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Asynchron@ Maschinen sind bekanntlich an die Nähe der synchronen Drehzahl insofern gebunden, als sie nur dort mit einem sonstigen Wirkungsgrad und befriedigenden Betriebseigenschaften arbeiten. Die synchrone Umfangsgeschwindigkeit v3 ist gegeben durch die Polteitung P und die Periodenzahl/' des zugeführten Wechsektromes ; es ist nämlich
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Diese asynchrone Geschwindigkeit ist bei normalen Maschinen und bei 50 Perioden in der Grössenordnung von 10 m/sek, da die Ausführung der Wicklung eine kleinere Polteilung nicht zulässt oder, mit anderen Worten, der Bau einer 50periodigen asynchronen Maschine für eine erheblich kleinere synchrone Geschwindigkeit stösst auf sehr grosse konstruktive Schwierigkeiten.
Die Wicklung ist bei den bekannten Anordnungen in Nuten untergebracht, deren Zahl je Phase und Polteilung mindestens eins ist, d. h. ein dreiphasiger Motor weist je Polteilung drei Nuten auf, wenn man die sogenannte,. Einlochwicilung" anwendet, d. h. eben je Polteilung und Phase ein.. Loch" oder eine Nut anordnet. Es ist daraus ohne weiteres verständlich, dass man nur sehr schwer kleine Polteilungen erreicht.
Die Erfindung löst die Aufgabe, ei asynchronen Induktionsmaschinen beliebig kleine Polteilungen
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oder mehreren diese Polteilungen umfassenden, konzentrierten und nicht über die Polteilungen verteilten Primärspulen erzeugt und durch die Polteilung definierende Nuten oder eine ähnliche Anordnung ver-
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der räumlichen Verteilung selbst.
Dieser überlagerte Wechselfluss ist in gewissen Fällen bei rotationssymmetrischer, in sich geschlossener Anordnung oder bei einer besonderen Art der Sekundärwicklung
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bei einphasiger Anordnung durch Einwirkung einer zweiten derartigen wellenförmigen Induktionsverteilung mit entgegengesetztem Vorzeichen und räumlicher Versetzung um eine Polteilung oder halbe Nutteilung vermeiden lassen. Bei dreiphasiger Anordnung wirken erfindungsgemäss nebeneinander die drei wellenförmig verteilten Phasenflüsse auf die Sekundärwicklung ein. wobei die Nuten je um ein Drittel der Nutenteilung versetzt sind.
Auf dem beweglichen Teil. allgemein auf dem nicht mit der Primärwicklung versehenen Teil, in Ausnahmefällen, wo die Primärwicklung rotiert, also auf dem feststehenden Teil, kann ferner erfindungsgemäss eine Tertiärwicklung aufgebracht werden, die je nach ihrer Art und Betriebsweise der Maschine erhöhte Brauchbarkeit verleiht. Falls sich diese Tertiärwicklung ähnlich wie die Primärwicklung über mehrere Polteilungen erstreckt und vorzugsweise mit der Primärwicklung in bezug auf die Teilung übereinstimmt, so wirkt sie in bezug auf diese als eine Schundärwicklung kleinerer Polpaarzahl.
Stimmt
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in ihrer Wirksamkeit zu unterstützen, was besonders von Vorteil ist, wenn die Sekundärwicklung selbst auf dem feststehenden Teil untergebracht ist.
In den Zeichnungen sind Ausführungsformen der Elfindung beispielsweise veranschaulicht und mit Hilfe von Diagrammen das Wesen der Erfindung erläutert.
Fig. 1 stellt zur Erläuterung und zum Anschluss an Bekanntes die Verhältnisse bei einer einphasigen Primärwicklung und zweiphasiger Sekundärwicklung dar. In einem bestimmten Zeitpunkt der Periode ist die Wicklung 1, l'so vom Strom durchflossen, dass dieser in den Nuten 4 und 6 von hinten naeh vorne, in der Nut. ? von vorne nach hinten fliesst, wie unter a dargestellt. Dieser Stromauf hat magnetische Kraftfliisse zur Folge, wie sie punktiert eingezeichnet sind, die den Luftraum in der Polteilung P, von unten nach oben und in der Polteilung P2 von oben nach unten durchsetzen. Für das Verhalten des Motors ist die Grundwelle der Induktionsverteilung wichtig, wie sie unter b aufgezeichnet ist.
Die schraffierte Fläche stellt den Fluss dar, mit dem die Spule 2 der Sekundärwicklung verkettet ist. Da hier nur die Erzeugung des magnetischen Flusses interessiert, braucht auf die bekannte Entstehung einer Kraftwirkung auf die bewegte Sekundärwicklung nicht näher eingegangen zu werden. Statt durch eine verteilte Wicklung nach Art der oben unter a dargestellten kann die gezeichnete Feldverteilung auch durch ausgeprägte Pole erzeugt werden, wie unter d dargestellt. In der Tat ist die Entwicklung des Induktionsmotors auch von einer Type mit ausgeprägten Polen ausgegangen. Wie unter c dargestellt, ist die Polteilung P, im betreffenden Zeitpunkt im Bereich eines Siidpoles S und die Polteilung P2 im Bereich eines Nordpoles N (Fig. 1 c).
