Schleifringläufer

Maschinensatz Um die Erkenntnisse in der Testatika-Forschung und speziell die Funktion des elektrostatischen Asynchronmotors besser zu verstehen, wurden Experimente an einem Maschinensatz bestehend aus einem Gleichstrommotor und einem magnetischen Schleifringläufer-Asynchronmotor durchgeführt. Es geht darum, den Energiefluss auf dem Rotor einer Drehfeldmaschine besser verständlich zu machen und letztendlich für die Entwicklung eines Hochfrequenzmotors zu nutzen.

Schleifringläufer wurden in früherer Zeit häufig eingesetzt, um drehzahlgesteuerte Antreibe zu realisieren. Dazu wurden über die Schleifringe Widerstände in den Rotorkreis eingeschaltet und so die Drehzahlkennlinie des Motors verschoben. Eine interessante Entwicklung daraus ist die so genannte untersynchrone Stromrichterkaskade, welche die Rotorleistung nicht in Wärme umsetzt, sondern über einen Stromrichter in das Netz zurückspeist, um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen. Eine weitere Anwendung ist auch die so genannte elektrische Welle, über die zwei mechanisch getrennte Antriebe synchronisiert werden können.
Mit der Einführung der modernen Frequenzumrichter wurde der Schleifringläufer jedoch immer mehr vom normalen Asynchronmotor verdrängt. Heute werden Schleifringläufer nur noch für große Leistungen und in Sonderfällen gefertigt.



Umbau eines Asynchronmotors

Deshalb mag es schwierig sein, zu einem Schleifringläufer in einer vernünftigen Leistungsklasse für Experimente zu kommen. Mit etwas Bastelarbeit kann aber ein normaler Asynchronmotor auf Schleifringbetrieb umgebaut werden.
Rotor Dazu muss der originale Kurzschlussläufer (links im Bild) entfernt werden und an seiner Stelle ein Rotor mit einer Drehstromwicklung und Schleifringen (rechts im Bild mit Lager) eingebaut werden. Wenn der originale Rotor eine Nutzahl hat die es zulässt, eine Drehstromwicklung aufzubringen (für 2 polige Wicklung 6,12,18,...), dann kann der Alu-Kurzschlusskäfig mit Hilfe von Natronlauge (Ätznatron, Natriumhydroxyd) auf dem Blechpaket herausgelaugt werden. Meist haben Kurzschlussläufer aber eine ungerade Nutzahl, um Oberwellen im Läuferstrom auszugleichen und dann wird es notwendig, einen Rotor mit gleichem Durchmesser und passender Nutzahl zu finden. Am besten eignen sich dazu Rotore aus Universalmotoren, wie sie in vielen Elektrogeräten verwendet werden. Es ist darauf zu achten, dass der Durchmesser möglichst gleich ist, vor allem sollte kein kleinerer Rotor eingesetzt werden, denn dadurch steigt der Leerlaufstrom übermäßig stark an. Die Länge des Rotors sollte auch annähernd stimmen, ist aber nicht so kritisch. Bevorzugt ist ein Rotor mit schräger Nutung zu verwenden, weil dann die Welligkeit in Strom und Spannung ein Minimum ist.
Ist ein solcher Rotor gefunden, so wird die komplette Wicklung, sowie der Stromwender entfernt. In die leeren Nuten wird unter Verwendung der alten Nutisolation eine neue Drehstromwicklung eingebracht. Diese muss natürlich zu dem verwendeten Stator passen. Wenn wie hier, ein 2 poliger Stator (3000U/min) verwendet wird, so muss die Rotorwicklung ebenfalls 2 polig ausgeführt werden. In unserem Fall wird also eine Leiterschleife um jeweils 180° des Rotors gelegt. Aus mechanischen Gründen sollte die eine Hälfte der Wicklung links von der Welle und die andere rechts von ihr vorbei geführt werden. Die anderen beiden Wicklungen werden dann jeweils um 120° versetzt in die dazwischen liegenden Nuten eingelegt. Die fertigen Wicklungen werden in Stern geschaltet, damit sich nur 3 Anschlüsse ergeben, der Sternpunkt wird nicht auf die Schleifringe geführt. Wichtig beim Zusammenschalten ist die korrekte Addition der Spannung. Alle drei Außenleiterspannungen müssen gleich groß und um den Faktor SQRT(3) größer sein, als die Sternpunktspannungen.
Auf die Rotorwelle werden die drei Schleifringe aus Kupfer, mit Isolierstücken aus PTFE aufgepresst und mit den Wicklungen verbunden. Der fertige Rotor wird mit Epoxydharz vergossen.
Der Umbau auf dem Stator ist relativ gering. Es muss nur der vordere Deckel mit Abstandshülsen verlängert werden, sodass in dem entstehenden Freiraum die Schleifringe zu liegen kommen. Auf der Oberseite wird eine Kunststoffplatte mit drei Kohlebürsten (ebenfalls von Universalmotoren) montiert, welche die Schleifringe kontaktieren.

