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Elektrische Maschine.
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zu verwenden, die von der mechanischen Veränderlichen abhängen oder von 1 merklich verschieden sind, was auch durch eine äussere Zuschaltung einer festen Impedanz erreicht werden kann.
Während eine vielpolpaarige Maschine der üblichen Bauart sehr viele Wicklungen enthält, die sich bei kleiner Ausführung im Eisen schlecht unterbringen lassen, lassen sich auf Grund der Erfindung Maschinen mit höheren Polpaarzahlen mit nur sehr wenig Wicklungen erzielen, so dass sich der Aufbau ausserordentlich einfach gestaltet. Man kann ausserdem die Ausführung so wählen, dass der Rotor überhaupt keine Wicklungen bekommt und somit auch keine Zuführungen über Schleifringe notwendig sind.
Die Fig. 3-lla stellen im Prinzip Ausführungsbeispiele für Maschinenvierpole dar.
Fig. 3 zeigt die einfachste Form eines Zweispulensystems, wobei die eine der Wicklungen 2 auf dem Rotor und die andere Wicklung 1 im Stator untergebracht sind. Diese Ausführungsform entspricht einem einfachen Variometer. Die gegenseitige Induktivität ist mit der Verdrehung des
Rotors veränderlich, während die Eigeninduktivitäten beider Wicklungen konstant bleiben. Die folgenden Fig. 4-6 zeigen Prinzipschaltbilder von Maschinen, bei denen sich ausser der Gegeninduktivität auch die Eigeninduktivität einer oder beider Wicklungen ändert.
In Fig. 4 ist eine speziellere Ausführung angegeben, die ebenfalls durch zwei Selbstimpedanzen und eine gegenseitige Impedanz zu beschreiben ist. Sie besitzt eine Wicklung 3 im Stator und eine Wicklung 4 im Rotor, wobei jedoch der Stator eine zu der ersten Wicklung räumlich versetzte zweite Wicklung 5 besitzt, die in sich kurzgeschlossen ist, zum Zwecke der eindeutigen Orientierung des Wechselfeldes in der Maschine. Als Selbstimpedanzen zur Beschreibung des Verhaltens dieses Maschinenvierpols genügen die Impedanz der Wicklung 3 und die Impedanz zwischen den Schleifringen, d. h. die Impedanz der Wicklung 4 unter Berücksichtigung des Einflusses der kurzgeschlossenen Wicklung 5.
Es ist für diese Anordnung charakteristisch, dass bei Verdrehung des Rotors die resultierende Eigeninduktivität der Wicklung 3 im Stator konstant bleibt, wogegen sieh dabei die resultierende Eigeninduktivität der Wicklung 4 auf dem Rotor verändert.
Fig. 5 ist im Prinzip mit Fig. 4 identisch ; es sind lediglich Stator und Rotor miteinander vertauscht. Den Wicklungen 3, 4, 5 in Fig. 4 entsprechen der Reihe nach die Wicklungen 7,6, 8 (Fig. 5).
In Fig. 6 sind eine Wicklung 9 im Stator und eine Wicklung 10 im Rotor vorhanden, deren Impedanzen durch die räumlich versetzten Kurzschlusswicklungen 11, 12 derart beeinflusst werden, dass sich bei Verdrehung des Rotors sowohl die resultierende Eigeninduktivität der Wicklung 9 im Stator als auch die resultierende Eigeninduktivität der Wicklung 10 im Rotor verändert. In diesem Falle sind alle drei kennzeichnenden Grössen, die beiden Selbstimpedanzen und die gegenseitige Impedanz, von der Rotorstellung abhängig.