Fig. 2 erläutert im Anschluss daran das Wesen der Erfindung. Unter a wird im Anschluss an
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Südpolen S, die aber nun im Gegensatz zu Fig. 1 nicht in einer Reihe liegen, sondern in zwei Reihen angeordnet sind, deren eine nur Nordpole und deren andere nur Südpole enthält. Unter b ist darunter die Induktionsverteilung dargestellt, u. zw. ist S die Induktionsverteilung, wie sie durch die Südpole hervorgerufen wird, und N die der Nordpole. Es ist auch hier nur die Grundwelle gezeichnet. Im Gegensatz zur vorigen Abbildung fällt die Mittellinie hiebei nicht mit der Nullinie zusammen, sondern ist um den Wert So bzw. o gehoben bzw. gesenkt. Die mittlere Induktion über die ganze Ankerlänge ist dann der Summe der Ordinaten von S und.
N'proportional, so ist die mittlere Induktion längs des linken Leiters der Sekundärwicklung 2 gegeben durch (s'+ it') unter Berücksichtigung der verschiedenen Vorzeichen.
Unter c ist die Kurve für den doppelten Mittelwert aufgetragen. Wie man leicht erkennen kann, ist diese Kurve mit der Kurve 1 b identisch, d. h. es ist z. B. der mit der Spule 2 verkettete Fluss wieder durch die schraffierte Fläche dargestellt. Die Wirkung muss also für die Anordnung nach Fig. 2 vollständig analog sein derjenigen der Fig. 1.
Man erkennt aber auch leicht, dass es nunmehr möglich wird, die Pole einer Mehrzahl von Polteilungen erfindungsgemäss durch eine alle Pole gemeinsam umfassende Wicklung
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Fig. 3 zeigt beispielsweise eine derartige erfindungsgemässe Anordnung für Einphasenwechselstrom, die als asynchroner Motor oder Generator zu arbeiten imstande ist und mit einer Polteilung von etwa 0-5 cm, also bei 50 Perioden mit einer synchronen Ankergesehwindigkeit von 50 cm/sek ausgeführt gedacht werden kann, also mit Werten, die nach den bekannten Ausführungsformen niemals erreicht werden könnten. Der feststehende Eisenkörper 7 wird durch die Spule 8 erregt, der magnetische Wechselflllss durchsetzt den beweglichen Sekundärteil 9, der in einer nicht näher dargestellten Weise geführt ist, also z.
B. um eine senkrechte, rechts von der Figur zu denkende Welle drehbar gelagert ist. Der Eisenkörper 7 weist Nutungen auf, die in der oben geschilderten Weise eine wellenförmige Induktionsverteilung hervorrufen. Dabei sind die Zähne 10 und 11 um eine halbe Teilung versetzt, in einem gedachten Augenblick, wenn der magnetische Fluss von oben nach unten gerichtet ist, wirken daher die Zähne 10 als Nordpole, die Zähne 11 als Südpol. Der bewegliche Sekundärteil 9 trägt eine Sekundärwicklung z. B. eine Käfigwicklung 12. Die Stäbe 1. 3 legen sich in kleinen Nuten des Teiles 9 fast ganz um diesen herum und sind durch die Stege 14 und J sämtlich untereinander verbunden.
Auf diese Anordnung trifft das zu Fig. 2 Gesagte zu ; sie wirkt als einphasige Asynchronmaschine mit der durch die Nutteilung definierten doppelten Polteilung 2 P.
Fig. 4 erläutert die Verhältnisse der erfindungsgemässen dreiphasigen Anordnung. U, V, Br sind die Pole der entsprechenden Phasenflüsse, die je für sich in einer Reihe liegen, wie unter a dargestellt. Gestrichelt ist darüber die als Käfig gedachte Sekundärwicklung. Unter b ist die räumliche Verteilung der Induktion wieder nur unter Darstellung der Grundwelle für die drei Phasenflüsse gezeichnet. Der Momentanwert der maximalen Induktion ergibt sich aus dem links gezeichneten Vektordiagramm für
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werten ! und ? 0. Wieder ist die mittlere Induktion längs eines Ankerleiters gleich der Summe der Ordinaten der drei Kurven an dieser Stelle. Der Verlauf dieser Werte ist unter c dargestellt.