Umgebauter Schleifringrotor
Rotor:
41,5mm Durchmesser, 41mm lang, 12 Nuten
Wicklungen:
3 Wicklungen mit je 600Wdg. in Stern geschaltet.
Drahtstärke:
Lackdraht mit 0,2mm Durchmesser
Aufteilung:
2x300 Windungen in je 2 gegenüberliegenden Nuten.
Schleifringe:
20mm Durchmesser 8mm breit, aus Kupfer.
Ausgangsspannung:
Im Stillstand, bei netzgespeisten Stator 3x230V

Original Stator des Asynchronmotors

Stator:
Innendurchmesser: 42mm, 41mm lang, 24 Nuten
Drehzahl:
2780U/min, 2 poliger Motor
Leistung:
120W
Spannung:
230V in Dreieck, 400V in Stern
Strom:
0,64A in Dreieck, 0,37A in Stern

Der fertige Motor wird über eine Wellenkupplung mit einem Gleichstrommotor zu einem Maschinensatz zusammengekoppelt.

Gleichstrommotor
Drehzahl:
3000 U/min
Spannung:
24V
Strom:
5A
Wellenleistung:
90W

Versuche mit dem Schleifringläufer
Neben den bekannten und üblichen Betriebsarten wie Frequenzumformer, Phasenschieber, Drehtrafo und drehzahlgesteuerter Betrieb, ist auch eine Selbsterregung über Kondensatoren, ganz ähnlich wie bei einem Asynchrongenerator im Inselbetrieb möglich.

Dazu werden die Schleifringe kurzgeschlossen und der Stator mit genügend hoher Kapazität belastet. Bei einer entsprechenden Drehzahl erregt sich der Generator von selbst und kann Leistung abgeben. Das ist genau so wie bei einem Kurzschlussläufer.

Dieses Oszillogramm zeigt einen solchen Betriebszustand. Der Generator wurde mit 4800U/min angetrieben. Der Stator war mit 3x5µF Kondensatoren in Sternschaltung belastet und der Rotor kurzgeschlossen. Es ergab sich eine Ausgangsspannung (in Ch2) von 268V (Statorwicklungen in Dreieck) mit einer Frequenz von 78Hz. Wenn wir von der Drehzahl auf die Frequenz zurückrechnen, ergeben sich 80Hz (=4800/60). Wir erkennen also, dass der Rotor schneller läuft, als das Drehfeld, das er erzeugt. Die Differenz findet sich im Kurzschlussstrom des Rotors (in Ch3) dessen Frequenz beträgt genau 2 Hz. Mit steigender Belastung, nimmt die Rotorfrequenz immer weiter zu, bis er schließlich aus der Erregung fällt.