Fig. 7 stellt einen Maschinenvierpol mit ausgeprägten Polen im Stator dar, der im wesentlichen der in Fig. 4 gekennzeichneten Maschine gleichwertig ist. Die auf dem Stator angeordnete Wicklung 13 besteht aus zwei hintereinander geschalteten (räumlich nicht gegeneinander versetzten) Widdungs- hälften, die auf die beiden ausgeprägten Pole des Stators aufgebracht sind. Die Wicklung 14 befindet sieh im Rotor. Bei diesem Maschinenvierpol sind zwei der drei kennzeichnenden Grössen veränderlich, nämlich die Impedanz zwischen den Schleifringen und die gegenseitige Impedanz.
Fig. 8 stellt einen Maschinenvierpol dar, bei dem sowohl der Stator als auch der Rotor ausgeprägte Pole besitzt, wodurch die Maschine die gleiche charakteristische Eigenschaft erhält wie die Anordnung Fig. 6, d. h. alle drei kennzeichnenden Grössen sind von der Rotorstellung abhängig. Der Kopplungskoeffizient zwischen den beiden Wicklungen ist wesentlich unabhängig von der Rotorstellung und ungefähr gleich 1. 15 bzw. 16 sind die im Stator bzw. Rotor angeordneten Wicklungen.
Fig. 9 zeigt im Prinzip einen mehrpoligen Masehinenvierpol, bei dem im Stator 19 zwei Wicklungen 17, 18 untergebracht sind. Der Rotor 20 trägt dabei keine Wicklung. Sowohl der Stator als auch der Rotor sind mit gleicher Teilung gezahnt, und es ist die Zahnlücke gleich dem Zahnkopf. Der Stator ist in vier Abschnitte I, 11, 11, IV unterteilt, in denen die Zähne so gegeneinander versetzt sind, dass beispielsweise in den Abschnitten II, IV die Statorzähne den Rotorzähnen und in den Abschnitten 1, Ill den Rotorlücken gegenüberstehen.
Es ist leicht zu ersehen, dass bei Verdrehung des Rotors die gegenseitige Induktivität der Wicklungen variabel ist, während die Eigeninduktivitäten nahezu konstant bleiben, so dass sich die Anordnung elektrisch analog der Anordnung Fig. 3 verhält. Die Änderung der Eigeninduktivitäten der Wicklungen hängt von der Änderung des magnetischen Widerstandes für den durch die Wicklungen hindurehtretenden Kraftfluss ab. Für den magnetischen Widerstand ist die relative Lage der Rotorzähne zu den Statorzähnen massgebend. In den Abschnitten II und IV stehen Statorund Rotorzähne einander unmittelbar gegenüber, während in den Abschnitten 7 und 777 diss Rotorzähne um eine halbe Zahnteilung gegenüber den Statorzähnen versetzt sind.
In den zuerst genannten Abschnitten hat daher der magnetische Widerstand seinen Kleinstwert und in den beiden übrigen Abschnitten seinen Grösstwert. Für die Eigeninduktivität der Wicklungen ist der senkrecht zur Wicklungebene hindurchtretende Fluss massgebend. Da das Verhältnis von Zahnlücke zu Zahnbreite sowohl im Stator als auch im Rotor 1 : 1 ist, hat der magnetische Gesamtwiderstand für einen senkrecht zur Spulenebene hindurchtretenden Fluss immer den gleichen Wert unabhängig von der jeweiligen Rotorstellung,
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der beiden andern Maschinenvierpole angeschlossen und nach dem Leiter 111 des Drehstromnetzes geführt. Die Schaltung der andern Wicklungen 48, 49,50, 51 ist die gleiche wie in der Fig. 12 beschrieben.
Dieses Beispiel führt vor Augen, dass es nicht auf die Zahl der wirklich vorhandenen Wicklungen ankommt, sondern dass zur Kennzeichnung der Wicklungsweise mehrere, in diesem Fall je zwei Impedanzen (44 bzw. 45) zu einer äquivalenten Selbstimpedanz zusammengefasst werden können.
