. Dadurch wird eine korrekte
Arbeitsweise der Zenerdiode sichergestellt. Der Schalter IN besteht
aus einem Feldeffekttransistor Tr2. Die Schalter T1 und T2 werden
hier von Transistoren gebildet.
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Eine
Ausführungsform
der gesteuerten Vorrichtung DP von 3 ist in 7 gezeigt.
Sie besteht einfach aus einem Transistor Tr3 in Reihe mit dem Widerstand
R.
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8c zeigt
den Verlauf der Spannung aus der Sicht der doppelten Hilfswicklungen
B1 und B2 im Falle eines Motors hoher Leistung, der mit der Vorrichtung
zur Spannungsbegrenzung gemäss
vorliegender Erfindung ausgerüstet
ist. Umax ist der Wert, auf den die Spannung an den Anschlüssen einer Halbwicklung
von der erfindungsgemässen
Vorrichtung begrenzt wird. Umax liegt oberhalb der Speisespannung.
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Eine
interessante Wirkung geht aus dem Diagramm hervor, das in 8c dargestellt
ist, wobei t1 und t4 die Zeitpunkte sind, bei denen die Umschaltung
stattfindet. Es kann festgestellt werden, dass die Spannung an den
Anschlüssen
einer Halbwicklung nicht auf Null zurückgeht, wenn die Speisespannung einen
Nulldurchgang ausführt,
d. h. im Verlauf einer Halbwelle der Spannung in der doppelten Hilfswicklung.
Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass ein
Teil der Energie derjenigen Halbwicklung B1, B2, welche von der
Speisung getrennt wurde, durch Induktion an die andere Halbwicklung übertragen
wird, die gerade an die Versorgungsspannung angeschlossen wurde.
Diese Übertragung
bewirkt, dass der Augenblick, in dem die nächste Viertelwelle diese Halbwicklung
speist, von t2 nach t3 verschoben wird, woraus der Vorteil resultiert,
dass kein Nulldurchgang des Momentes stattfindet, das auf den Rotor übertragen
wird, wodurch ein ruhigerer Lauf des Motors zustande kommt und der
Motor im Vergleich zu einer Speisung nach dem Stand der Technik
eine höhere Massenleistung
abgibt.
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9 zeigt
eine andere Ausführungsform der
selbststeuernden Vorrichtung DAP, die in Fällen verwendbar ist, bei denen
eine Leistungsabführung zulässig ist,
beispielsweise im Falle sehr starker Motoren. Die Vorrichtung DAP
besteht einfach aus einem Kondensator C1 und einem Widerstand R4,
welche parallel zu jeder Halbwicklung B1 und B2 geschaltet sind.
Der Wert des Kondensators liegt bei etwa 1,5 μF bis 2,2 μF. Ein bestimmter Betrag des Hilfsstromes
tritt als Verlustleistung am Widerstand R4 auf. Bei einer schlagartigen
Erhöhung
der Spannung an den Anschlüssen
der Halbwicklung B1 wirkt der Kondensator C1 als Kurzschlusselement
und lädt sich
auf, um sich dann über
den Widerstand R4 zu entladen.