Es zeigt
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sich eine sinusförmige Verteilung, deren Mittellinie mit der Nullinie zusammenfällt; die Mittelwerte u0, v0, w0 ergeben also die Summe Null. Untersucht man die Verhältnisse für verschiedene Zeitmomente einer Periode, so findet man stets dieselbe räumliche Verteilung, die sich aber mit konstanter Geschwindigkeit nach rechts bewegt, d. h. es wird durch die Anordnung der Polreihen a ein Dreh-oder Wander- feld erzeugt ; genau wie durch eine verteilte Dreiphasenwicklung.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Anordnung für Drehstrom. Auf die Schenkel 16, 17 und 18 eines Eisenkörpers sind die Wicklungen 19,20 und : 21 der Phasen ! 7, 7 und 1F aufgebracht. Die magnetischen Flüsse der drei Phasen schliessen sich über einen beweglichen Sekundärteil 22, der in einer nicht näher dargestellten Weise zwangläufig geführt ist, beispielsweise um eine rechts zu denkende Achse drehbar ist.
In ähnlicher Weise wie in Fig. 3 sind die dem Sekundärteil 22 gegenÜber-
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der rechten Seite ist der Käfig durch die Stege 27 und.'28 geschlossen. Wie leicht einzusehen ist, sind die in der Figur vorhandenen Fluss- und Wicklungsverhältnisse mit denjenigen der Fig. 4 identisch, die Anordnung wirkt als dreiphasige Asynchronmaschine. Natürlich lässt sich die Anordnung symmetrisch in bezug auf die Drehachse ausführen, so dass der in Richtung auf den Schenkel V hin auftretende einseitige magnetische Zug durch ebensolche Gegenkräfte aufgehoben wird.
Aus den angezogenen Ausführungsbeispielen geht die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Anordnung hervor, doch ist zu betonen, dass die Erfindung an diese Ausführungsformen nicht gebunden ist, sondern noch viele andere zulässt. So ist es, wie schon eingangs erwähnt, in gewissen Fällen nicht erforderlich, den Mittelwert des Kraftflusses, wie er z. B. in Fig. 2 durch die Strecke s0 dargestellt ist, durch Einwirkung eines entgegengesetzten Flusses 110 in der Wirkung auf die sekundäre Wicklung zu kompensieren, wie dies bei allen Ausführungsformen bisher angenommen war.
Es ist dies bei rotationssymmetrischer Anordnung, bei der der Kraftfluss längs des ganzen Umfanges gleichmässig auf den Sekundärteil übertritt, nicht nötig, ohne Rücksicht auf die Art der sekundären Wicklung.
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schlussringen 2, 3 usw. besteht, die aber untereinander nicht leitend verbunden sind. Man kann bei dieser Art Wicklung nur mit einer Reihe, in jedem Augenblick gleichnamiger Wechselpole auskommen,
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Nuten zwischen den einzelnen Zähnen auf, die die oben beschriebene wellenförmige Induktionsverteilung verursachen. Die Zahnteilung'im Ständer und Läufer entspricht der für das synchrone Fortschreiten des magnetischen Wellenfeldes massgebenden doppelten Polteilung.
Die Polpaarzahl in dem gezeichneten
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sind unterhalb der drei von den Primärwicklungen umspannten Schenkel um je ein Drittel der doppelten Polteilung versetzt, so dass auch die Sekundärwicklung, wie oben beschrieben als dreiphasige Wicklung wirkt.
Die erfindungsgemässe Tertiärwicklung- ist in die Läufernuten eingelegt. Sie ist eine Zweiphasen- wieklung mit den zwei Phasenwicklungen U3, X3 und Y3, V3. Sie stellt, ebenso wie die Primärwicklung, ein einpoliges System dar, doch könnte sie auch ähnlich wie die Sekundärwicklung mit deren Polpaarzahl
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eine asynchrone Anordnung niedriger Polpaarzahl, im gezeichneten Beispiel der Polpaarzahl eins, dar, die mit der ursprünglichen asynchronen vielpoligen Anordnung, bestehend aus Primär- und Sckundärwicklung, eine Wicklung, nämlich die Primärwicklung, gemeinsam hat. Die Maschine stellt also eine ineinandergebaute Kombination zweier Asynchronmaschinen verschiedener Polpaarzahl und damit synchroner Drehzahlen dar, die natürlich in verschiedenen Schaltungen betrieben werden kann.
Ein möglicher Betriebsfall ist z. B. der, dass die Maschine bei direkt oder über Widerstand geschlossener Sekundärwicklung, zunächst offener Tertiärwicklung und Speisung durch die Primärwicklung als Motor mit einer von der Belastung abhängigen Schlüpfung läuft. Wird dann die Tertiärwicklung ebenfalls über Widerstand geschlossen, so erhöht sich die Drehzahl, da das System der Tertiärwicklung eine höherliegende synchrone Drehzahl hat, auch über die ursprüngliche synchrone Drchzahl hinaus. Die Maschine gewinnt also durch die Einführung der Tertiärwicklung an Regelfähinkeit. Es sei noch bemerkt, dass auch die Speisung durch die Tertiärwicklung erfolgen könnte, während die Primärwicklung deren erstgenannte Rolle übernehmen würde.