Zur Herstellung eines Dreiphasen-Asynchronmotors (Fig. 14) sind neun Maschinenvierpole mit Rotoren 52a, 52b, 52c erforderlich, von denen die Wicklungen 5. 3 in der in der Figur angegebenen Weise zusammengeschaltet und an die drei Phasen 1, 11, 111 angeschlossen werden. Die Rotoren 52a haben die gleiche Stellung bezüglich der Polpaarteilung, desgleichen haben die Rotoren 52b unter sich und 52c unter sich die gleiche Stellung, aber die Gruppe b ist gegen die Gruppe a um 1200 und die Gruppe c gegen Gruppe a um 240 (bezüglich der Polpaarteilung) verschoben. Die Ausführung der zweiten Wicklunggruppe 54 entspricht den Rotorausführungen des normalen Asynchronmotors und kann in Stern oder Dreieck zusammengeschaltet werden.
Fig. 15 zeigt eine Anordnung zur synchronen Übertragung von Bewegungen ; eine Anordnung, bei der sowohl der nachzubildende Geber als auch der nachzubildende Empfänger eine einphasige Wicklung mit ausgeprägten Polen im Stator und eine zweiphasige Wicklung im Rotor haben (entsprechend Fig. 2).
Jedes der beiden Systeme 55 und 56 besteht aus zwei Maschinenvierpolen 57, 58 bzw. 59,60. Die Wicklungen 61, 62 des Systems 55 werden ebenso wie die Wicklungen 63,64 des andern Systems 56 in Reihe an das gleiche Wechselstromnetz gelegt. Die Rotoren 57, 58 bzw. 59,60 sind wieder um 900 gegeneinander versetzt. Die übrigen Wicklungen 65,66 und 67, 68 sind sinngemäss miteinander verbunden. Die beiden Systeme suchen sich derart einzustellen, dass die Ausgleichsströme in den Verbindungsleitungen verschwinden. Wird ein System mechanisch bewegt, so bewirken die nunmehr auftretenden Ausgleichsströme in den Verbindungsleitungen einen synchronen Nachlauf des zweiten Systems. Besitzen die beiden Systeme gleiche Polpaarzahl, so werden sie sich mit gleicher Tourenzahl bewegen.
Durch Verwendung ungleicher Polpaarzahlen kann eine beliebige Übersetzung der Bewegungen erreicht werden. Durch Kombination von drei Maschinenvierpolen kann ein dreiphasiges Synchronsystem nachgebildet werden. Es kann dabei zweckmässig sein, die eine der beiden Maschinen, entweder den Geber oder den Empfänger, in der üblichen Weise, nicht durch Nachbildung durch Masehinenvierpole, herzustellen, insbesondere dann, wenn diese Maschine wenig Polpaare haben soll. Ein solcher Fall ist in Fig. 16 dargestellt, bei dem als Geber beispielsweise eine einpolpaarige Maschine mit einachsigem Statorfeld und geschlossener Wicklung 70 auf dem Läufer verwendet sind. Die Läuferwicklung bekommt Anzapfungen an vier symmetrischen Stellen, die zu den Schleifringen 72-75 geführt wird.
Die Wicklungen 82, 81
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Empfängermaschine, die durch die in Reihe geschalteten Wicklungen 79 und 80 mit Einphasenstrom erregt wird, sind über die Schleifringe je an einem Durchmesser der Läuferwicklung 70 angeschlossen.
Im vorliegenden Falle ist das einachsige Statorfeld der Gebermaschine, dessen Erzeugung durch die Wicklung 69 erfolgt, durch die Kurzschlusswicklung 71 definiert ; selbstverständlich kann man die Achse des Feldes ebenfalls durch ausgeprägte Pole festlegen.
Für die Wirkungsweise als Einrichtung zur synchronen Übertragung von Bewegungen ist es nicht von Belang, wenn die geschlossene Läuferwicklung 70 einen Kollektor 183 bekommt, dessen Bürsten 184, 185 so stehen, dass der durch die Bürsten fliessende Strom kein Feld in der Maschine erzeugen kann.