Nach der allgemein gängigen Erklärung für dieses Verhalten, erzeugen die Kondensatoren einen genügend hohen Blindstrom, der den Magnetisierungsstrom bereitstellt und so den Generator in der Erregung hält.
Ich finde, man sollte die Kondensatoren aber als einen Bestandteil eines Schwingkreises sehen, die mit Hilfe der Induktivität des Stators eine Resonanzfrequenz einstellen, die in der Nähe der elektrischen Rotationsfrequenz des Rotors liegt. Dadurch wird ein künstliches Drehfeld aufgebaut, über das Leistung abgegeben werden kann, wie wenn der Generator am Netz betrieben werden würde. Das zeigt sich auch ganz deutlich in den Frequenzen im oberen Beispiel. Der Rotor muss immer schneller drehen als das Feld. Das ist am Netz genauso, denn erst wenn er über seiner synchronen Drehzahl läuft, gelangt er in den Generatorbetrieb. So kann auch durch Verwenden von entsprechend größeren Kondensatoren ein Resonanzpunkt bei einer niedrigeren Drehzahl eingestellt werden.

Aus den Überlegungen beim elektrostatischen Asynchronmotor ist es wünschenswert, vom Rotor Leistung abziehen zu können, um eine Rückspeisung zu realisieren. Das ist mit dem herkömmlichen Betrieb im Kurzschluss kaum möglich. Denn sobald eine Last in den Rotorkreis eingeschaltet wird, erhöht sich die Rotorfrequenz sehr rasch und der Generator fällt aus der Erregung. Das kann auch nicht durch größere Kondensatoren im Stator ausgeglichen werden, da mit diesen nur noch eine höhere Rotorfrequenz zustande kommen würde.

Neues Betriebskonzept
Hier kommt das, von mir entwickelte, neue Betriebskonzept für den Schleifringläufer zu tragen. Aus der Tatsache, dass der Erregerkreis ein Schwingkreis ist, kann man folgern, dass durch entsprechende Abstimmung auch der Rotorkreis in Resonanz gebracht werden kann. Es bildet sich dann auch auf dem Rotor ein sich selbst erregendes Drehfeld aus.

Die Schaltung sieht dann so aus, dass sowohl der Rotor, als auch der Stator mit je einem und voneinander unabhängigen Kondensatorkreis verbunden werden. Es wird so am Rotor und Stator ein resonantes Drehfeld erzeugt. Durch entsprechende Abstimmung kann der sonst extrem niederfrequente und vor allem kaum belastbare Rotorkreis auf ein vernünftiges Leistungsniveau gebracht werden.

Das verblüffende Ergebnis zeigt dieses Oszillogramm. Dazu wurde der Generator wieder mit 4800U/min angetrieben, die Statorkapazität ist mit 3x8µF an dem in Dreieck geschalteten Stator etwas erhöht worden, um die gefallene Frequenz auszugleichen. Zusätzlich werden 3x14µF in den Rotor eingeschaltet. Ch2 zeigt die Spannung am Rotor, die von Null (im Betrieb als KS-Läufer) auf 125V angestiegen ist. Am Stator (Ch1) sind auch noch 194V abzunehmen. Viel interessanter sind hingegen die Frequenzen. Der Stator hat 52Hz, während der Rotor von 2Hz im Kurzschluss auf 28Hz angestiegen ist. Dennoch ist die Maschine in der Erregung geblieben und sowohl Rotor, als auch Stator weisen eine hohe und vor allem auch belastbare Spannung auf.
Es stehen als Ausgang somit zwei Drehspannungen verschiedener Frequenz zu Verfügung. Durch Abstimmung mit den Kondensatoren können die beiden Frequenzen zueinander verändert werden. Die Summe bleibt stets gleich der elektrischen Rotationsfrequenz, wie wir aus den Messwerten leicht nachrechnen können: 52Hz+28Hz=80Hz=(4800U/min)/60.

