Polumschaltbare Dreiphasen-Rotationsmaschine Die Erfindung betrifft eine polumschaltbare Drei phasen-Rotationsmaschine, deren drei Phasenwicklun gen bei einer ersten Schaltung ihrer Spulen ein resultie rendes Magnetfeld mit einer ersten Zahl (P) von Polpaa ren liefern, wobei diese Spulen jeder der drei Phasen wicklungen zwecks Polumschaltung derart in eine zweite Schaltung umschaltbar sind, dass die (P) einzelnen Pol paare des durch die betreffende Phasenwicklung erzeug ten Magnetfeldes bei der Umschaltung mittels einer längs dem vollen Wicklungsumfang eine ganze Zahl (M) von Zyklen aufweisenden periodischen Funktion des Raumwinkels (Modulationswelle)
je nach dem örtlichen Wert dieser Funktion umgekehrt bzw. geschwächt bzw. unverändert gelassen werden, wobei die Orte einander entsprechender Werte der den drei Phasenwicklungen zugeordneten Raumwinkelfunktionen um je mindestens annähernd ein Drittel des Wicklungsumfanges gegenein ander versetzt sind, so dass die Zahl der wirksamen Polpaare des nach der Umschaltung von jeder Phasen wicklung erzeugten Feldes je nach dem Sinn dieser Ver setzung gleich der Summe (P+M) oder der Differenz (P-M) der genannten ersten Zahl (P) von Polpaaren und der Zahl (M) von Zyklen der genannten Raumwinkel- funktionen wird,
wobei entweder die genannte erste Zahl (P) von Polpaaren oder die Zahl (P+M bzw. P-M) von Polpaaren des nach er Umschaltung erzeugten resultierenden Feldes gleich 3 oder einem ganzzahligen Vielfachen von 3 ist.
Polwechselinduktionsmotoren für zwei wahlweise erhältliche Polzahlen und zwei Drehzahlen in umge kehrtem Verhältnis zu den beiden wahlweise erhältli chen Polzahlen sind bekannt und weitgehend in Ge brauch. Am bekanntesten sind Maschinen mit Wechsel polzahlen im Verhältnis 2:1, jedoch sind auch Maschi nen mit einem Verhältnis 3:1 bekannt.
Die Maschinen mit dem Verhältnis 2:1, oft als Dah- lander-Maschinen bezeichnet, besitzen umschaltbare Anschlüsse an den Enden und in den Mittelpunkten der Dreiphasenwicklungen, um wahlweise Reihen- oder Parallelschaltungen der Phasenwicklungshälften vorneh- men zu können, wobei die eine Schaltung in jeder Phase doppelt so viele Pole ergibt wie die andere Schaltung.
Die Maschine mit dem Verhältnis 3:1 besitzt in ähn licher Weise Schaltverbindungen in den Phasenwicklun- gen, um wahlweise Reihen- oder Parallelschaltungen der Phasenwicklungshälften vornehmen zu können, wobei die eine Schaltung in jeder Phase doppelt so viele Pole ergibt wie die andere Schaltung.
Die Maschine mit dem Verhältnis 3:1 besitzt in ähn licher Weise Schaltverbindungen in den Phasenwicklun gen, um wahlweise Reihen- oder Parallelschaltungen der Phasenwindungsdrittel und die entsprechenden Polzah len für jede Phase herzustellen.
Diese Technik von Serien-Parallelschaltungen kann ausgedehnt werden, um andere Polzahlverhältnisse zu schaffen. Mindestens theoretisch könnte jede Spule einer Phasenwicklung durch Schaltverbindungen ge trennt nach aussen geführt werden, um dadurch eine grosse Anzahl von verschiedenen Reihen-Parallel-Kom- binationen und eine entsprechende Anzahl von wahl weise erhältlichen Polzahlen und ähnliches auch für die beiden anderen Phasenwicklungen zu ermöglichen.
Demgemäss sind im technischen und Patentschrift tum eine Anzahl von Maschinen beschrieben, welche, obwohl sie nicht bis zur äusserst möglichen Grenze der Herausführung von Anschlüssen von jeder Spule gehen, doch zahlreiche Schaltanschlüsse nach aussen führen, um wahlweise Polzahlen für jede Phasenwicklung in ver schiedenen Verhältniszahlen zu schaffen, einschliesslich kleiner Verhältnisse, insbesondere kleiner als 2:1.
In der Praxis ist das Herausführen einer grossen An zahl von Schaltungsleitungen hinderlich, so dass solche Maschinen höchstens für Maschinen mit den Polzahl verhältnissen 2:1 und 3:1 Verwendung gefunden haben.
<I>Die</I> sogenannte Polamplituden-Modulation Ein neues Verfahren zur Polzahländerung, genannt Polamplitudenmodulation , bei welchem die Ampli tude des von der betrachteten Wicklung erzeugten Magnetfeldes längs des Wicklungsumfanges moduliert wird, wurde zuerst durch Prof. G.
H. Rawcliffe und an- fiere veröffentlicht unter der Überschrift Drehzahlän derung bei Induktionsmotoren durch Polamplitudenmo- dulation in der Zeitschrift Proceedings of the Institute of Eleetrical Engineers Band 105, Teil A, Nr.22, August 1958. Dieses Verfahrender Polzahländerung ist ferner erläutert in der britischen Patentschrift Nr.
900 600 und in der Patentschrift des später .als die drei Prioritätsdaten :des vorliegznden Patentes angemeldeten Schweizer Patentes Nr. 373 099.
Gemäss diesem Verfahren werden zur Änderung der Zahl der Polpaare des Magnetfeldes der genannten, bei einer ersten Schaltung ihrer Spulen ein Magnetfeld mit einer Zahl P von Polpaaren erzeugenden Phasenwick lung diese Spulen der Phasenwicklung .derart umge schaltet, dass die einzelnen Polpaare :
des Magnetfeldes vermittels einer längs dem vollen Wicklungsumfang eine ganze Zahl (M) von Zyklen aufweisenden periodischen Funktion des Winkels (Mo.dulationswelle) je nach dem örtlichen Wert dieser Funktion umgekehrt bzw. ge schwächt bzw.
unverändert gelassen werden, derart dass die Wicklung nach dieser Umschaltung ihrer Spulen ein Magnetfeld erzeugt, welches gleich ist dem durch über lagerung zweier Magnetfeldkomponenten, deren Pol paarzahlen gleich der Summe (P+M) beziehungsweise der Differenz (P-M) der genannten ersten Zahl (P) von Polpaaren und der genannten Zahl (M) von Zyklen der erwähnten Funktion sind, erhaltenen resultierenden Feld.
Das Verfahren der sogenannten Polamplitudenmodu- lation kann benutzt werden, um wahlweise Polzahlen mit kleinem Verhältnis, .d. h. kleiner als 2:1, oder mit grossem Verhältnis, d. h. grösser als 2:1, zu .schaffen.
Im allgemeinen werden nur 6 Schaltleitungen benö tigt, jedoch werden bei einigen Ausführungen 9 Schalt leitungen benutzt.
Die praktischen Anwendungen des in der oben er wähnten technischen Veröffentlichung und :den erwähn ten Patentbeschreibungen dargelegten Verfahrens waren beschränkt auf Maschinen, bei denen keine der beiden Betriebspolpaarzahlen drei oder ein Vielfaches von drei war.
Es erscheint angebracht, zum klaren und schnellen Verständnis der Erfindung kurz den allgemeinen Grundgedanken des Polzahlwechsels durch sogenännte Polamplitudenmodulation in seiner Anwendung auf eine dreiphasige Wicklung zu .erläutern, welche für jede Phase die erste der geforderten Wechselpolzahlen liefert. In elektrischer und anderer Hinsicht entspricht ,diese Wicklung abgesehen von der Schaffung von P.hasen- wicklungsschaltverbindungen einer üblichen Wicklung für eine Maschine mit nur einer Drehzahl mit der ge wählten Polzahl.
Um die zweite Polzahl zu schaffen, wird bei der be kannten Polampl:itudenmodulatien die Wellenform der Verteilung der magnetomo:torischen Kraft über den Um fang der Maschine, wie sie der ersten Polzahl für jede Phasenwicklung entspricht, mittels einer regslmässigen periodischen Funktion des Winkels verändert, die sich als Welle mit abwechselnden positiven und negativen Halbwellen darstellen lässt. Dabei wird je nach dem ört lichen Wert dieser Funktion das Feld an der betreffen den Stelle umgekehrt, geschwächt oder unverändert ge lassen.
Dieser Vorgang kann als Modulation der Ampli tude .des längs des Wicklungsumfanges wellenförmig veränderlichen, die Pole bildenden Feldes mittels einer die genannte pcrio.dische Funktion darstellenden Modu- lationswelle bezeichnet werden. Diese periodische Funktion bzw. Modulationswelle weist über den vollen Wicklungsumfang eine ganze Zahl M von Zyklen auf.
Natürlich kann die Maschine nicht gleichzeitig ent sprechend den beiden neuen Polpaarzahlen arbeiten, und es ist notwendig, die eine oder andere der durch die Modulation erhaltenen neuen Polpaarzahlen, d. h. die entsprechende Magnetfeldkomponente aus der modu lierten Wellenform der magnetmotorischen Kraft auszu scheiden.
Ausscheldung <I>der</I> unerwünschten Polpaarzahl <I>des</I> modulierten <I>Feldes</I> Eine der beiden neuen Polpaarzahlen kann wahl weise ausgeschieden werden, so dass die andere neue Polpaarzahl als mit der ursprünglichen Polpaarzahl aus tauschbare Arbeitspolpaarzahl übrigbleibt.
Bei einer Dreiphasenmaschine lässt sich die unerwünschte Pol paarzahl ausscheiden durch geeignete Winkelversetzung der .drei Phasenwicklungen über den Wicklungsumfang, so dass die die unerwünschte Polpaarzahl aufweisenden Komponenten der von den drei Phasenwicklungen er zeugten Magnetfelder einander im resultierenden Drei phasenfeld auslöschen. Die Regeln für die Ausmerzung der einen Polpaarzahl des modulierten Feldes, welche in der erwähnten Schweizer Patentschrift Nr. 373 099 er läutert sind, lassen sich in sinngemässer Weise für die Ausmerzung einer Polzahl der modulierten Wellenform, die nach den Verfahren der vorliegenden Erfindung er zeugt wird, anwenden. Diese Regeln werden daher nachstehend wiedergegeben.
Die Aufgabe einer Dreiphasenwicklung ist, ein um laufendes Magnetfeld zu liefern, wenn sie von einem Dreiphasennetz gespeist wird. Dies setzt voraus, dass die Phasenwicklungen gegeneinander um 120' elektrisch versetzt sind. Die Phasenfolge kann A, B, C oder A, C, B sein.
Da zwei Drehrichtungen um die Achse einer Wick lung möglich sind, muss die Phasenfolge in bezug auf den einen Drehsinn festgelegt werden, z. B. in bezug auf den Uhrzeigersinn bei Betrachtung von einem bestimm ten Ende der Maschinenachse aus. Werden mit dem Zeichen + die positiven und mit dem Zeichen - die negativen Scheitel der den Erregerstrom in jeder Phase darstellenden Kurve bezeichnet, so entspricht die Phasenfolge A, B, C der Phasenbandfolge +A, -C, +B, -A, +C, -B.
Die Phasenfolge A, C, B entspricht der Phasenbandfolge +A, -B, +C,-A, +B, -C. Dieseüberle- gungen gelten für alle umlaufenden Dreiphasenmaschi- nen und sind als solche wohlbekannt.
Bei einer Dreiphasenwicklung sind die Einzelpha- senwicklungen elektrisch im Abstand im Einklang mit den oben erwähnten Gegebenheiten angeordnet. Die für die Ausscheidung der unerwünschten Polzahl erforderli chen Abstände sind geometrische Winkelabstände rund um die Wicklungsachse.
