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Wicklungsanordnung für Anker elektrischer Maschinen.
Gegenstand der Erfindung bildet eine neuartige Kurzschlusswicklung, deren Widerstand ohne Verwendung fremder Widerstände verändert werden kann. Der Hauptverwendungszweck ist für Läufer von Asynchronmotoren. Die Veränderung des Widerstandes der Wicklung wird durch Gegenschaltung erreicht, d. h. es wird durch die weiter beschriebenen neuartigen Schaltungen erreicht, dass der Stromverlauf in den einzelnen Leitern derart geändert wird, dass eine erwünschte, sehr hohe Vergrösserung der Verluste, also des Widerstandes, eintritt, wobei die Streuung sehr niedrig gehalten werden kann.
Eine Grundform der erfindungsgemässen Wicklung ist in Fig. 1 dargestellt. Es bedeutet 1 bis 6 einige Leiter der Wicklung, die auf einer Seite des Ankers 12 durch einen Ring 7 miteinander verbunden sind. Die Leiter 2 und 3 bzw. 4 und 5 usw. sind in je einer Nut des Ankers 12 zweckmässig nebeneinander angeordnet, wie der Querschnitt durch den Anker Fig. 2 zeigt. Auf der andern Seite des Ankers 12 führen je zwei Leiter benachbarter Nuten, z. B. 1 und 2,3 und 4,5 und 6 usw., zu Impedanzen 9, 10, 11 beliebiger Bauart, die ihrerseits, z. B. durch einen Ring 8, verbunden sind.
Wird die Grösse der Impedanzen 9, 10, 11 usw. auf irgendeine Weise zu Null gemacht, so verläuft der Strom nach Fig. 3. Die Anordnung entspricht einem normalen Käfiganker mit zwei parallel geschalteten Leitern je Nut.
Wird die Grösse der Impedanzen 9, 10, 11 usw. auf irgendeine Weise, z. B. durch Abschalten, unendlich gross gemacht, so verläuft der Strom nach Fig. 4, d. h. der Strom des Ringes 7 umfliesst die anliegenden Zähne. Der Strom des Ringes fliesst z. B. durch den Leiter 3 nach rechts und kehrt durch den Leiter 4 wieder zurück ; dies ist in Fig. 2 dadurch zum Ausdruck gebracht, dass Leiter 3 durch" a ;", Leiter 4 durch"oll ausgefüllt ist, hiebei bedeutet"x"einen Strom, der in die Papierebene von oben eintritt,,, 0" einen Strom, der aus der Papierebene von unten austritt.
Dadurch, dass die Leiter in Fig. 4 vom Ringstrom durchflossen werden, in Fig. 3 jedoch nur vom halben Nutstrom, sind die Kupferverluste in ihnen bei gleichen Strömen in den Ringen 7 (Fig. 3 und 4) in Fig. 4 vergrössert, u. zw. mit
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standserhöhung umgekehrt proportional dem Quadrate des Wicklungsfaktors k der Ankerspulen 1, 2 bzw. 3,4 usw. ist. Die Ankerspulen können naturgemäss auch mit grösserem Schritte y als einer Nutteilung ausgeführt werden (s. Fig. 14).
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verschoben sind, dass ihre geometrische Summe gerade nur den normalen Strom je Nut für den normalen Betriebszustand bei Lauf ergeben. Es bildet sieh daher nur ein schwaches Nutenquerfeld aus.
Es ändern sich deshalb weder Nut noch Differenz (=Oberwellenstreuung) noch Ringstreuung, daher ist die Reaktanz unverändert.
Die Gegenschaltung von Leitern in einer und derselben Nut gemäss der Erfindung bedeutet einen wesentlichen technischen Fortschritt gegenüber den bekannten Gegenschaltungen, die zwar auch durch grosse Schrittverkürzung gekennzeichnet sind, bei denen jedoch je Nut nur ein Leiter vorhanden ist, so dass dort eine bedeutende Vergrösserung der Streuung auftritt.
Der Stromverlauf bei Impedanzen, die von 0, bzw. oo abweichen, ist derselbe wie bei Doppelkäfigläufern, allerdings mit dem Vorteile, dass die Wärmekapazität viel grösser ist, da für den Anlauf die ganze Wicklung zur Verfügung steht, wogegen bei Doppelkäfigläufern der grösste Teil der Anlaufwärme im Anlaufkäfig mit viel geringerem Metallgewichte vernichtet wird. Ein weiterer Vorteil ist die geringere radiale Nuthöhe.