Durch die großen Frequenzunterschiede kann auch die Frequenzerniedrigung nach dem Einsetzen der asynchronen Selbsterregung gezeigt werden, die normal nur schwer erfassbar ist. Der Schwingkreis wird ausgehend von einer ganz geringen Amplitude, die durch den Restmagnetismus erzeugt wird, aufgeschaukelt. Zu beachten ist hierbei die hohe Frequenz der Resterregung in der Statorspannung CH1, die im synchronen Betrieb erzeugt wird und hier nur eine Spannung von weit unter 1V ausmacht. Nach dem Einsetzen der Resonanz arbeitet der Statorkreis auf einer viel tieferen Frequenz, was einen deutlichen Abfall der Frequenz von 62Hz auf 43Hz ausmacht, wie im Statorstrom in CH3 zu erkennen ist.

Motorbetrieb
Das Rotordrehfeld kann nicht nur im Generatorbetrieb verwendet werden, es kann auch im netzgespeisten Motorbetrieb zur Drehzahlsteuerung ohne Widerstände und ohne den Aufwand einer Stromrichterkaskade verwendet werden. Dazu müssen nur Gruppen von Kondensatoren auf den Rotor geschaltet werden. Je höher die Kapazität, umso höher die Drehzahl. Bei sehr hohen Drehzahlen hat man kaum noch Spannung am Rotor und es empfiehlt sich daher die Verwendung einer hohen Rotorspannung und der Übergang zu Rotorwiderständen ab einer gewissen Drehzahl.
Bei Versuchen in dieser Richtung habe ich allerdings festgestellt, dass zwar die Drehzahlsteuerung wie gewünscht auftritt, die Aufnahmeleistung des Motors aber dadurch nicht verringert wird. Das ist aus folgenden Messwerten ersichtlich:
Stator in Y / 3x400V
3~Aufnahmeleistung
Statorstrom
Rotorstrom
mechan.Last
Drehzahl
Rotor kurzgeschlossen
57W
310mA
229mA
40W
2660U/min
Rotor mit 3x16µF in Dreieck
50W
160mA
466mA
20W
1510U/min
Rotor mit 365Ohm+3~Glr.
57W
320mA
233mA
20W
1500U/min
Zum Vergleich wurde der Rotor zuerst kurzgeschlossen und bei Betrieb mit Nenndrehzahl und 40W Last die Aufnahmeleistung sowie Stator- und  Rotorstrom gemessen. Dann wurde die Drehzahl einmal mit Kondensatorlast am Rotor und im anderen Fall mit dem klassischen ohmschen Rotorwiderstand auf 1500U/min verringert und entsprechend auch die mechanische Last reduziert.
Es zeigt sich bei Kondensatorlast nur eine geringfügig niedrigere Leistungsaufnahme, die hauptsächlich auf die kompensierende Wirkung der Kondensatoren und den damit geringeren Statorstrom zurückzuführen ist. Die zusätzliche Leistung, die aufgrund der geringeren Drehzahl nicht mehr abgegeben werden kann, wird über einen höheren Strom in der Rotorwicklung zur Umsetzung gebracht, was in etwa mit der Resonanzüberhöhung in einem Schwingkreis verglichen werden kann. Hier zeigt sich wieder die Problematik der ohmschen Verluste in Verbindung mit einem Drehfeld, die schon beim elektrostatischen Asynchronmotor beschrieben wurden und die darauf zurückzuführen ist, dass die Läuferfrequenz niedriger ist, als die Netzfrequenz und somit keine Rückspeisung über einen Blindstrom mehr möglich ist.