Bei einer Dreiphasenwicklung, auf welche die soge- nannte Polamplitudenmodulation angewendet werden soll, lässt sich zeigen, dass die drei Modulationswellen, die den Phasenwicklungen aufgeprägt werden, d. h. die Funktionen, gemäss welchen die Amplituden der winkel- abhängigen Feldstärken verändert werden sollen, in bezug auf .die Wicklungsachse geometrisch um 120 zu einander versetzt sein müssen.
Diese gegenseitigen Versetzungen können von einer Phasenwicklung zur andern zwischen denjenigen Punk ten gemessen werden, an denen die genannten periodi- sehen Funktionen, gemäss welchen die jeweiligen Feld amplituden moduliert werden, den gleichen Punkten ihrer Zyklen entsprechende Werte aufweisen; aber sie wird am eindeutigsten gemessen zwischen Punkten der Phasenwicklungen, an denen die genannten Funktionen von einem negativen zu einem positiven Wert überge hen.
Da 120 geometrisch gemessen einem Drittel eines Umlaufs um die Wicklungsachse entspricht, ist es ein leuchtend, dass diese geforderte Phasenversetzung der genannten Funktionen entweder mit der Phasenfolge A, B, C im betrachteten Drehsinn oder mit der Phasenfolge A, C, B verwirklicht werden kann.
Die Wahl zwischen diesen beiden Phasenfolgen ist bestimmend dafür, ob im durch die Modulation erhalte nen Feld die höhere oder die niedrigere Polpaarzahl durch die Kombination der drei Phasen unterdrückt wird.
Das Erfordernis für die Versetzung der Funktionen, gemäss welchen die Polamplituden der von den drei Phasenwicklungen der Dreiphasenwicklung erzeugten Felder zu modulieren sind, wird bestimmt durch die fol gende Regel: Wenn ein beliebiger Drehsinn, z.
B. der Uhrzeiger sinn, als Bezugsdrehung angenommen wird, wenn ferner die elektrische Phasenfolge in diesem Drehsinn A, B, C ist, was der Folge +A, -C, +B, -A, +C, -B der Scheitel der die Erregerströme darstellenden Kurve entspricht, und wenn in den von den drei Phasenwicklungen er zeugten Komponenten des Feldes .die Amplituden der winkelabhängigen Feldstärken gemäss der genannten als Modulationswelle bezeichneten Funktion des Raumwin kels der Reihe nach im genannten Bezugsdrehsinn mit der positiven Halbwelle dieser Funktion beginnend, verändert (moduliert) werden,
dann müssen zur Unter drückung der die eine oder andere der beiden neuen Polpaarzahlen aufweisenden Komponente aus dem durch die drei Phasenwicklungen erzeugten resultieren den Feld diejenigen Punkte der drei Phasenwicklungen, an welchen die genannten periodischen Funktionen die dem gleichen Punkt ihrer Zyklen, z. B. den Anfängen dieser Zyklen zugeordneten Werte aufweisen, in bezu.g aufeinander geometrisch um 120 um die Wicklungs achse versetzt sein.
Ist diese Forderung erfüllt, so wird die die niedrigere Zahl von Polpaaren aufweisende Feldkomponente un terdrückt, und die die höhere Zahl von Polpaaren auf weisende Feldkomponente bleibt allein übrig, wenn die genannten periodischen Funktionen bzw. deren um 120 zueinander versetzte Bezugspunkte einander im Bezugs drehsinn in der Reihenfolge A, B, C, gerechnet, folgen.
Die höhere Zahl von Polpaaren wird unterdrückt und die niedrigere Zahl von Polpaaren bleibt allein übrig, wenn die genannten periodischen Funktionen bzw. deren um 120 zueinander versetzte Bezugspunkte einander im Bezugsdrehsinn in der Reihenfolge A, C, B folgen.
Polpaarzahleh, <I>welche ein Vielfaches</I> <I>von drei sind</I> Es ist nun erläutert worden, wie das von jeder Phasenwicklung erzeugte Magnetfeld, .das ohne Modula tion eine Zahl von P Polpaaren aufweist, durch soge nannte Polamplituden-Modulation verändert wird, um ein neues Magnetfeld zu schaffen, welches eine überla- gerung einer Magnetfeldkomponente, deren Polpaarzahl gleich der Summe (P+M) und einer Magnetfeldkompo nente, deren Polpaarzahl gleich der Differenz (P-M)
der ursprünglichen Zahl P von Polpaaren und der Zahl M von Zyklen der erwähnten periodischen Funktion, d. h. der Zahl der Modulationsperio.den ist, und wie in einer aus drei solchen Phasenwicklungen bestehenden Drei phasenwicklung die eine oder andere dieser beiden neuen Polpaarzahlen durch geometrische Versetzung und Wahl der Phasenfolge der modulierenden Funktio- neu unterdrückt werden kann.
Es ist ersichtlich, dass für jede Kombination von Polpaarzahlen (P), (P+M) und (P-M) eine dieser drei Zahlen von Polpaaren stets gleich drei oder einem Viel fachen von drei sein muss, ausgenommen den Sonder fall, in welchem P nicht gleich drei Polpaare oder ein Vielfaches davon, M hingegen gleich drei Perioden oder ein Vielfaches davon ist.
Die Beispiele von Maschinen mit Polzahlwechsel durch Polamplitudenmo,dulation , die im oben er wähnten Aufsatz und den erwähnten Patentschriften dargelegt sind, sind sämtlich solche, bei denen die unter drückte Polpaarzahl gleich drei oder einem Vielfachen davon ist.
Die vorliegende Erfindung ist indessen auf Maschi nen mit Polzahlwechsel durch Polamplitudenmodula- tion anwendbar, bei denen eine der Arbeitspolpaarzah- len gleich drei oder einem Vielfachen davon ist.
Bei Maschinen, wie sie in der genannten Literatur beschrieben wurden, bei denen die Zahl von .drei Pol paaren oder einem Vielfachen davon ausgeschieden wird, können alle .drei Phasenwicklungen in gleicher Weise gjwickelt und geschaltet sein. Dieses Verfahren wird symmetrische Polamplitudenmodulation ge- nannt.
Beträgt hingegen die Zahl der Arbeitspolpaare drei oder ein Vielfaches davon, so kann nur eine der Phasen wicklungen als symmetrisch polamplitudenmodulierte Wicklung ausgeführt und geschaltet sein. Die beiden an deren Phasenwicklungen müssen in besonderer Weise gewickelt und geschaltet werden, wie dies weiter unten näher erläutert wird.
Der Grund für die besondere Behandlung von zwei der drei Phasenwicklungen wird ersichtlich durch nähere Betrachtungen der drei beispeilsweise gewählten Zeiger diagramme der Fig. 15a, 15b, und 15c.
Diese Diagramme können jedes als Schnitt durch eine Dreiphasenwicklung in einer Ebene senkrecht zur Achse aufgefasst werden. Der Umfang des Kreises in jedem Diagramm verkörpert den Umfang der Dreipha- senwicklung. Die Phasenbänder, welche Leiter enthal ten, .die sich durch die Ebene des Diagramms hindurch erstrecken, sind in jedem Falle gekennzeichnet.
Für alle diese Diagramme ist die elektrische Phasen folge A, B, C. Demgemäss ist, wie dargestellt, die Phasenbandfolge +A, -C, +B, A, +C, -B. In jedem Diagramm sind drei Punkte, jeder am Anfang eines Phasenbandes und in gegenseitigen geometrischen Win kelabständen von 120 , bezogen auf die Wicklungs achse, mit X, Y und Z bezeichnet.
Fig. 15a zeigt eine Dreiphasenwicklung, bei der jede der drei Phasenwicklungen ohne Modulation 6 Pole lie fert und somit ein Beispiel einer Wicklung mit einer Pol, zahl des unmodulierten Feldes von (3 n) Polpaaren dar stellt.
Wenn alle Phasenwicklungen gemäss einer Modula- tionsfunktion von einer Periode für den ganzen Wick lungsumfang umgeschaltet werden, sind die neu erzeug ten Polpaarzahlen (3 n-1) und (3 n + 1).
Befolgt man in diesem Falle die oben aufgestellte Regel für die Phasenversetzung dass die drei periodi schen Funktionen (Modulationswellen), gemäss welchen die Spulen der drei Phasenwicklungen umgeschaltet werden, über den Wicklungsumfang im Winkelabstand von 120 zur Unterdrückung .der niedrigeren Zahl von (3 n -1) Polpaaren in der Reihenfolge A, B, C, zur Un terdrückung der höheren Zahl von (3 n + 1) Polpaaren dagegen in .der Reihenfolge A, C, B gegeneinander ver setzt sein müssen, so zeigt nun Fig. 15a, dass für diese Form der Wicklung die im genannten Winkelabstand voneinander befindlichen Punkte X,
Y und Z stets auf die Phase A fallen.
Bezüglich der Phasenwicklungen der Phasen B und C kann also weder die eine noch die andere der der oben erwähnten Regel entsprechenden Folgen der auf die Punkte X, Y und Z fallenden Phasen erhalten wer den.
Die vorliegende Erfindungsaufgabe kann nun klar erkannt werden. Die Phasenabstandsregel für die Unter drückung einer unerwünschten Zahl von Polpaaren wird erfüllt, wenn die drei Polamplitudenmodulationswellen, die den drei Phasenwicklungen aufgeprägt werden, im geometrischen Sinne um Winkel von je 120 gegenein ander versetzt sind, und zwar in der angegebenen Folge A, B, C bzw. A, C, B.
Für eine der drei Phasenwicklungen, z. B. die Phasenwicklung A, ergeben sich keine Schwierigkeiten. Dagegen stellt sich für die Phasenwicklungen B und C die Aufgabe, die Modulationswellen an Punkten des Wicklungsumfanges anzusetzen, die nicht durch Phasen bänder der entsprechenden Phasenwicklung besetzt sind.
Es sei nun die nächste Fig. 15b betrachtet. Dieses Diagramm zeigt eine Dreiphasenwicklung, die ohne Modulation 8 Pole liefert und somit ein Beispiel einer Wicklungsform mit einer Polzahl der unmodulierten Welle von (3 n + 1) Polpaaren bildet. Die beiden durch Modulation mit einer Polamplitudenmodulationswelle von einer Periode erzeugten Polzahlen sind (3 n) Pol paare und (3 n + 2) Polpaare.
Die Phasenfolge an den Punkten X, Y, Z ist A, B, C. Diese Folge entspricht der Versetzungsregel zur Unter- drückung der niedrigeren Polzahl von (3 n) Polpaaren.
Die Unterdrückung dieser niedrigeren Polzahl, wel che wie ersichtlich, gleich drei Polpaaren oder einem Vielfachen davon ist, kann durch das Verfahren der symmetrischen Polamplitudenmodulation bewirkt wer den.
Die Unterdrückung der höheren Polzahl von (3 n + 2) Polpaaren, so dass die niedrigere Polzahl von (3 n) Polpaaren als Arbeitspolzahl verbleibt, kann in noch zu erläuternder Weise herbeigeführt werden.
Der dritte Fall ist in Fig. 15c dargestellt.
Dieses Diagramm zeigt eine Dreiphasenwicklung, die ohne Modulation 10 Pole liefert und somit ein Beispiel einer Wicklungsform mit einer Polzahl der unmodu- lierten Welle von (3 n + 2) Polpaaren. Die zwei durch Polzahlen, die durch Modulation mit einer Polamplitu- denmodulationswelle von einer Periode erzeugt werden, sind (3 n + 1) Polpaare und (3 n + 3) Polpaare.
Die Phasenfolge an den Punkten X, Y, Z ist A, C, B. Diese Folge entspricht der Verschiebungsregel zur Un terdrückung der höheren Polzahl von (3 n + 3) Polpaa ren.
Die Unterdrückung dieser höheren Polzahl, welche wie wiederum ersichtlich, gleich drei Polpaaren oder einem Vielfachen davon ist, kann durch das Verfahren der symmetrischen Polamplitudenmodulation bewirkt werden.