Die Impedanzen 9, 10, 11 usw. können dadurch erzielt werden, dass 9, 10, 11 usw. in bekannter Weise einen zweiten Hilfsanker 13 bilden (Fig. 5). Die Leiter des Hilfsankers 13 können durch Verlängerung der Leiter 1, 2,3, 4 usw. des Hauptankers 12 erhalten werden (Fig. 6).
Auf dem Hilfsanker können magnetische Hilfsteile aufliegen, die durch Zentrifugalkräfte während des Anlaufes abgehoben werden, wodurch der Leistungsfaktor und die Überlastungsfähigkeit gegenüber einem normalen Käfiganker wesentlich verbessert werden kann. Die Konstruktion des Hilfsankers ist dann ähnlich wie der Hilfsanker der Bayerischen Elektrizitätswerke, Landshut (D. R. P. Nr. 417703, 426794).
Wird der Hilfsanker magnetisch so reichlich bemessen, dass keine wesentliche Sättigung eintritt, und sind die Nuten, in denen die Leiter 9, 10, 11 usw. (Fig. 5) bzw. die Leiter 1, 2, 3 usw. im Hilfsanker 13 (Fig. 6) liegen, eingeschlossen, so ist die Reaktanz der Leiter des Hilfsankers so gross, der Magnetisierungsstrom hingegen so klein, dass beim Anlauf der Stromverlauf mit grosser Annäherung demjenigen gemäss Fig. 4 entsprechen wird. Der Stromverlauf ist für den Anlauf in Fig. 5 und 6 durch Pfeile angedeutet ; die Pfeile der Leiter 9, 10, 11 usw., die zum Ringe 8 weisen, deuten den Magnetisierungsstrom des Hilfsankers an.
In Fig. 6 tritt eine Widerstandserhöhung in den Leitern 1, 2, 3 usw. sowohl im Hauptanker 12 als auch im Hilfsanker 13 auf ; durch elektrisch leitende Verbindung benachbarter Leiter 1, 2 bzw. 3, 4 usw. über eine wählbare Länge 41, bzw. benachbarter Leiter 2, 3 bzw. 4, 5 usw. über eine beliebige Länge 40, kann jedoch die Widerstandserhöhung gegebenenfalls bis auf Null vermindert werden. Auf diese Weise kann man demnach stets Spulen mit der Spulenweite 1 verwenden. Beim Anlauf fliesst in den Längen 40 nur der normale Leiterstrom, angedeutet durch die Pfeile 45 und durch die Leiter des Hilfsankers über die Längen 41 nur der Magnetisierungsstrom, angedeutet durch die Pfeile 46.
Bei Lauf ist die Rotorfrequenz sehr klein, die Reaktanz daher, besonders wenn der Eisensehluss der Nuten des Hilfsankers durch Einführen eines Luftspaltes unterbrochen wird, ebenfalls klein, so dass der Stromverlauf nunmehr der Fig. 3 entsprechend sein wird.
Auch durch Veränderung des Ohmschen Widerstandes von 9, 10, 11 usw. (Fig. 1) lässt sich der Stromverlauf ändern. Diese Lösung dürfte jedoch mit Rücksicht auf die grossen Ströme, geringen Spannungen und grosse Schalterzahl sehr schwierig sein.
Die erfindungsgemässe Wicklung kann als ein Sonderfall der von Punga (D. R. P. Nr. 276610)
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schaltung, also je ein Stab, demnach mit dem bestmöglichen Wicklungsfaktor k = 1 auf ein System von in Stern-oder in Ringschaltung geschalteten Impedanzen 9, 10, 11 (Fig. 1) geschaltet sind, wobei
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Null nähert.
Es sei bemerkt, dass die Anordnung der Wieklung mit einem Schritt, der grösser als eine Nutteilung ist, nach Fig. 2 schwierig ist, da die Stirnverbindungen der Wieldung sich am einfachsten in
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zwei Lagen anordnen lassen und hiefür auch die Ausführung je Nut in zwei Lagen radial übereinander das Gegebene ist. Die Anordnung der Leiter übereinander im Gegensatz zu Fig. 2, in der beide Leiter die ganze Nuthöhe einnehmen, ergibt bedeutend grössere Nutstreuungen, da die gegenseitige Induktivität der Leiter, welche die totale Induktivität infolge der grossen Phasenverschiebung der Ströme stark heruntersetzt, in diesem Fall viel kleiner ist und sich infolge der grossen Leiterströme ein starkes Nutenquerfeld gegen die Nutmitte ausbilden kann.