Erzeugung einer Schwebung
Aus den beiden verschiedenen Frequenzen am Rotor- und Statorkreis lässt sich eine weitere ableiten, indem man die Last so einschaltet, dass sich beide Frequenzen in ihr mischen. Dann entsteht eine Schwebung mit der Differenzfrequenz zwischen den beiden Grundfrequenzen. Ein solches Signal gleicht dann einer Amplitudenmodulation aus einem AM-Sender. Die Last wird so eingeschaltet, dass sich die beiden Drehfelder nicht nur zu in einer Schwebung überlagern, sondern dass zusätzlich auch noch ein niederfrequentes Drehfeld mit der Schwebungsfrequenz entsteht. Dazu werden die Lampen jeweils zwischen zwei wirkungsgleichen Klemmen angeschlossen.
Zu beachten ist dabei, dass diese für den Motorbetrieb beschriftet sind. Liegt am Stator U1,V1,W1 ein Rechtsdrehfeld an, so kommt auch am Rotor K,L,M ebenfalls ein Rechtsdrehfeld heraus. Im Generatorbetrieb aber läuft der Rotor schneller als das Statordrehfeld und somit kehrt sich das Rotorfeld in seiner Drehrichtung um. Es wird also ein rechts- und ein linkslaufendes Drehfeld miteinander überlagert, diese können niemals synchron werden und an der Last liegt in jedem Fall Spannung an.

MPEG-Video 679kB Das Viedeo zeigt eindrucksvoll, wie mit Hilfe dieser Schaltung bei hoher Drehzahl, ein niederfrequentes Drehfeld an den Lampen erzeugt wird. Die Lampen sehen so aus, als würden sie durch ein niederfrequentes Drehfeld gespeist, weil der Träger zu schnell ist, um ihn noch zu erkennen. So ein Verhalten kennt man normalerweise nur vom Synchronisieren eines Generators auf das Netz und ist für den Inselbetrieb völlig untypisch. Zu hören ist auch, wie der Antrieb nach Einsetzen der Selbsterregung deutlich belastet wird.

Zur Aufnahme dieses Bildes wurde die Differenzfrequenz bis auf wenige Hertz herabgesetzt. Dazu wurde eine Statorkapazität mit 3x28µF in Stern verwendet. Die Statorspulen sind in Dreieck geschaltet, damit passend zum Rotor zwei gleich große Spannungen überlagert werden. Der Rotor wurde mit 3x14µF in Stern belastet. Der Antrieb erfolgte mit 3100U/min. Als  Last dienten drei 230V/40W Glühlampen, zwischen Rotor- und Statorkreis. Ch1 bis Ch3 zeigen die Spannungen an den drei Glühlampen. Es ist die Schwebung zu erkennen, die sich über die drei Phasen ebenfalls wie ein Drehfeld um jeweils 120° weiterbewegt. Die Resonanzfrequenz von Stator- und Rotorkreis liegt dabei um die 25Hz und erzeugt den Träger für die Schwebung.
Alle drei Spannungen an der Last ergeben zusammen die Summe Null, was charakteristisch für ein Drehfeld ist. Hier ist aber nicht nur die Summe der Schwebungen Null, sondern zusätzlich auch noch die aller Träger (wenn z.B. alle gleichphasig wären, würden sie sich zum dreifachen Wert addieren). Das äußert sich in den Trägern so, dass jeweils der, höchster Amplitude um 180° gegenphasig zu den anderen beiden ist, die in Phase schwingen. Die Träger löschen sich also zu jedem Zeitpunkt aus und nicht nur über einen Umlauf der Schwebung. Das heißt, die Träger selbst bilden kein Drehfeld aus, was ja auch möglich wäre wenn z.B. eine normale Drehspannung amplitudenmoduliert werden würde.

Besser ist das noch aus dem Frequenzspektrum der Spannung einer Lampe zu erkennen. Es besteht aus zwei Spektrallinien, in diesem Fall bei 24,5 Hz und 27Hz. Beide Frequenzen zusammen ergeben die Drehzahl von 3100U/min. Die Frequenz der Schwebung beträgt hier 2,5 Hz. Dieses Verhalten zeigt, dass der Betrieb keinen ungenutzten Drehzahlschlupf aufweist, wie er sonst bei Asynchronmaschinen üblich ist. Wenn man beide Frequenzen nutzt, ist es ein quasi synchroner Betrieb.