Die Untererückung der niedrigeren Polzahl (3 n+1) Polpaaren, so dass die Polzahl von (3 n + 3) Polpaaren als Arbeitspolzahl übrigbleibt, kann in noch zu erläu ternder Weise bewirkt werden.
Demgemäss ist die Maschine nach der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Schaltung bei zwei der drei Phasenwicklungen ein Teil der Spulen der betreffenden Wicklung derart umge schaltet ist, dass die von ihnen erzeugte Magnetfeldkom ponente mittels einer ersten periodischen Funktion von M Zyklen des Raumwinkels verändert ist, und der rest liche Teil der Spulen dieser Wicklung derart, dass die von ihnen .erzeugte Magnetfeldkomponente mittels einer zweiten, in bezug auf die erste um eine Polteilung ent sprechend der ersten Polpaarzahl (P) phasenversetzten periodischen Funktion des Raumwinkels verändert ist.
Für dieses Verfahren der sogenannten Pol.amplitu- denmodulation wird die Bezeichnung asymmetrische Polamplitudenmodulation vorgeschlagen.
Nachstehend werden nunmehr eine Anzahl Ausfüh rungsbeispiele anhand der Zeichnungen im einzelnen be schrieben.
Es zeigen: Fig. 1 ein vereinfachtes Ankernutwicklungsschema einer Dreiphasen-4-Polmaschine, deren Anker 36 Nuten aufweist, wobei die Polamplitude .der drei Phasenwick- lungen zur Umwandlung in eine 6 Polmaschine modu- lierbar ist;
die Figur zeigt nur die obere Lage der Wick lung, Fig. 2 das vollständige Ankerunutwicklungsschema, entsprechend Fig. 1, Fig. 3 ein Wicklungsschema, welches die Anzahl der Windungen, die Nutenlage und die gegenseitigen Ver bindungen der drei Phasenwicklungen der Maschine nach Fig. 1 angibt, Fig. 4 ein Schaltschema der Phasenwicklungen ohne Modulation in 4-Pol-Serie-Parallel-Sternschaltung, Fig. 5 ein Schaltschema der Phasenwicklungen mit Modulation in 6-Pol-Serie-Sternschaltung,
Fig. 6a bis 6e Diagramme der magnetomotorischen Kraft zur Erläuterung der Arbeitsweise der Maschine nach Fig. 1, Fig.7 ein vereinfachtes Ankernutwicklungsschema einer Dreiphasen-6-Polmaschine, deren Anker 36 Nuten aufweist, wobei die Polamplitude der drei Phasenwick lungen zur Umwandlung in eine 8-polige Maschine modulierbar ist.
Die Figur zeigt nur die obere Lage der Wicklung, Fig.8 das vollständige Ankernutwicklungsschema entsprechend der Fig. 7, Fig. 9 ein Wicklungsschema, welches die Anzahl der Windungen, die Lage der Nuten und die gegenseitigen Verbindungen .der drei Phasenwicklungen der Maschine nach Fig. 7 angibt, Fig.10 ein Schaltschema der Phasenwicklungen ohne Modulation in 6-Pol-Serie-Parallel-Sternschaltung,
Fig. 11 ein Schaltschema der Phasenwicklungen mit Modulation in 8-Pol-Serie-Sternschaltung, Fig. 12a-12e Diagramme der magnetomotorischen Kraft zur Erläuterung der Arbeitsweise der Maschine nach Fig. 7, Fig. 13 ein vollständiges Ankernutwicklungsschema gleicher Art wie das Schema der Fig. 8 und ebenfalls entsprechend der Fig.7 für eine ähnliche 6-Polma- schine,
jedoch mit anderer Schaltung der Spulen der Dreiphasenwicklung im Zustand mit Modulation der Polamplitude, Fig. 14A das Diagramm der magnetomotorischen Kraft einer 10-Pol-Gleichstrom-Erregerwicklung für eine Synchronmaschine, Fig. 14B das Diagramm der magnetomotorischen Kraft der Gleichstromwicklung nach Fig. 14A, nach einem ersten an sich bekannten und nicht der Erfindung entsprechenden Verfahren abgewandelt, um 8 Pole zu erzielen,
Fig. 14C das Diagramm der magnetornotorischen Kraft der Gleichstromwicklung nach Fig. 14A nach einem zweiten an sich bekannten und nicht der Erfin dung entsprechenden Verfahren abgewandelt, um 8 Pole zu erzielen, Fig. 15a-15c stellen schematisch die Phasenband verteilung bei einer 6-, einer 8- und einer 10-poligen Dreiphasenwicklung dar.
Fig. 1 (a) ist ein vereinfachtes Wicklungsschema, das die obere Lage T eines polumschaltbaren Induktions motors zeigt, dessen Entwurf sich auf einen Dreipha sen-, Vierpol-Motor bezieht, dessen drei Phasenwick lungen auf einen Anker mit 36 Nuten gewickelt sind, drei Spulen pro Gruppe, in zwei Lagen gewickelt mit einem Spulenschritt von 6 Nuten, was eine Polteilung von 9 Nuten mit 60 Ausbreitung ergibt. Gemäss einer Variante könnte der Spulenschritt 5 Nuten betragen.
Jede vollständige Spule der Vierpolmaschine enthät n Windungen; der Buchstabe n bezeichnet auch in Fig. 3 die Windungszahl.
Es sei bemerkt, dass Fig. la grundsätzlich der bereits besprochenen Anordnung nach Fig. 15c entspricht. Eine Polamplituden-Modulationswelle mit einer einzigen Periode erlaubt, Polzahlen von zwei Polen und sechs Polen zu erzeugen.
In Fig. 1 gibt die oberste Reihe von Zahlen die Nutennummern des Ankers mit 36 Nuten an. Die dritte Reihe zeigt bei X, Y und Z mit Wiederholung des Punk tes X bei X' die gewünschten Anfänge des Modulations- musters der magnetomotofischen Kraft aller drei Phasenwicklungen A, B und C. Die zweite Reihe zeigt bei Q den Anfang des Modulationsmusters für die Phasenwicklung A; er stimmt mit dem gewünschten An fangspunkt X überein.
Die Anfangspunkte jeder der bei den Modulationsmuster-Komponenten für jede der Phasenwicklungen B und C sind in bezug auf die gefor derten Punkte Y und Z verschoben und hinsichtlich einer Komponente mit 2/3 Amplitude bei R und hin sichtlich einer Komponente von 1/3 Amplitude bei S angeordnet. Diese Komponenten R und S geben eine resultierende Wirkung, als ob die Anfänge im idealen Punkt Y für die Phasenwicklung B und im idealen Punkt Z für die Phasenwicklung C wären. Die nächste Reihe (a) zeigt die unmodulierten Phasenbänder.
Die nächsten fünf Reihen zeigen die drei Phasen-Wicklungen bei Modulation wie folgt: (b) - Vollständige Phasenwicklung A (c) - 1/3 der Phasenwicklung B (d) - 2/3 der Phasenwicklung B (e) - 1/3 der Phasenwicklung C (f) - 2/3 der Phasenwicklung C Die Reihe (g) entspricht der Reihe (a) und zeigt die Phasenbänder nach der Modulation und die Reihe (h) zeigt die einzelnen Spulen nach der Modulation.
Aus dieser Figur isst ersichtlich, dass die Verteilung der Spulen jeder Phasenwicklung auf die einzelnen Spu- lengruppen beider Ausgangsschaltung ohne Modulation die folgende ist: +3+3+3+3 wobei jede Zahl die Anzahl Spulen bzw. Nuten pro Gruppe und das Vorzeichen die Stromrichtung in den betreffenden Spulen bezeichnet.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Vorwärts-Leiter der ersten Spule der ersten Gruppe der Phasenwicklung A im Oberteil T der Nut 1 und die Rückleiter der glei chen Spule im Unterteil, (B) der Nut 7 angeordnet. Die Vorwärtsleiter der zweiten und dritten Spule sind im Oberteil der Nuten 2 und 3 und die Rückleiter im Un terteil der Nuten 8 und 9 angeordnet.
Bei einer nur für Vierpol-Betrieb vorgesehenen Maschine wäre der ganze Anker auf gleiche Weise gewickelt, wobei die Oberteile der Nuten 4, 5 und 6 Rückleiter der Phasenwicklung C und der Unterteil der Nuten 10, 11 und 12 Vorwärtslei ter enthalten würden; die Oberteile der Nuten 7, 8 und 9 und die Unterteile der Nuten 13, 14 und 15 würden drei Spulen der Phasenwicklung B usw. enthalten.
Mit der vorstehend benutzten Bezeichnung kann die Verteilung der Spulen einer Phasenwicklung der grund legenden Maschine so dargestellt werden: +3+3+3-I-3 Nun ist aber die Phasenwicklung A der Maschine der Fig. 1 so ausgebildet, dass sie wahlweise als eine wie vorstehend dargestellte Wicklung benutzt oder in einen Modulationszustand umgeschaltet werden kann, der wie folgt dargestellt wird:
+3+3-3-3 Hierzu ist, wie in Fig. 3 gezeigt ist, die Phasenwick lung in drei Teilen angeordnet, welche zwischen Klem men 20 und 21, zwischen Klemmen 21 und 23 und zwi schen Klemmen 21 und 22 angeschlossen sind. Die Spu len in .dem zwischen den Klemmen 20 und 21 und zwi schen den Klemmen 21 und 23 angeschlossenem Wick lungsteil hab. -n die ganze Anzahl von n Windungen. Die zwischen den Klemmen 21 und 22 angeschlossenen Spulen sind mit der halben Anzahl Windungen, d. h.
EMI0005.0075
Windungen, mit Draht von zwei Mal der Querschnitts fläche der andern Spulen der Phasenwicklung A gewik- kelt.
In der Vierpol-Schaltung sind die drei Wicklungs teile in Serie - parallel als eine Sternschaltung zwischen der Phasenleitung A und dem Sternmittelpunkt - ge schaltet, wobei die Wicklungsteile zwischen Klemmen 22, 21 und Klemmen 21, 23 in Serie und die Wicklungs teile zwischen den Klemmen 21, 23 und den Klemmen 21, 20 parallel geschaltet sind, während die Klemme 22 mit der Phasenleitung A und .die Klemme 23 mit dem Sternmittelpunkt verbunden ist, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Die Phasenwicklungen B und C sind gleich angeordnet.
Inder Sechspol-Schaltung sind die zwei Wicklungs teile zwischen Klemmen 20; 21 und Klemmen 21, 23 in Serie als eine Phase einer in Stern geschalteten Wick lung angeschlossen, wobei die Klemme 20 mit der Phasenleitung A verbunden ist und die Klemme 23 den Sternmittelpunkt bildet, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Bei die ser Anordnung ist die Klemme 22 nicht angeschlossen und der Wicklungsteil zwischen den Klemmen 21, 22 wird nicht benutzt. Die Phasenwicklungen B und C sind gleich angeordnet.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass wenn ein symmetri sches Modulationsmuster auf die Phasenwicklung B an gewendet würde, die entsprechende Mo.dulationswelle im Punkt Y bei der Nut 13 anfangen müsste, welche Nut um 120 räumlich auf dem Anker verschoben ist, und die Modulation der Phasenwicklung C müsste im Punkt Z bei der Nut 25 anfangen, welche um weitere 120 auf dem Anker verschoben ist, wie durch die Pfeile Y und Z in Fig. 1 gezeigt ist. Tatsächlich erscheinen Spulen der Phasenwicklungen C und Bin den Nuten 13 bzw. 25.
Nur für die Phasenwicklung A kann Ader tatsächliche Anfang Q mit der erforderlichen Stelle X übereinstim men.
Da die Nutennumerierung willkürlich gewählt ist, ist klar, dass die Phasenwicklung A irgend eine Phasen wicklung ist, die am Anfang .des Entwurfs der Maschine gewählt wird.