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Die Spannungen an den Impedanzen 9, 10, 11 beim Anlauf sind fast so gross wie die Spannung der Stäbe des Ankers 1, 2 usw. im Stillstande. Die Impedanzen 9, 10, 11 müssen demnach, falls sie als Induktivitäten ausgeführt werden und der Magnetisierungsstrom nicht gross sein soll, fast so gross sein wie der Anker (Fig. 5 und 6). Diesen Nachteil vermeidet die weiter an Hand der Fig. 7 beschriebene Modifikation des Erfindungsgegenstandes. Es wird an Stelle der Impedanzen 9, 10, 11 usw. ein Spiegelbild des Ankers 12 verwendet. Der ursprüngliche Anker sei mit 121, das Spiegelbild des Ankers mit 122 bezeichnet. Der Anker 122 wird ebenfalls von einem Ständer vom Netz induziert.
Es kann bei richtiger Phasenverschiebung des Feldes im Anker 122 gegenüber 121 bei Phasenopposition kein Strom vom Anker 121 nach 122 fliessen, genau so, wie in Fig. 4 bei unendlich grossen Impedanzen 9,
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verläuft (Fig. 7). Bei Verdrehung der Felder so, dass sie in beiden Ankern entlang jedes durchgehenden Leiters dieselbe Phase haben, fliesst der Strom durch die beiden Anker von Ring 71 zum Ring 72 hindurch ; die Widerstandserhöhung ist 0 (Fig. 8).
Da beide Anker am Übertragen der Leistung beteiligt sind, kann jeder Anker für die halbe Leistung ausgeführt werden, so dass die totale Ankerlänge dieselbe bleibt, wie bei einem normalen Motor. Es entfallen jederlei Schalter, Widerstände und Reaktanzen im Rotor, die nur bei Anlauf wirksam sind ; die gesamte Veränderung der Stromgrösse und des Stromverlaufes im Rotor wird durch Ver- drehung des einen Standerieldes erreicht.
Wir wollen diese Abart des vorliegenden Jir mndungsgegen- standes Doppelgegenschaltung nennen, da zwei Anker mit vielphasiger Gegenschaltung transformatorisch vom Ständer aus gesteuert werden, indem die Phase des Feldes durch Verdrehung des einen Ständers gegen den andern mechanisch oder elektrisch in an und für sich bekannter Weise wie bei wohlbekannten Doppelständermotoren vorgenommen wird (z. B. D. R. P. Nr. 108543,129788, 327284,334151, 411387).
Die Verwendung des erfindungsgemässen Ankers mit Doppelgegenschaltung für alle bekannten Doppelständermotoren ist mit grossen Vorteilen verbunden, wie nachstehend angeführt sei. Es lassen sich sehr grosse Widerstandserhöhungen erreichen, ohne irgendwelches Widerstandsmaterial zu verwenden, im Gegensatz zu den bekannten Ankern von Doppelständermotoren, die in der Mitte zwischen beiden Ankern Ringe aus Widerstandsmaterial verwenden, die mit Rücksicht auf die geringen Entfernungen benachbarter Nuten entsprechend geringe Längen und deshalb sowie auch wegen des geringen zur Verfügung stehenden Platzes geringe Querschnitte, daher geringes Gewicht und geringe Wärmekapazität haben.
Die Verluste, die während des Anlaufes bei der erfindungsgemässen Wicklung in dieser gleichmässig verteilt entstehen, erwärmen die gesamte verhältnismässig schwere Wicklung gleichmässig ; im Gegensatz hiezu ist die Erwärmung des Widerstandes der bekannten Doppelständermotoren,
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von Widerständen allein, wegen seines geringen Gewichtes und deshalb geringer Wärmekapazität in einem notwendigen und entsprechenden Ausmasse schwer erreichbar ist, sind Lösungen bekanntgeworden, die durch Verringerung des Flusses die Ströme im Anker erhöhen, um hiedurch einen grösseren Teil der Verluste im Ankerkupfer zu vernichten.