Simulation
Um die Messungen zu bestätigen, wurde in PsPice 8.0 unter Windows XP ein ähnlicher Fall simuliert. In der Simulation bilden V1 bis V3 eine rechtslaufende Drehspannung mit einer Frequenz von 50Hz. V4 bis V6 bilden eine zweite, linkslaufende Drehspannung mit einer Frequenz von 45Hz. Beide Spannungen werden durch Serienschaltung überlagert und der Last R1 bis R3 zugeführt.

Die transiente Simulation zeigt die drei Spannungen V R1 bis V R3 an der Last. Das Ergebnis stimmt sowohl von der Lage der Schwebungsknoten, als auch von der Phasenlage der Träger zueinander mit der Messung überein.

Ausblick
Im nächsten Schritt geht es darum, mit der tiefen Schwebungsfrequenz einen weiteren Motor laufen zu lassen. Ein normaler Asynchronmotor ist dazu ungeeignet, da dieser immer noch mit der hohen Trägerfrequenz  laufen würde, die als zeitlich wechselnde Phasenverschiebung immer noch ein Drehfeld ausbildet. Dazu wird eine Anordnung von je 3 Spulen am Rotor und 3 am Stator benötigt, die so angesteuert werden, dass ein Schwebungsmaximum jeweils zu einer anziehenden Kraft zwischen 2 Spulen führt. Dann ist es egal, mit welcher Frequenz und Phasenlage der Träger schwingt, die anziehende Kraft wird entsprechend dem Modulationsmaximum im Kreis herum weitergeschaltet. Ein solcher Motor hätte keinen Drehzahlschlupf, würde also synchrone Eigenschaften zeigen. Nur der Winkel zwischen den Spulen wäre lastabhängig. Es wäre somit auch möglich, bei dessen Antrieb einen vorlaufenden Winkel einzustellen und so Leistung zurückzuspeisen.
Damit würde mit einer geringen mechanischen Drehzahl die Schwingung der hohen Tägerfrequenz aufrechterhalten, was bisher bei Generatoren nicht möglich war. Ich denke, dass ein Asynchronmotor eine spezielle Form eines nichtlinearen Bauteils ist, das es schafft, ohne die sonst nötigen Verzerrungen und Oberwellen eine Kopplung zwischen verschiednen Frequezen herzustellen.
Dieses Verhalten könnte vielleicht sogar auf nur eine Maschine konzentriert werden und so eine ganz neue Art von Generator konstruiert werden, wenn es gelingt, beide Frequenzen so miteinander zu mischen, dass sich die Schwebung nicht im Außenbereich des Generators einstellt, sondern in dessen Luftspalt. Damit könnte eine Abstimmung möglich sein, bei der die Resonanzfrequenz der Schwingkreise weit über der mechanischen Rotationsfrequenz liegt. In diesem Fall würde das umlaufende Trägermaximum das nötige, niederfrequente Drehfeld ausbilden, mit dessen Hilfe die mechanische Energie in die Schwingkreise transportiert werden kann. Ein solcher Generator könnte eine höhere Frequenz erzeugen, als es ihm seine Drehzahl ermöglichen würde. Wenn man sich das noch als eisenlosen Aufbau, so wie beim elektrostatischen Asynchronmotor denkt, der auch extrem hohe Frequenzen zulässt, so wäre das ein rein mechanischer Hochfrequenzgenerator und dem Aufbau der Testatika schon sehr nahe.

Info zum Buch
Das neue Betriebskonzept für den Schleifringläufer findet sich auch in diesem Buch, wo versucht wird, durch Grundlagenexperimente und neue theoretische Ansätze mehr Licht in das Thema der Freien Energie zu bringen. Nähere Informationen zum Buch.
Titel: Grundlagen und Praxis der Freien Energie
Alternative Theorien und interessante Experimente
Autoren: Harald Chmela und Wolfgang Wiedergut
Verlag: Erschienen im August 2004 im Franzis Verlag
ISBN Nr.: 3-7723-4400-3

Magnetseite