Das erforderliche Resultat, dass der Anfang der Polamplituden-Modulationswelle für die Phasenwick lung Bin den Punkt Y an der Nut 13 zu liegen kommt, wird dadurch erreicht, dass diese Phasenwicklung B ge- mäss zwei Modulationswellenkomponenten umgeschal tet wird, deren Anfangspunkte um eine Polteilung ge geneinander versetzt sind. Gemäss der ersten Modula- tionswellenkomponente wird ein Drittel der Windungen jedes Phasenbandes der Phasenwicklung B umgeschal tet; diese Welle hat ihren Anfang im Punkt S, bei der Nut 7.
Gemäss der zweiten Modulationswellenkompo- nente werden zwei Drittel der Windungen jedes Phasen bandes der Phasenwicklung B umgeschaltet, und diese Welle hat ihren Anfang im Punkt R der Fig. 1, bei der Nut 16.
Jedes Phasenband der Phasenwicklung B wird im Effekt gemäss der Resultierenden der beiden Modula- tionswellenkomponenten umgeschaltet. Wenn somit am Orte des betreffenden Phasenbandes die beiden Modula- tionswellenkomponenten positive Werte zeigen, bleiben in diesem Phasenband die Zahl der vom Strom durch- flossenen Leiter und die Richtung des Stromes unverän dert. Zeigen beide Komponenten negative Werte, so wird die Stromrichtung im ganzen Phasenband umge kehrt.
Zeigt die erste Komponente einen negativen, die zweite einen positiven Wert, so wird in einem Drittel der Leiter des Phasenbandes der Strom umgekehrt, in zwei Dritteln unverändert gelassen, was elektrisch dieselbe Wirkung hat, wie wenn ein Drittel unverändert bliebe und zwei Drittel ausgeschaltet würden. In beiden Fällen bleibt der Sinn der magnetomotorischen Kraft unverän dert, aber ihre Grösse wird auf ein Drittel vermindert.
Zeigt schliesslich die erste Modulationswellenkompo- nente am Orte des betrachteten Phasenbandes einen positiven, die zweite einen negativen Wert, so wird die vom Phasenband erzeugte magnetomotorische Kraft auf ein Drittel vermindert und ihr Sinn wird umgekehrt. Wie später mit Bezug auf Fig. 6 erläutert werden wird, ist die Resultierende der beiden Modulationswellenkompen- ten eine Modulationswelle für die magnetomotorische Kraft, deren Anfang praktisch im geforderten Punkt Y, bei der Nut 13 liegt.
In gleicher Weise wird das erforderliche Resultat, dass der Anfang der Polamplitudenmo.dulationswelle für die Phasenwicklung C in den Punkt Z bei der Nut 25 zu liegen kommt, dadurch erreicht, dass diese Phasenwick lung C gemäss zwei Modulationswellenkomponenten umgeschaltet wird, deren Anfangspunkte um eine Pol teilung gegeneinander versetzt sind. Gemäss der ersten Modulationswellenkomponente werden nominelle zwei Drittel der Windungen jedes Phasenbandes umgeschal tet; diese Welle hat ihren Anfang im Punkt R bei der Nut 22.
Gemäss der zweiten Modulations.wellenkompo- nente wird ein nominelles Drittel der Windungen jedes Phasenbandes der Phasenwicklung C umgeschaltet, und diese Welle hat ihren Anfang im Punkt S, beider Nut 31. Die Phasenwicklung C wird damit im Effekt gemäss der Resultierenden beider Modulationswellenkompo- nenten umgeschaltet. Diese resultierende Modulations- welle hat ihren Anfang praktisch im Punkt Z, bei der Nut 25.
Somit wird die Polamplitudenmodulation der von den Phasenwicklungen B und C erzeugten magnetomo- torischen Kraft mit Hilfe von zwei Modulationswellen- komponenten von ungleicher Grösse bewirkt, die asym metrisch nach je einer Seite der erforderlichen Winkel lage verschoben sind.
Die theoretische Grundlage und allgemeine Anwen dung dieses Verfahrens der asymmetrischen Modulation wird später besprochen. So weit es die vorliegende prak tische Ausführungsform betrifft, sind die resultierenden Diagramme der magnetomotorischen Kraft für die Phasenwicklung Bin Fig. 6a bis 6e gezeigt.
In den Fig. 6a bis 6v sind die Zahlen am Kopf der Diagramme die Nummern der 36 Nuten des Ankers und geben somit geometrische Winkellagen um den Anker herum für alle fünf Diagramme an. Wie in den anderen Figuren wird .die Nut 1 willkürlich als der Anfang der Phasenwicklung A gewählt und auch als Anfang der auf die Phasenwicklung A angewendeten Modulationswelle.
Fig. 6a zeigt das etwas idealisierte Wellendiagramm der magnetomotorischen Kraft für die Phase B der 4-Pol-Maschme, ohne Modulation.
Fig.6b zeigt eine nicht verwendbare einperiodige Polamplituden-Modulationswelle, die gleich verläuft wie die auf die Phasenwicklung A anzuwendende, aber in bezu,g auf diese räumlich um einen Winkel von 120 um den Anker versetzt ist, so dass ihr Ursprung mit dem Punkt Y, bei der Nut 13, übereinstimmt; das ist die er forderliche Lage für die Anwendung auf Phasenwick lung B. Die gestrichelte Linie zeigt die sinusförmige Kurve, welcher sich die Modulationswelle annähert.
Fig. 6c zeigt die erste Komponente der Modulations- welle für die Phasenwicklung B. Gegenüber der Modu- lationswelle nach Fig. 6b eilt sie um
EMI0006.0083
nach, so dass ihr Anfang mit dem Punkt R bei der Nut 16 übereinstimmt, wobei sie auf S.pulenteile mit
EMI0006.0085
Windungen angewendet wird.
Fig. 6d zeigt die zweite Komponente der Modula- tionswelle; sie eilt um
EMI0006.0089
vor, so dass ihr Anfang mit dem Punkt S bei der Nut 7 übereinstimmt, wo sie auf Spulenteile mit
EMI0007.0002
Windungen angewendet wird.
Fig.6e zeigt die Resultierende der asymmetrisch verschobenen Modulationswellenkomponenten der Fig. 6c und Fig. 6d, welche Resultierende folglich von asymmetrischer Form in bezug auf die Nut 13 ist. Die gestrichelte Linie stellt :die sinusförmige Kurve dar, wel che das Diagramm der magnetomotorischen Kraft der Fig. 6e angenähert darstellt, und es ist zu beachten, dass der Anfang der gestrichelten Kurve, wie verlangt, mit dem Punkt Y bei der Nut 13 genau übereinstimmt.
Die zwei einperiodigen Modulationswellenkompo- nenten, gemäss welchen die Phasenwicklung C umge schaltet wird, und ihre Resultierende können durch glei che Diagramme gezeigt werden.
Das vier Pole zeigende Diagramm der magnetomo- torischen Kraft für die Phase C ist in gleicher Weise ge genüber demjenigen für die Phase A und für die Phase B um 120 (elektrisch) versetzt. Der Anfang der resul tierenden Modulationswelle für die Phasenwicklung C soll sich im Punkt Z bei der Nut 25 befinden und gegen über den Punkten X und Y um 120 (geometrisch) ver setzt sein. Die Modulationswellenkomponente mit 2/3 der Amplitude der magnetomotorischen Kraft hat ihren Anfang im Punkt R bei Nut 22, und die Komponente mit 1/3 der Amplitude hat ihren Anfang im Punkt S bei Nut 31.
Die resultierende Modulationswelle ist gleich wie diejenige nach Fig. 6e aber umgekehrt, und die ihr entsprechende Sinuskurve hat ihren Anfang, wie erfor derlich, im Punkt Z bei Nut 25.
Die Wirkung .der Anwendung dieser Modulations- wellen auf die Verteilung der durch die Phasenwicklun gen A, B und C erzeugten magnetomotorischen Kraft ist aus den Teilfiguren (b), (c), (d), (e) und (f) in Fig. 1 er sichtlich, wobei die resultierenden Phasenbänder bei (g) in diesen Figuren angedeutet sind. Von den vier Phasen bändern jeder Phasenwicklung wird eines unverändert gelassen, und eines wird vollständig umgekehrt; eines wird unverändert in der Richtung gelassen, jedoch auf ein Drittel seiner ursprünglichen Grösse verkleinert und eines ist sowohl in der Richtung umgekehrt als auch in der Grösse gleich verkleinert.
Um die Amplitude der magnetomotorischen Kraft der Phasenwicklung A um den gleichen Betrag zu redu zieren, wie die Amplitude der anderen Phasenwicklun gen B und C unfreiwillig herabgesetzt worden ist, sind auch von der Phasenwicklung A vier Spulen ausgeschal tet worden. Jedes ausgeschaltete Paar Spulen muss sym metrisch zum Mittelpunkt einer Phasenwicklungshälfte liegen, damit der Anfang der Modulationswelle für die Phase A nicht verschoben wird.
Die Spulen, die in zwei Phasenbändern jeder der Phasenwicklungen B und C für die Ausschaltung ge wählt sind, um die Amplitude der von diesen Phasen bändern erzeugten magnetomotorischen Kraft auf ein Drittel herabzusetzen, und die Spulen, die in der Phasenwicklung A für die Ausschaltung zwecks Herab setzung .der magnetomotorischen Kraft gewählt sind, sind bei (h) in Fig. 1 angegeben. Die Auswahl erfolgte nach Aufzeichnen des Vektordiagramms für die Wick- lung in solcher Weise, dass eine ausgeglichene resultie rende Wicklung erhalten wird.
Die Fachleute werden nach Betrachtung des Vektordiagramms der Wicklung stets imstande sein, zu bestimmten, welche Spulen bei der Modulation in den Phasenbändern auszuschalten sind.
Fig. 1 (h) gibt vollständig an, welche Spulen auszu schalten sind und in welchen bei Modulation die Strom richtung umgekehrt wird. Die sich ergebende Wicklung ist in Fig. 2 gezeigt, wobei ein Spulenschritt von 2/s der Polteilung für 4 Pole gewählt wurde. Dies ergibt ein Verhältnis der Flussdichten (B4/B6) ohne bzw. mit Modulation von 0,90.
Alternativ kann ein Spulenschritt von 5/9 der Poltei lung gewählt werden, welcher einen niedrigeren mittleren Sehnenfaktor, jedoch :einen Wert von 0,985 für (B,/B,) ergibt. Fig. 3 zeigt die Wicklungsanschlüsse, und Fig. 2 und 3 zusammen enthalten alle Angaben für diese be sondere Ausführungsform des Prinzips der asymmetri schen Pol-Amplituden-Modulation an.
Die Spulen sind im modulierten (6-Pol) Zustand so angeschlossen, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Im normalen, in Fig.4 gezeigten (4-Pol) Zustand werden die vom Strom in umgekehrter Richtung durchflossenen Spulen für die ursprüngliche Stromrichtung zurückgeschaltet,
indem die zwei Hälften der Wicklung parallel geschaltet und die ausgeschalteten Spulen sind-in Serie mit den zwei Hälften geschaltet.
Beim Entwurf des beschriebenen Beispiels wird die Windungszahl n für eine Dreiphasen-50 Perioden- Stromquelle durch normale Verfahren berechnet.
Die wahlweise benutzbaren Motordrehzahlen werden dann 1500 Umdrehungen pro Min. im 4-Pol-Zustand und 1000 Umdrehungen pro Min. im 6-Pol-Zustand. Es kann gezeigt werden, dass die Flussdichte im Luftspalt bei 4-Pol-Anschluss 10,0 % geringer ist als beim 6-Pol-Anschluss. Aus diesem Grund ist es erwünscht, die Maschine für eine Spannung zu wickeln, welche etwas über der Netzspannung liegt, so dass sie im 4-Pol- Zustand etwas untererregt ist.
Gleiche Massnahmen gestatten, die gleichen allge meinen Prinzipien auf irgend eine andere Polzahl-Kom- bination von P Polpaaren und (P M) Polpaaren an zuwenden, wo M gewöhnlich 1, seltener 2 oder 3 ist. Der schwierigste Fall ist die 4/6-Pol-Wicklung, welche vorstehend betrachtet ist. Grössere Polzahlen ergeben einen einfacheren Entwurf.