In dem vorliegenden Fall wird die Entstehung eines zusätzlichen Ankerfeldes durch die Kurzschlusswicklung verhindert. Die Gebermaschine kann daher in jeder Schaltung als Kollektormotor betrieben werden, bei der ein einachsiges Wechselfeld in der Maschine Bedingung ist. Infolgedessen kann man dieses System dazu benutzen, um mit der Gebermaschine als Motor eine Arbeitsmaschine zu betreiben und gleichzeitig deren Bewegung auf elektrische Weise synchron, je nach der Polpaarzahl in beliebigem Verhältnis übersetzt, auf irgendeine andere Arbeitsmaschine übertragen.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die synchrone Bewegungsübertragung zwischen Bildprojektor und Plattenspieler einerseits und zwischen Bildprojektor und Tonprojektor anderseits bei Tonfilmeinrichtungen. Der Geber dient dabei als Antriebsmotor für den Bildprojektor ; er ist mit ihm direkt oder über eine zwangsläufige Übersetzung verbunden. An die Schleifringe des Antriebsmotors sind gleichzeitig die Empfänger für den Plattenspielerantrieb und für den Antrieb des Tonprojektors angeschlossen. Als wesentlicher Vorteil ist zu erwähnen, dass durch die elektrisch elastische Bindung Stösse des Bildprojektors weder auf den Plattenspieler noch auf den Tonprojektor übertragen werden.
Wird das Empfangssystem mit einem Vielfachen der Polpaarzahl des Antriebsmotors ausgeführt, so kann eine starke Übersetzung der synchron übertragenen Bewegungen erreicht werden.
Fig. 17 zeigt ein Differentialsystem, das zwei-oder dreiphasig entsprechend den zwei-oder dreiphasigen Gebern der Synchronübertragung ausgeführt werden kann. Die Figur zeigt die zweiphasige Ausbildung. Die Wicklungen der für ein Zweiphasensystem erforderlichen vier Maschinenvierpole 83-86 sind in der dargestellten Weise zusammengeschlossen. Die eine Gruppe der Wicklungen 87-90 sind an die zwei Phasen des einen Gebersystems 91 und die zweite Gruppe der Wicklungen 92-95 an das andere Gebersystem 96 angeschlossen.
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Eine spezielle Ausführungsform dieser Differentialsysteme ist ein Synchronoskop. Dureh Verwendung der Scott-Schaltung ist es möglich, ein zweiphasiges Synehronoskop nach Fig. 18 aus vier Maschinenvierpolen 97-100 zusammenzusetzen im Anschluss an zwei Drehstromnetze A und B. Die bereits in Fig. 13 angegebene Scott-Schaltung ist für beide Gruppen der an die Netze A bzw. B ange- schlossenen Wicklungen derart ausgebildet, dass die erforderliche Phasenverschiebung erreicht wird.
Die noch freien Wicklungen der beiden Systeme 91 und 96 sind an die Stromquelle 1 angeschaltet.
Die Rotoren 97, 98 bzw. 99, 100 sind wieder um 90 (bezogen auf die Polpaarteilung) versetzt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur äquivalenten Nachbildung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Maschinen ohne Kollektor (Asynchron-, Synchronmaschinen, Phasenschiebern, Induktionsreglern usw.), die grundsätzlich durch mehr als zwei Selbstimpedanzen und deren gegenseitige Impedanzen zu kennzeichnen sind, aus zwei oder mehr Maschinenvierpolen (Masehineneinheiten mit nur zwei Selbstimpedanzen und einer gegenseitigen Impedanz, von denen wenigstens eine in Abhängigkeit von nur einer mechanischen unabhängigen Veränderlichen, beispielsweise der Rotorstellung, veränderlich ist) aufgebaut ist, die mechanisch gekuppelt und elektrisch verbunden sind.