Gegenüber diesen Lösungen hat die erfindungsgemässe Anordnung den Vorteil, dass die Anlaufströme viel kleiner sind, da die Gesamtstreuung viel kleiner
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ist, da nur der Widerstand des Ankers erhöht ist und nicht auch der Primärwiderstand und die totale Streuung wie bei den Lösungen, bei welchen der Anlauf des Motors zuerst in Serienschaltung geschieht, wodurch Primärwiderstand und totale Streuung auf das Vierfache ansteigen und das Kippmoment auf ein Viertel herabgesetzt wird.
Ein weiterer Vorteil der neuen Anordnung gegenüber denjenigen Lösungen, bei welchen der Widerstand des Ankers vergrössert wird, um den Widerstand zum Teil in den Anker zu verlegen, ist der Umstand, dass dies nicht notwendig ist, die Verluste dennoch vollständig im Anker vernichtet und der Wirkungsgrad und die Wärmekapazität durch die Wahl grösserer Kupferquerschnitte vergrössert werden. Das Schweissen von Kupfer mit Kupfer ist leichter durchzuführen als dasjenige mit Widerstandsmaterial. Infolge der geringen und gleichmässigen Erwärmung ist die Beanspruchung der Schweissstellen eine viel kleinere und günstigere. Auch die Lüftung ist durch den Entfall der Widerstände zwischen den beiden Ankern besser.
Wird nur ein Ständer an das Netz angeschlossen, so bildet der zweite Motor die Impedanzen 9, 10, 11 gleich der Leerlaufimpedanz des Motors. Es ist also in dieser Schaltung der eingeschaltete Motor in Anlaufstellung entsprechend Fig. 5, wodurch sich halbe Momente bei etwa halben Strömen erzielen lassen.
Einige Ausführungsformen des Ankers für die erfindungsgemässe Doppelgegenschaltung zeigen die Fig. 9,10, 11, 12,13 und 14.
In Fig. 9 ist die Widerstandserhöhung vermindert, indem die Stäbe 15 zum Teil miteinander leitend verbunden sind. Dies kann in einem oder in beiden Ankern auf gleiche oder verschiedene Weise
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bindungsstücke M, dasselbe Ergebnis wie in Fig. 7 und 8 erreicht wird. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Länge der Verbindungsstellen 21 sehr gross ist, so dass trotz der beim Anlauf verhältnismässig grossen Ströme (bis sechsfach) die Beanspruchung der Verbindungsstellen 21 in den üblichen Grenzen gehalten werden kann.
In Fig. 12 ist eine einfache Lösung dargestellt für den Fall, dass die Widerstandserhöhung ohne Verringerung der Nutzahl verringert werden soll. Einzelne Stäbe 25 werden gerade ausgeführt und an Stellen 26 über eine entsprechende Länge miteinander verbunden. Diese Stäbe werden axial in die Anker hineingeschoben, wogegen Stäbe 27 durch die Nutöffnungen hineingelegt und an Stellen 28 mit den Stäben 25 verbunden werden.
Ein weiteres Mittel, die Widerstandserhöhung sogar am fertigen Motoranker zu verändern, ist durch die Veränderung der Länge 21 und 28 gegeben. In Fig. 13 sind die Stäbe im Gegensatz zu Fig. 11 nur einmal gebogen und die Nuten der beiden Anker gegeneinander versetzt. Es lassen sich hiedurch die Nutoberwellen im gewissen Sinne unterdrücken. Schliesslich ist in Fig. 14 angedeutet, wie eine aus Wicklungselementen 32 zusammengesetzte Wicklung einen Wicklungsschritt. 33 y = 2 ergibt.
Die Anker 121 und 122 können auch mit Wicklungen nach Fig. 5 oder Fig. 6 versehen sein.
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Die Wicklungsanordnung gemäss Fig. 6 eignet sich deshalb für Doppelständermotoren, besonders für grosse Widerstandserhöhungen.
Durch Verlängerung, z. B. der Lötstellen 41, kann auch in diesem Falle die oben angegebene grosse Widerstandserhöhung vermindert werden und beträgt nach Fig. 5 bereits nur die Hälfte.
Fig. 5 stellt einen Sonderfall der Ausführung nach Fig. 6 dar, in der die Lötstellen 41 die Hälfte der totalen Längen der Stäbe betragen und 1 mit 2 bzw. : 3 mit 4 usw. über die ganze Länge des Ankers. M leitend verbinden, so dass im Anker 13 elektrisch ein Leiter je Nut wirksam ist. Innerhalb des Ankers 1 : 3 ist das Löten 41 nicht notwendig, es genügt, die Leiter 1 mit 2 bzw. 5 mit 4 usw. an beiden Seiten
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