Fig. 7 bis 13 zeigen als zweites Ausführungsbeispiel eine Maschine mit asymmetrischer Polamplitudenmodu- lation, bei welchem die Polzahl ohne Modulation drei Polpaare beträgt. Die Wicklung ist daher grundsätzlich gemäss Fig. 15a ausgebildet. Die Erzielung entweder einer höheren oder einer niedrigeren Zahl von Polen erfordert eine asymmetrische Modulation der Polampli tude. Im gewählten Ausführungsbeispiel liefert eine Polamplitu:denmodulationswelle mit nur einer Periode neue Polzahlen von 4 und B.
Die niedrigere durch die Modulation erhaltene Polzahl wird unterdrückt, so dass die höhere als Arbeitspolzahl verbleibt. Nach der oben gegebenen Regel für die Phasenversetzung ist die Phasenfolge an den in geometrischen Winkelabständen von 120 angeordneten Bezugspunkten X, Y und Z gleich A, B, C.
Fig.7 ist ein vereinfachtes Wicklungsdiagramm, welches die obere Lage (T) eines Polumschaltungs-In- duktionsmotors zeigt, dessen Entwurf sich auf den eines sechspoligen Dreiphasenmotors stützt, dessen Dreipha- senwicklung auf einen Anker mit 36 Nuten mit 2 Spulen pro Gruppe, in zwei Lagen mit einem Spulenschritt von 4 Nuten gewickelt ist, was eine Polteilung von 6 Nuten mit 60 Ausbreitung ergibt.
Jede vollständige Spule der 6-Pol-Maschine enthält n Windungen, und die Zahl n erscheint in Fig. 8, 9 und 12 in der Angabe der Zahl der Windungen der geänderten Wicklungen.
Wie in Fig. 7 und 8 gezeigt ist, sind die Vorwärtslei ter der ersten Spule der ersten Gruppe der Phasenwick lung A im oberen Teil (T) der Nut 1 angeordnet und die Rückleiter der gleichen Spule im Unterteil (B) der Nut 5. Die Vorwärtsleiter der zweiten Spule sind im Oberteil der Nut 2 und die Rückleiter im Unterteil der Nut 6 an geordnet.
Bei .der nur für 6-Pol-Betrieb vorgesehenen Maschine würde der ganze Anker auf die gleiche Weise gewickelt, wobei die Oberteile der Nuten 3 und 4 Rück leiter der Phasenwicklung C und die Unterteile der Nuten 7 und 8 ,die Vorwärtsleiter enthalten, während die Oberteile der Nuten 5 und 6 und die Unterteile der Nuten 9 und 10 zwei Spulen der Phasenwicklung B ent halten würden und so weiter.
Mit der früher benutzten Bezeichnung kann eine Phasenwicklung dieser Maschine so .dargestellt werden: +2+2+2+2+2+2 Jedoch ist die Phasenwicklung A der Maschine der Fig. 7 so ausgebildet, dass sie als vorstehend dargestellte Wicklung benutzt oder in einen modulierten Zustand umgeschaltet werden kann, der so dargestellt ist:
+0.1+2+1.0-0.1-2-1.0 Hierzu ist die Phasenwicklung, wie in Fig. 9, 10 und I l<I>gezeigt,</I> in :drei Teilen angeordnet, welche zwischen Klemmen 20 und 21, zwischen Klemmen 21 und 23 und zwischen Klemmen 21 und 22 angeschlossen sind. Die Spulen in dem zwischen Klemmen 20 und 21 und zwi schen Klemmen 21 und 23 angeschlossenen Wicklungs teil haben alle die volle Zahl von n Windungen. Die zwischen Klemmen 21 und 22 angeschlossenen Spulen sind mit der halben Zahl von Windungen, d. h.
EMI0008.0026
Windungen, eines Drahtes von zweimal dem Querschnitt der übrigen Spulen der Phasenwicklung A gewickelt.
Beim 6-Pol-Anschluss gemäss Fig. 10 sind die drei Wicklungsteile in Serie-Parallel-Sternschaltung zwischen der A-Phasenleitung und .dem Stern-Mittelpunkt ge schaltet, wobei die Wicklungsteile zwischen den Klem men 22, 21 und Klemmen 21, 23 in Serie und die Wick lungsteile zwischen den Klemmen 21, 23 und den Klem men 21, 20 parallel sind, während die Klemme 22 mit der A-PhasenLitung verbunden und die Klemme 23 der Sternmittelpunkt ist.
Beim 8-Pol-Anschluss gemäss Fig. 11 sind die zwei Wicklungsteile zwischen Klemmen 20, 21 und Klemmen 21, 23 in Serie als eine Phase einer in Stern geschalteten Wicklung angeschlossen, wobei die Klemme 20 an die A-Phasenleitung angeschlossen ist und die Klemme 23 den Sternmittelpunkt bildet, wie in Fig. 11 gezeigt ist. Bei dieser Anordnung ist ,die Klemme 22 nicht ange schlossen und der Wicklungsteil zwischen Klemmen 21, 22 wird nicht benutzt.
Es ist zu beachten, dass bei einer, und nur einer, der drei Phasenwicklungen, eine symmetrische Polamplitu- denmodulationswelle anwendbar ist. Diese symmetrische Modulationswelle wird bei der Phasenwicklung A ange wendet. Ihr Anfang befindet sich im Punkt Q, der mit dem Punkt X bei der Nut 1 zusammenfällt. Wie aus Fig. 8 und 9 ersichtlich ist, wird die Spule der Phasen wicklung A, die im Oberteil der Nut 1 und dem Unter teil der Nut 5 enthalten ist, im modulierten Zustand ganz abgeschaltet.
In Fig. 7 wird diese Spule nur durch ihren oberen Teil in Nut 1 dargestellt, und aus diesem Grund sind die Modulationsmusteranfänge aller Phasen am deutlichsten im vereinfachten Diagramm der Fig. 7 ge zeigt.
Der Anfang der Modulationswelle gemäss welcher die Phasenwicklung B umzuschalten ist, sollte im Punkt Y bei der Nut 13 liegen, welche Nut gegenüber der Nut 1 um 120 räumlich um den Anker versetzt ist, und die Modulationswelleder Phasenwicklung C sollte im Punkt Z bei der Nut 25 beginnen, welche weitere 120 um den Anker versetzt ist, wie durch die Pfeile P in Fig. 7 ge zeigt. Tatsächlich erscheinen weitere Spulen der Phasenwicklung A in den Nuten 13 und 25. Nur der Anfang Q der Phasenwicklung A kann mit der erforder lichen Lage X bei der Nut 1 übereinstimmen.
Da die Nuten-Numerierung willkürlich ist, ist klar, dass die Phasenwicklung A irgendeine zu Beginn des Entwurfes der Maschine gewählte Phasenwicklung sein kann.
Die Aufgabe, den Anfang der Modulationswelle der Phasenwicklung B an den Punkt Y bei -der Nut 13 zu bringen wird dadurch gelöst, dass die Phasenwicklung gemäss zwei Modulationswellenkomponenten umge schaltet wird. Die erste Komponente wird auf zwei Drit tel der Leiter jedes Phasenbandes angewendet und hat die in Fig. 12c gezeigte Form; ihr Anfang ist in R bei der Nut 11. Die zweite Komponente wird auf ein Drittel der Leiter jedes Phasenbandes angewendet und hat die in Fig. 12d gezeigte Form; ihr Anfang befindet sich im Punkt S bei der Nut 17.
Wie im vorstehend beschriebe nen ersten Ausführungsbeispiel sind die beiden Modula- tionswellenkomponenten für die Phase B gegeneinander versetzt und ihre Amplitude ist so bemessen, dass sie eine resultierende Modulationswelle gemäss Fig. 12 er geben, deren Anfang annähernd im Punkt Y bei der Nut 13 liegt.
In gleicher Weise wird die Aufgabe, den Anfang der Modulationswelle für ;die Phasenwicklung C nach dem Punkt Z bei der Nut 25 zu bringen, dadurch gelöst, dass diese Phasenwicklung gemäss zwei Modulationswellen- komponenten umgeschaltet wird, die auf ein Drittel bzw. zwei Drittel der Leiter jedes Phasenbandes angewendet werden und deren Anfänge in den Punkten S (Nut 21) bzw. R (Nut 27) liegen. Ihre Resultierende ist eine Modulationswelle,deren Anfang annähernd im Punkt Z bei der Nut 25 liegt.
Bei diesem Beispiel liegt für die Phasenwicklung B die Nut 11 um 1/, einer Polteilung
EMI0008.0082
räumlich gemessen am Modulationszyklus, vor der er forderlichen Lage bei Nut 13 am Ankerumfang. Nut 17 liegt um 2/g einer Polteilung
EMI0008.0087
räumlich gemessen am Modulationszyklus, hinter der geforderten Lage.
In gleicher Weise liegt für die Phasenwicklung C die Nut 21 um
EMI0009.0005
vor und die Nut 27
EMI0009.0006
hinter der geforderten Lage.
Um die Anfänge der resultierenden Modulationswel- len der Wellenform der magnetomotorischen Kraft der Phasenwicklungen B und C mit den Punkten Y bzw.
Z in übereinstimmung zu bringen, werden die Spulen der Phasenwicklungen B und C so betrachtet, als ob sie aus zwei Teilen bestünden, einem solchen von
EMI0009.0013
Windungen und einem anderen von
EMI0009.0014
Windungen, wo n die ganze Anzahl der im Betrieb ohne Modulation wirksamen Windungen der erwähnten Spu len ist. Die gleiche esnperiodige Modulationswelle, wie sie auf die Phasenwicklungen A angewendet wurde, wird dann auf die Phasenwicklung B angewendet, be ginnend am Punkt R bei Nut 11 und am Punkt S bei Nut 17, und zwar für .den Punkt von geringerer Ver schiebung, d. h.
Punkt R auf den Teil mit
EMI0009.0019
Windungen der Spule und für den Punkt von grösserer Verschiebung"d. h. Punkt S auf den Teil mit
EMI0009.0021
Windungen der Spule.
In gleicher Weise wird für die Phasenwicklung C die gleiche einperiodeige Modulationswelle gemäss der glei chen Regel angewendet, nämlich hinsichtlich des Teiles mit
EMI0009.0027
Windungen der Spule beginnend am Punkt S bei Nut 21 und hinsichtlich des Teiles mit
EMI0009.0028
Windungen der Spule beginnend am Punkt R bei Nut 27.
Somit wird die Modulation .der Phasenwicklungen B und C gemäss zwei Modulationswellenkomponenten von ungleicher Amplitude bewirkt, deren Anfänge asymme trisch je nach einer Seite ,der erforderlichen Winkellage Y und Z versetzt sind.
Die theoretische Grundlage und allgemeine Anwen- dung edieses asymmetrischen Modulationsverfahrens wird später besprochen. So weit als es die praktische Ausführungsform betrifft, sind die Diagramme der resultierenden magnetomotorischen Kraft in Fig. 12a bis 12e gezeigt.
In Fig. 12a bis 12e sind die Nummern am Kopf des Diagramms Nutennummern .des Ankers mit 36 Nuten und geben daher Winkellagen (geometrisch) um den An ker für alle fünf Diagramme an. Wie in dien anderen Figuren wird edie Nut 1 willkürlich als .der Anfang der Phasenwicklung A und auch als der Anfang der auf die Phasenwicklung A angewendeten Modulationswelle ge wählt.
Fig. 12a zeigt das etwas idealisierte Wellenform- Diagramm der magnetomotorischen Kraft für die Phase B der 6-Pol-Maschine ohne Modulation. Es ist zu be achten, dass der Anfangspunkt der Kurve gegenüber dem Punkt X um 120 (elektrisch) versetzt ist.
Fig. 12b zeigt die symmetrische Modulationswelle gemäss welcher die Phasenwicklung A umgeschaltet wird, in einer um einen Winkel von 120 (geometrisch) um den Anker verschobenen Lage, so dass ihr Anfang mit dem Punkt Y,
dem Anfangspunkt der Modulations- welle für die Phasenwicklung B übereinstimmt. Die ge strichelte Linie S zeigt die sinusförmige Kurve, welcher sich das Modulationsmuster annähert.