Ein zweiter, beispielsweise genannter Betriebsfall ist die Anwendung der Maschine zur Erzi"Iung des Gleichlaufes zweier oder mehrerer Wellen, die je durch eine solche Maschine angetrieben werden. Es laufen z. B. alle Motoren mit kurzgeschlossener Sekundärwicklung und Speisung durch die Primärwicklung. Ohne Zuhilfenahme der Tertiärwicklungen würden sie je nach der Belastung verschiedenen Schlupf aufweisen. Verbindet man nun die gleiehbezeiehneten Schleifringe der Tertiärwicklungen der einzelnen Motoren je untereinander, so müssen alle Wellen nicht nur mit gleicher Drehzahl, sondern auch
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befindlich sind, die diese Lage wieder herzustellen suchen. Wie vorhin können auch einzelne Wicklungen in ihren Funktionen vertauscht werden.
Es können also z. B. die Tertiärwicklungen gespeist und die Primärwicklungen untereinander verbunden werden. Oder es können Primär- oder Tertiärwicklungen kurzgeschlossen und die Sekundärwicklungen untereinander verbunden werden, kurz, es kann jede der drei Wicklungen zur Speisung als kurzgeschlossene Arbeitswicklung oder als Gleichlaufwicklung verwendet werden.
Eine weitere wichtige Anwendung der erfindungsgemässen Anordnung ist die der Frequenzumformung, die z. B. auf folgende Weise ermöglicht wird : Die Primärwicklung sei mit 50 Perioden gespeist, die Sekundärwicklung offen und die Tertiärwirklung kurzgeschlossen. Der Läufer dreht sieh dann mit nahezu 3000 Touren. Die Frequenz in der offenen Sekundärwicklung beträgt dann im vorliegenden Beispiel nahezu 750 Perioden. Wird die Sekundärwicklung belastet, so vergrössert sich die Sehliipfung der Tertiärvorrichtung, die Frequenz im Sekundärkreis nimmt ab. Es sei noch bemerkt, dass
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Asynchronmotors bildet, der sich durch die beiden Systemen gemeinsame Wicklung erklärt.
Natürlich sind mit den angezogenen Beispielen die Anwendungsmöglichkeiten der Maschine noch nicht erschöpft. Ähnlich wie die normale Asynchronmaschine in sehr vielen Schaltungen betrieben werden kann, sind auch bei der erfindungsgemässen Anordnung noch weitere Anwendungen und Betriebsfälle denkbar, von denen nur die aus der Kaskadenschaltung zweier der drei Wicklungen resultierenden Möglichkeiten hervorgehoben seien.
Die Maschine der Fig. ; 6 weist also drei Wicklungen auf, die nachstehend noch einmal im Zusammenhang beschrieben werden : Die Primätwicklung, die im Norma@fall vom Primärnetz gespeist wird, umfasst
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mit jeder Phase mehrere der durch die Sekundärwicklung bzw. die für die wellenförmige Verteilung der Induktion massgebenden Zahnteilungen und stellt so eine Wicklung niedrigerer Polzahl dar. Die Primärwicklung befindet sich normalerweise auf dem Ständer, kann aber auch auf dem Läufer untergebracht sein.
Die Sekundärwicklung, die auf dem Ständer oder auf dem Läufer befindlich sein kann, ergibt zusammen mit den gegenüberstehenden Zähnen und Nuten ein vielpoliges asynchrones System, das magnetisch in einer besonderen Weise mit der Primärwicklung verkettet ist. Das Kennzeichen der erfindungsgemässen Tertiärwicklung ist, dass sie, falls die Primärwicklung auf dem Ständer untergebracht ist, auf dem Läufer angeordnet ist oder umgekehrt, d. h. dass sie stets auf dem entgegengesetzten Teil aufgewickelt ist. Sie kann dem vielpoligen System der Primärwicklung angehören. Wie aus den näher beschriebenen Beispielen hervorgeht, können diese drei einzelnen Wicklungen ihre Rollen in der Schaltung
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wicklung, die vom Primärnetz gespeist sein kann.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Asynchrone, als Motor oder Generator wirkende umlaufende Ein-oder Mehrphaseninduktions- maschine, insbesondere mit kleiner Polteilung, dadurch gekennzeichnet, dass die primären Spulen mehrere durch Zähne und Nuten oder durch ausgeprägte Pole bestimmte Polteilungen gemeinsam umfassen und den auf die Sekundärwicklung einwirkenden magnetischen Wechselfluss für diese Polteilungen gemeinsam erzeugen.