Bei ihrer Anwendung auf die Phasenwicklung A er gab die Modulationswellle wie gesagt folgende, resultie rende Spulenverteilung: +0.1+2+1.0-0.1-2-1.0 und der Anfang der Modulationswellestimmte mit dem Punkt Q bei Nut 1 überein. Bei der Anwendung auf die Phasenwicklung B stimmte der Anfang der Welle wie gezeigt mit dem Punkt Y (Nut 13) überein.
Fig.12c zeigt die gleiche Modulationswelle wie Fig. 12b mit auf 2/s verminderter Amplitude und um
EMI0009.0101
voreilend, so dass ihr Anfang mit dem Punkt R (Nut 11) übereinstimmt; gemäss dieser Komponente wenden die Spulenteile mit
EMI0009.0108
Windungen umgeschaltet.
Fig. 12d zeigt die gleiche Modulabionswelle mit auf 1/, verminderter Amplitude und um
EMI0009.0116
nacheilende, so dass ihr Anfang mit .dem Punkt S (Nut 17) übereinstimmt; gemäss dieser Komponente wenden die Spulenteile mit
EMI0009.0122
Windungen umgeschaltet.
Fig. 12e zeigt die Resultierende der asymmetrisch versetzten Modulationswellenkomponenten nach Fig. 12c und Fig. 12d, welche Resultierende infolgedes- sen von asymmetrischer Form in bezug auf den Punkt Y bei der Nut 13 ist.
Die gestrichelte Linie S stellt die sinnsförmige Kurve .dar, welcher sich das Diagramm der resultierenden nmagnetomotorischen Kraft der Fig. 12e nähert, und es ist zu beachten, dass der Anfang der Kurve richtig mit dem Punkt Y (Nut 13) übereinstimmt.
Die zwei. Modulationswellenkomponenten, gemäss welchen die Phasenwicklung C umgeschaltet wird, und ihre Resultierende können durch gleiche Diaamme gezeigt werden.
Das Diagramm :der magnetomotorischen Kraft der Phase C bei der Schaltung für sechs Pole ist gleicher weise gegenüber .den entsprechenden Diagrammen der Phase A und der Phase B um je l20 (elektrisch) ver setzt. Der Anfang der Modulationswelle für die Phase C muss im Punkt Z (Nut 25) liegen und in bezug auf die Punkte X und Y um je 120 (geometrisch) versetzt sein. Der Anfang der Modulationswellenkomponente mit 2/3 Amplitude befindet sich im Punkt R (Nut 27), und der jenige der Komponente mit 1/3 Amplitude im Punkt S (Nut 21).
Die resultierende Modulationswelle ist gleich wie die nach Fig. 12e aber in bezug auf sie versetzt, und .die entsprechende sinusförmige Kurve hat ihren Anfang richtigerweise im Punkt Z (Nut 25).
Durch Anwendung der erläuterten Modulationsre- geln ist ersichtlich, dass einzelne der Spulen der Phasen- wicklungen B und C, ein Drittel von allen, in diesem Beispiel gemäss jeder resultierenden Mo.dulationswelle gleich umgeschaltet werden und in einem Abschnitt ge wickelt werden können.
Die verbleibenden Spulen, zwei Drittel in diesem Beispiel, sind in zwei Teilen gewickelt, wobei ein Teil gemäss einer Modulationswellenkompo- nente und der andere Teil gemäss der anderen Modula- tionswellenkomponente umgeschaltet wird.
Die sich ergebende Wicklung .des Ankers ist in allen Einzelheiten in Fig. 8 gezeigt. Dieses Diagramm zeigt die Anordnung der Vorwärts- und Rückleiter, ob sie im Ober- oder Unterteil der Nut liegen, und die Änderung der Wicklungsanschlüsse bei Modulation.
Die Zeichen H bezeichnen die Halb-Wicklungen von
EMI0010.0044
Windungen, .die Wicklungen mit
EMI0010.0046
Windungen und .die Wicklungen mit
EMI0010.0047
welche mit Leitern von zweimal der Querschnittsfläche der andern gewickelt und im 8-Pol-Zustand ausgeschal tet sind.
Das Zeichen J bezeichnet Spulen von je nach Umständen n Windungen,
EMI0010.0052
Windungen, oder
EMI0010.0053
Windungen, in denen die Stromrichtung im modulierten Zustand umgekehrt wird. Anders dargestellt, um die festen Anschlüsse der Spulen und,die umgeschalteten Anschlüsse im modulier ten und unmodulierten Zustand zu zeigen,
sind die glei chen Wicklungsdaten im Diagramm der Fig. 9 angege ben. In .den die Spulendaten enthaltenden Rechtecken gibt das oberste Feld die Anzahl von Windungen als Bruchteil der Zahl n , das mittlere Feld die Lage des Leiters im Oberteil (T) oder Unterteil (B) einer Nut und das unterste Feld die entsprechenden Nutennummem an.
Fig. 10 und 11 zeigen die Stromkreisanschlüsse der Wicklungen der Fig. 8 und 9 im 6-Pol-, bzw. 8-Pol-Zu- stand.
Damit eine 6-Pol-, 36 Nuten-, Doppellagen-Drei- phasenwicklung auf 8 Pole moduliert werden kann, ist es somit notwendig, dass 16 ider 36 Nuten in zwei Ab schnitten gewickelt werden, welche zwei Drittel, bzw. ein Drittel der Windungen enthalten. Die verbleibenden 20 Spulen werden normal .gewickelt. Bei .diesen 20 unge teilten Spulen sind die Vorwärtsleiter in folgenden Nuten angeordnet: Nr. 1, 2, 5, 7, 8, 10, 13, 14, 15, 18, 19, 20, 23, 25, 26, 28, 31, 32, 33, 36.
Die verbleibenden 16 Spulen sind je in zwei Abschnitte unterteilt und ihre Vorwärtsleiter sind in den folgenden verbleibenden Nuten angeordnet: Nr. 3, 4, 6, 9, 11, 12, 16, 17, 21, 22, 24, 27, 29, 30, 34, 35. Im modulierten (8-Pol-) Zustand sind die Spulen gemäss Fig. 11 geschaltet, wobei alle eingeschalteten Spulen in Serie sind. Im normalen in Fig. 10 gezeigten (6-Pol)
Zustand werden die Spulen. mit umgekehrter Stromrichtung in .die ursprüngliche Stromrichtung zu rückgebracht, indem die zwei Hälften der Wicklung parallel und die im modulierten Zustand ausgeschalteten Spulen in Serie mit den zwei Hälften geschaltet wenden.
Beim Entwurf der beispielsweise beschriebenen Maschine ist die Windungszahl n für eine Dreiphasen speisung mit 50 Perioden/Sek. nach normalen Methoden berechnet. Die beiden möglichen Motordrehzahlen sind dann 1000 Umdrehungen pro Min. im 6-Pol-Zustand und 750 Umdrehungen pro Min. im 8-Pol-Zustand.
Es kann gezeigt werden, idass !die Flussdichte im Luftspalt bei der 6-Pol-Schaltung um 7,5 % geringer ist als bei der 8-Pol-Schaltung. Aus @diasem Grund ist es erwünscht, die Maschine für eine etwas höhere Span nung .als die Netzspannung zu wickeln,
so diass sie bei ,der 6-Po1@Schaltung etwas untererregt ist.
In Fig, 8 sind die Spulenteile, welche bei Modulation abgeschaltet sind, in. jedem Fall im untern Teil des Querschnittes in jeder Wicklungslage gezeigt.
Der Un- terschied in der elektrischen Leistung der Maschine ge genüber einer Anordnung, in .d,e:r alle Spulenteile mit zwei Dritteln der Windungen im Oberteil und alle Spu- lenteile mit :einem Drittel der Windungen im Unterteil der Nuten liegen, ist vernachlässigbar. Für geformte Spulen jedoch kann die letztere Ausbildung aus mecha nischen. Grüniden vorteilhafter sein.
Fig. 13 zeigt eine Variante der Maschine nach Fig. 7 bis 12. Diese Variante liefert gleichfalls 6 Pole im un- modulierten und 8 Pole im modulierten Zustand. Sie entspricht .somit ebenfalls der allgemeinen Anordnung nach Fig. 15a und ;die Phasenfolge an den Punkten X, Y, Z muss A, B, C sein.
Fig. 13 ist ein Wicklungsdiagramm einer sechspoli- gen Dreiphas,enmaschine, gewickelt auf einen Anker mit 36 Nuten, wobei die Spulen in zwei Lagen in den Nuten angeordnet sind.
Wie die in Fig. 7 bis 12 .dargestellte Maschine hat die Maschine nach Fig. 13 zwei Spulen pro Pol und pro Fhase, so dass im unmodulierten Zustand drei Phasen wicklungen erhalten werden, ;deren jede nachstehende Spulenfolge aufweist: +2+21-2 +2+2+2 In der Maschine nach Fig. 7 bis 12 ist die Phasen wicklung A im modulierten Zustand wie folgt geschaltet:
+0.1+2+1.0 -0.1-2-1.0 In der Variante nach Fig. 13 ist die entsprechende Phasenwicklung A im modulierten. Zustand jedoch wie folgt geschaltet: +2+2+2 -2-2-2 d. h. die Polamplitudenmo@dulation wird nur durch Um kehr der Stromrichtung in gewissen Spulen, nicht aber durch Abschalten von Spulen bewirkt.
Die Phasenwicklung Bund Phasenwicklung C sind gemäss Mo-dulationswellenkomponenten von ungleicher Amplitude polamplitud nmoduliert, deren Anfangs punkte um eine Polteilung gegeneinander versetzt sind; die resultierende Wellenform der magnetomotorischen Kraft ist für jede Phasenwicklung im wesentlichen gleich wie die der Phasenwicklung A und in der richtigen Win kelverschiebung in bezug auf .diese.
Wie in bezug auf Fig. 7 besprochen, werden die Phasenwicklungen B und C theoretisch so betrachtet, als ob sie aus zwei Teilen mit
EMI0011.0024
Windungen bzw.
EMI0011.0025
Windungen beständen.
Jeder dieser Teile beldei Phasenwicklungen wird gemäss einer einperiodigen Modulationswelleumgeschaltet. In dieser Variante wer- den die S.pulenabschnitte mit
EMI0011.0033
Windungen und einige Spulenabschnitte mit
EMI0011.0035
Windungen, welche für die Modulation in der in bezug auf Fig. 7 bis 12 beschriebenen Ausführungsform erfor derlich sind, nicht benötigt.
In Fig. 13 :sind. die Nuten von 1 bis 36 vom Anfang der Phasenwicklung A an numeriert und ist die Anord nung in der oberen Lage (T) und unteren Lage (B) ange deutet. Die eingekreisten Zeichen geben ;die Spulenab- schnitte an, in .denen bei Modulation :die Stromrichtung umg-.kehrt wird.
Bei dieser Ausführungsform werden 36 Spulen be- nützt, wobei alle Spulen mit einem S.pulenschritt von 2/g der Polteilung, d. h. von vier Nuten für 6-Pol-Betrieb gewickelt sind. Von den benutzten 36 Spulen sind 28 in einem einzigen Abschnitt gewickelt, der alle n Windure gen ,aufweist, und 8 ,sind in zwei Abschnitten, einem mit
EMI0011.0057
Windungen, und .einem andern mit
EMI0011.0058
Windungen gewickelt.
Beim Vergleich der erstbeschriebenen Ausführungs- form der 6:8 Pol-Maschine (Fig. 7 bis 12) mit der vor liegenden Variante (Fig. 13) ergibt,che erstere:
1. eine beträchtliche Reduktion des Erhitzens des Kupfers der Maschine mit einer viel grösseren als pro portionalen Reduktion des effektiven Wicklungsfaktor; und 11. eine ,sehr geringe Verbesserung des Gehaltes an Harmonischen der Wellenform der magnetomotorischen Kraft.
Die Variante ergibt: 1. ein Verhältnis der magnetischen Flussdichte bei 6-Pol- und 8-Pol-Betrieb, welches nahezu 1 isst; 11. Verminderung der Anzahl von in zwei Abschnit ten zu wickelnden Spulen von 16 ;auf 8, und 111. Wegfall von Spulen mit halber Windungszahl und .doppeltem Kupfer-Querschnitt.
Beim Vergleich ist es klar, dass die Variante bezüg lich Herstellung und Kosten und die erste Ausführungs- form vom Betriebsstandpunkt vorteilhafter ist.
Es ist zu .beachten, dass, für die in bezu;g auf Fig. 1 bis 6 beschriebene 4:6 Pol-Maschine eine bevorzugte Betriebsweise mit Herabsetzung der Amplitude der magnetomotorischen Kraft der Phasenwicklung A bei Modulation auf die herabgesetzte modulierte Amplitude der Phasenwicklungen B und C erläutert ist.
Für die in bezug auf Fig.7 bis 12 und Fig. 13 beschriebenen 6:8-Pol-Maschinen wird keine solche Herabsetzung der Amplitude in der Phasenwicklung A erläutert. Jedoch ist praktisch eine .solche Herabsetzung der Amplitude in ;
der Phasenwicklung A auch hier von Vorteil. Die Amplituden-Herabsetzung der Phasenwicklung A kann durch Unterteilung jeder Spule @dieser Phasenwicklung und durch Abschalten des entsprechenden Teils jeder Spule erreicht werden.
Es ist in @diesem Fall vorteilhaf ter, zur Herabsetzung der magnetomotorischen Kraft ausgewählte Spulen ganz abzuschalten, wie es in Fig. 1 (h) erläutert ist, statt von jeder Spule der Phasenwick lung A -einen Teil abzuschalten. Das. Vorgehen ist dann genau gleich wie;das für ;die 4:6 Pol-Maschine.
<I>Theorie</I> Das Verfahren der Polzahländerungdurch asymme- trische Polamplitudenmodulation ist vorstehend voll ständig dargelegt und durch Ausführungsbeispiele veranschaulicht worden.
Als zusätzliche Erläuterung werden nachstehend tri gonometrische Gleichungen wiedergegeben, :die dem Verfahren zu Grunde liegen.
Das Prinzip der sogenannten Polamplitudenmodula- tion, gleichviel o<B>b</B> .symmetrisch oder asymmetrisch, lässt sich wie folgt .erklären: Die wellenförmige Verteilung der magnetomotori- schen Kraft, die von den drei Phasenwicklungen einer Dreiphasenmaschine hervorgerufen wird, sei durch die nachstehenden Gleichungen gegeben:
EMI0012.0005
wobei T. die magnetomotorische Kraft in der Mitte jedes Poles, p die Anzahl Polpaare und T1, T2 und T3 die durch je eine der um den Winkel 2"z/3, d. h.
120 in Umfangsrichtung gegeneinander versetzten drei Phasen- wicklungen hervorgerufene magnetische Feldstärke in Abhängigkeit von dem um die Ankerachse gemessenen Winkel 0.
Es sei nun angenommen, dass die Kurve der magne- tomotorischen Kraft für :
die drei Phasenwicklungen ge- mäss den nachstehenden periodischen Funktionen der räumlichen Winkellage ( Modulationswellen ) modu- liert sei, d. h.
dass der Wert Tm ,der magnetomotori- schen Kraft und damit die Amplitude der periodischen Veränderung dieser magnetomo@torischen Kraft für eine
EMI0012.0047
Es ist zu beachten, dass jeder der vorstehenden Aus drücke für T1, T2 und T3 die Summe von zwei Grössen darstellt, von denen jede einen sinusartigen (cosinusarti- gen) Verlauf hat,
die sich entsprechend den Differenz- und Summenausdrücken (p k) und (p+k) verändern, wo p :die Anzahl Polpaare und k die Anzahl von Modula- tionsperioden auf dem ganzen Ankerumfang ist.
Wenn
EMI0012.0062
sind alle Ausdrücke mit (p-k) 0 gleichphasig im Raum und es ergibt sich keine resultierende magnetomotori- sche Kraft bei dieser Polzahl, wenn die drei Phasen wicklungen mit Dreiphasen-Wechselstrom gespeist wer den.
Gleichzeitig wird der Winkelabstand gegenüber dem (p+k) o enthaltenden Ausdruck gleich
EMI0012.0072
und die drei Phasenwicklungen erzeugen daher ein Drehfeld von (p+k) Polpaaren, wenn sie mit Dreipha- sen-Wechselstrom gespeist werden.
Wenn umgekehrt
EMI0012.0078
dieser Phasenwicklungen nicht mehr über den ganzen Umfang konstant sei, sondern. die durch die entspre chende nachstehende Funktion gegebene über den Um fang veränderliche Grösse T.1, T.2, T., besitze.
Tml = A sink 0 T.2 = A sin (k<B>(9</B> - a) und Tms = A ein (k 0 - 2a) wo A eine Konstante ist, k die Anzahl Perioden der modulierenden Funktion auf dem ganzen Umfang der Maschine, und a ein noch zu bestimmender, im gleichen Masstab wie K 0 anzugebender Winkel.
Die gesamte durch eine ganze Phasenwicklung an der durch den Raum Winkel p0 gegebenen Stelle des Umfanges hervorgerufene magnetomotorische Kraft kann somit wie folgt beschrieben werden:
EMI0012.0094
Diese drei Ausdrücke können wie folgt umgeschrie ben werden:
werden die (p+k) 0 enthaltenden Ausdrücke gleichpha sig im Raum und die (p-k) O enthaltenden Ausdrücke haben einen Winkelabstand
EMI0012.0099
Wenn man daher die Verteilung der magnetomotori- schen Kraft von drei Phasenwicklungen (von p Polpaa ren) gemäss drei Modulationswelllen ändert, die um Null,
EMI0012.0104
in bezug auf den (willkürlichen) Anfang der ersten Phasenwicklung verschoben sind, kann man nach Belie ben ein resultierendes Feld von (p k) Polpaaren erhal ten.
Bei irgend einer Maschine kann man jede der sym metrischen Modulationswellen auf irgend eine .der drei Phasenwicklungen der Maschine anwenden.
Die erforderliche Verschiebung von
EMI0012.0113
der symmetrischen Modulationswellen, die auf die an dern zwei Phasenwicklungen angewendet werden, um eine Resultierende von (p + k) Polpaaren zu erzeugen, kann erhalten werden, wenn k = 1 und p = 1,4,7,10 usw. Polpaare ist.
In gleicher Weise kann die erforderliche Verschie bung: von
EMI0013.0002
der symmetrischen Modulationswellen, die auf die an- denn zwei Phasenwicklungen übertragen werden, um eine Resultierende von (p-k) Polpaaren zu erzeugen, erhalten werden, wenn k = 1 und p = 2,5,8 usw. Pol paare ist.
Es ist zu beachten, dass keine der in den beiden letz ten Absätzen erwähnte Zahl von Polpaaren gleich 3 oder einem ganzzahligen Vielfachen von 3 ist.
Für Polzahlkombinationen, die drei Polpaare oder ein Vielfaches von drei Polpaaren als Arbeitspolpaar- zahl umfassen, fallen die Anfänge der Modulationswel- len für die zweite und dritte Phasenwicklung nicht auf Ankernuten, welche Spulenleiter der betreffenden Phasenwicklung enthalten. In solchen Fällen muss ein asymmetrisches Modulationsmuster .auf die zweiten und. dritten Phasenwicklungen angewendet werden.
Das Prinzip der asymmetrischen Modulation ist wie folgt: Irgend eine Phasenwicklung (A) wird gemäss der erläuterten einfachen symmetrischen Modulationswelle umgeschaltet. Die Spulen der verbleibenden zwei Phasenwicklungen (B) und (C) werden so betrachtet, als ob sie. in zwei Teile unterteilt wären, welche ein Drit tel, bzw. zwei Drittel der Windungen jeder Spule umfas sen.
Statt der ganzen Phasenwicklungen werden dann beide Spulenteile einzeln gemäss zwei gleichen Modula- tionsweilen umgeschaltet; deren Anfänge jedoch um eine Polteilung auseinander liegen. Der Anfangspunkt einer dieser Wellen wird um zwei Phasenbänder im einen Sinn vom geforderten Anfangspunkt verschoben, und der An fang der andern Welle wird um ein Phasenband im ent gegengesetzten Sinn verschoben.
Für den grössern, zwei Drittel der Windungen umfassenden Spulenteil wird die Modulationswellle genommen, deren Anfang um den kleineren Winkel vom idealen Anfang verschoben ist.
Bei der- überlagerung der von den beiden Teilen jeder Spule erzeugten Magnetfelder zeigt sich, dass beide Spulenteile in allen ausser zwei Phasenbändern jeder Phase der ursprünglichen Wicklung durch die .Modulation in der gleichen Weise beeinflusst werden. Die Teilung ,der Spulen, wie sie vorstehend erläutert wurde, ist- daher weitgehend theoretisch und ihre kon struktive Durchführung ist in den meisten Phasenbän dern nicht notwendig. Dies ist :besonders der Fall, wo es möglich ist, eine rechteckige Modulationswelle zu be nützen wie bei der Wicklung gemäss Fig. 13.
In den ver bleibenden zwei Phasenbändern pro Phase deren Spulen zu teilen sind, ergibt sich, dass nach her Modulation ent weder dass 2/s jeder der Spulen unverändert gelassen und in /,die Stromrichtung umgekehrt wird, oder dass 1/3 jeder der Spulen unverändert gelassen und in 2/g die Stromrichtung umgekehrt wird.
Das erstere ist gleich wertig damit, dass 1/s jeder der Spulen unverändert ge lassen und 2/g abgeschaltet wird; und das letztere ist da mit gleichwertig, dass in 1/3 jeder :der Spulen die Strom richtung umgekehrt wirrt und 2/g jeder Spule abgeschal tet werden.
Im Prinzip müsste jede Spule dieser zwei Phasen bänder jeder der beiden Phasenwicklungen, deren Feld asymmetrisch zu modulieren ist, in zwei Teile geteilt werden; aber in der Praxis können nahezu gleichwertige Verteilungen der magnetomotorischen Kraft durch Ab schalten von je zwei von drei Spulen erhalten werden, während :die verbleibende dritte Spule mit gleicher oder umgekehrter Stromrichtung eingeschaltet bleibt. Dies kann leicht für 3, 6, 9 usw.
Spulen pro Pol pro Phase geschehen, und wo .die Zahl von Spulen pro Pol pro Phase nicht ein Vielfaches von 3 ist, ist es oft möglich, z. B. 2 von 5 anstelle der im Idealfall geforderten 2 von 6 Spulen zu nehmen.
Es ist nicht gleichgültig, welche Spule bzw. welche Spulen aus jedem Phasenband ge wählt werden, aber nach Aufzeichnen eines Vektordia- gramms kann eine richtige Wahl getroffen und eine aus- gzglichene oder nahezu ausgeglichene Wicklung erhalten werden.
In der Praxis ist daher keine Teilung irgend einer Spule in zwei Teile erforderlich, und die Anzahl von vollständigen Phasenbändern, welche in zwei Spu- lengruppen geteilt werden müssen, beträgt in jeder Phasenwicklung, welches auch immer :die Anzahl von Polen ist, nur zwei. Das Problem ist daher verhältnis- mässig einfacher bei einer grossen Anzahl von Polen.
Eine weitere Abänderung der ersten Phasenwicklung A, deren Feld symmetrisch moduliert wird, ist vorteil haft, wenn die ursprüngliche Polzahl nicht 10 oder mehr ist. Der Vorgang der asymmetrischen Modulation des Feldes der Phasenwicklungen B und C reduziert stets die Amplitude der resultierenden magnetomotorischen Kraft im Vergleich mit der Amplitude ,derjenigen ,der symme#- trisch modulierten Phasenwicklung A,
auch wenn die gleiche Modulationswelle für alle drei Phasen benutzt wird. Diese Reduktion tritt auf, weil die Vektorsumme zweier Sinuswellen gleicher Frequenz stets geringer ist als ihre arithmetische Summe.
Die Reduktion ist bei 10 und mehr Polen nicht mehr--fühlbar und kann dann-ver- nachlässigt werden.
Im Prinzip ist es daher notwendig, alle Spulen der Phasenwicklung A in zwei Abschnitte zu teilen, um die Variationsamplitude ider= magnetomotorischen Kraft im modulierten Zustand .durch Abschalten eines geeigneten kleinen Teils der Spulen um einen angemessenen Betrag zu verringern.
Praktisch ist es möglich, gewisse Spulender Phasen wicklung A ganz abzuschalten, um die Amplitude der Grundwelle der magnetomotorischen Kraft um den ent sprechenden Betrag zu verringern: Die für das Abschal ten ausgewählten Spulen müssen solche sein, dass die resultierende magnetomo-torische Kraft der Phasenwick lung in der Grösse reduziert, jedoch in Phasenlage nicht geändert wind;
anders ausgedrückt, darf der Anfangs punkt der Modulationswelle für die Phasenwicklung A nicht verschoben werden, damit die geometrische Ver setzung der drei Modulationswellen um 120 erhalten bleibt. Die Auswahl der abzuschaltenden Spulen muss wiederum ,durch Aufstellung:
eines Vektordiagramms für die Phasenwicklung A .geschehen, wie es bereits für die Phasenwicklungen B und C gemacht wurde. Im allge meinen erfordert die beste Durchführung der Polampli- tudenmodulation stets die Aufstellung eines vollständigen Vektordiagramms für den ursprünglichen Entwurf irgend einer besonderen Kombination von Nutenzahl und Mo:dulationsverfahren;
statt dessen kann auch eine vollständige trigonometrische Analyse gemacht werden.
Der Betrag, um welchen die Amplitude der Ände rung der von der Phasenwicklung A erzeugten magneto- motorischen Kraft vorteilhaft reduziert wird, kann durch die folgenden Betrachtungen bestimmt werden. p sei wieder -die Anzahl von Polpaaren, welche irgend einer Modulation unterworfen ist, die als Resultierende (p+1) Polpaare ergibt.
Es sei angenommen, dass eine Modula- tionswelle, deren Amplitude und Phase durch T sin O gegeben ist, in zwei Komponenten zu teilen ist, eine z. B.
voreilend um
EMI0014.0008
und die andere daher nacheilend um
EMI0014.0009
Die zwei Komponenten seien wie folgt geschrieben:
EMI0014.0011
wo t1 und t2 proportional zu der Anzahl von Windun- gen in den zwei Teilen der geteilten Spulen sind, und T proportional der Anzahl von Windungen (n) einer gan zen ungeteilten Spule ist.
Wenn diese Komponenten zusammen die ge- wünschte Modulationswelle liefern, folgt, dass:
EMI0014.0022
Durch Gleichsetzen der Koeffizienten von 0 und cos 0 folgt, dass:
EMI0014.0025
Durch trigonometrische Vereinfachung sind die erhalte nen Schlussresultate wie folgt:
EMI0014.0026
Es wird gefunden, dass für p=2 Polpaare, welches der Extremfall ist, die numerischen Resultate sind: t1 = 0,801n; t2 = 0,464n; (tl+t2) = 1,265 n und (tl/t2)=1,73. Für p = 5 Polpaare sind die Resultate t1 = 0,692n; 4 = 0,355n; (tl+t2) = 1,047n und (t,/t,) = 1,96.
Es ist ersichtlich, dass der Grenzfall, in welchem t1 = 0;667n; t2 = 0,333n; (t1 + t2) = 1,000n; und (t1/t,) = 2,0 ist, annähernd erreicht ist. Besonders,- da die Grenze (t1 + t2) = 1,00n nahezu erreicht ist, ist es nicht nötig, irgend eine Anpassung der Amplitude der Phasenwicklung (A) vorzunehmen.
Eine Maschine für 4 Pole ohne Modulation und 6 Pole mit Modulation ist daher nach diesen neuen Ver fahren am schwierigsten zu entwerfen. Die hiervon mit Bezug auf Fig. 1 bis 6 beschriebene Ausführungsform stellt ein Beispiel dieser schwierigsten Kombination dar. Synchronmaschinen Eine Dreiphasen-Wechselstromwicklung mit Polzahl änderung durch Polamplitudenmodulation lässt sich bei einer Synchronmaschine, sei sie ein Motor oder ein Ge nerator, als Ankerwicklung in Verbindung mit einer Gleichstrom-Erregerwicklung verwenden, welche die selbe Polzahlenkombination liefert.
Insbesondere ist eine Dreiphasenwicklung mit asym metrischer Polamplitudenmodulation, wie sie im vorste henden Teil .dieser Beschreibung behandelt wurde, als Ankerwicklung in Verbindung mit einer für Polzahrän- derung eingerichteten Gleichstrom-Erregerwicklung einer bekannten oder einer hier noch zu beschreibenden Art verwendbar.
Es ist bei elektrischen Synchronmaschinen wohl be kannt, dass Phantom-Gleichstrom-Pole im Gleichstrom Erregersystem der Maschine durch Neutralisieren oder Weglassung der Erregung von einigen der Gleich strompole und Umkehrung der Erregung von andern erzeugt werden können. Bei der Gleichstromwicklung einer Synchronmaschine kann die Polzahl im Prinzip auf diese Weise ohne Begrenzung oder Beschränkung geän dert werden. Nichtsdestoweniger werden die besten Resultate erhalten, wenn das Verhältnis der beiden möglichen Polzahlen einen Quotienten hat, welcher nicht stark von Eins :abweicht, z.
B. zwischen den Gren zen von 0,8 und 1,25 liegt.
Bei bekannten Synchronmaschinen mit einem Gleichstrom-Erregersystem mit Phantom-Gleichstrom- polen zur wahlweisen Erzeugung von zwei Polzahlen ist die Gleichstrom-Erregerwicklung mit einer stationären Mehrphasen-Wechselstrom-Ankerwicklung gepaart, wel che in üblicher Weise geschaltet werden kann, um die beiden Polzahlen zu erhalten, oder die Gleichstrom Erregerwicklung ist mit zwei unabhängigen Wechsel strom-Ankerwicklungen gepaart.
Die Benutzung von bekannten Polumschaltwicklungen erfordert gewöhnlich das Herausführen einer sehr grossen Anzahl von Leitern für das Umschalten der Wicklungen, und die Benützung von zwei unabhängigen Wicklungen bedeutet augen scheinlich eine Platz- und Material-Verschwendung.
Gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat ein Synchronmotor oder Generator ein an sich bekanntes Gleichstrom-Erregersystem, das so ge wickelt und angeschlossen ist, dass es bei seiner einen Arbeitsweise Phantom-Gleichstrompole liefert, und eine Dreiphasen-Wechselstrom-Ankerwicklung, die nach dem Verfahrender asymmetrischen Amplitudenmodula- tion, wie es bei den vorangehenden Ausführungsformen als Beispiel beschrieben wurde, zwei verschiedene Pol zahlen liefert.
Die bekannte Gleichstromwicklung ergibt wahlweise Felder, wie sie beispielsweise in den Zehn-Pol- und in den Acht-Pol-Verteilungen des Diagramms der magne- tomotorischen Kraft in Fig. 14A und in Fig. 14B gezeigt sind.
Fig. 14A betrifft eine 10-Pol-Gleichstrom-Erreger- wicklung mit zehn im Normalbetrieb eingeschalteten Spulen 1 bis 10, von welchen jede einen Pol der glei chen Amplitude erzeugt, die in der Zeichnung bei h an gedeutet ist. Fig. 14B zeigt die gleiche Wicklung beim Betrieb mit acht Polen.
Hierzu sind zwei der Spulen, Spule No. 5 und Spule No. 10, von der Wicklung abge schaltet und eine Hälfte der verbleibenden Wicklung mit Spulen 6, 7, 8, 9 ist für umgekehrte Stromrichtung ge schaltet, so dass der Strom darin umgekehrt wie in der 10-Pol-Schaltung fliesst, was entsprechend Pole 6, 7, 8 und 9 von entgegengesetzter Polarität ergibt. In Fig. 14A und 14B ist jeder Pol in Übereinstimmung mit der. diesen Pol erzeugenden Wicklung numeriert.
Es lässt sich zeigen, dass bei der Schaltung nach Fig. 14B die Vier-Pol-Subharmonische eine Amplitude von ungefähr einem Vierteil des 8-Pol-Feldes hat. Die Anwesenheit des subharmonischen Flusses ist uner wünscht, da er eine Biegewirkung auf den Rahmen der Maschine ausübt.
Gemäss einem weiteren Beispiel ist daher bei einem Synchronmotor oder -Generator mit Dreiphas-en-Wech- selstrom-Ankerwicklung, die in der früher beschriebe nen Weise ausgebildet ist, so dass sie durch Polamplitu- denmodulation wahlweise zwei Polzahlen liefert, die ebenfalls umschaltbare Gleichstrom-Erregerwicklung in zwei Hälften aufgeteilt, wobei sich jede Wicklungshälfte um 180 (geometrisch) um die Ankerachse erstreckt, und wobei die Wicklung bei der einen Betriebsart mit Umkehrung,
der Stromrichtung in einer Hälfte der Wick lung relativ zu der anderen Hälfte und Reduktion der Amplitude jedes der vier an den Endender zwei Halb wicklungen befindlichen Pole benützt wird:, z. B. durch Abschaltung einiger Windungen jeder der vier Spulen, welche an den Enden der zwei Halbwicklungen liegen, oder durch teilweise Neutralisation der Spulen. Vor zugsweise werden in jeder Endspule, von welcher Win dungen abzuschalten sind, ungefähr drei Viertel der Windungen abgeschaltet. Genauer gesagt, es wird eine solche Anzahl von Windungen abgeschaltet, dass bei der verminderten Amplitude des geschwächten Pols die Amplitude der subharmonischen Polzahl annähernd null wird.
Entsprechend werden bei der Neutralisationsme- thode,die Endpole in gleicher Weise so geschwächt, dass der Anteil an Subharmonischen annähernd verschwin det.
*Auf diese Ausführungsform der Gleichstrom-Erre- gerwicklung bezieht sich Fig. 14C der Zeichnung. Diese stellt das Feld :dar, welches aus .dem in Fig. 14A darge stellten Feld durch Umschalten der Erregerwicklung in der vorstehend erläuterten Weise erhalten wird.
Nach dieser Umschaltung ist die Stromrichtung in der einen, die Spulen 6 bis 10 enthaltenden Hälfte der Wicklung in bezug auf die in der :die Spulen 1 bis 5 enthaltenden Halbwicklung umgekehrt. Zusätzlich sind die Pole 1, 5, 6 und 10 in der Amplitude reduziert;
die Pole 1 und 5 werden durch die Spulen 1 und 5 an :den Enden der er sten Hälfte der Wicklung und die Pole 6 und 10 durch die Spulen 6 und 10 an den Enden der zweiten Hälfte der Wicklung erzeugt. Die verbleibende Amplitude der Pole 1, 5, 6 und 10 ist in, Fig. 14C durch die Amplitude a. h. angegeben. Die Amplitude der ungeschwächten Pole 2, 3, 4, 7, 8 und 9 behält den Wert h wie in Fig. 14A.
Durch Abschalten oder Neutralisieren einer geeigne ten Zahl von Windungen der Spulen 1, 5, 6 und 10 kann die Amplitude so bemessen werden, dass de Vier-Pol- Subharmonische ganz verschwindet. Dies ist :die bevor zugte Anordnung einer Gleichstrom-Phantompol-Erre- gerwicklung für eine Maschine, .deren Anker-Phasen- wicklungen in der früher beschriebenen Weise um schaltbar sind.