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Polumschaltbare Synchronmaschine mit einer Wechselstromwicklung und einer Gleichstromfeldwicklung
Die Erfindung betrifft eine polumschaltbare Synchronmaschine mit einer Wechselstromwicklung und einer Gleichstromfeldwicklung, beispielsweise mit einer Stator- bzw. einer Rotorwicklung, die durch
Umschalten von Wicklungsteilen Arbeitszustände einer ersten und einer zweiten Polzahl herzustellen er- lauben. Die Synchronmaschine arbeitet nach dem Verfahren der Polamplitudenmodulation : NÅahereshier- i über enthält die Veröffentlichung von Rawcliffe etal. in The Proceedings of the Institution of Electrical
Engineers, London, Aug. 1958 (Vol. 105 Part A, No. 22).
Die vorliegende polumschaltbare Synchronmaschine gehört ferner der Art an, gemäss welcher die
Feldwicklung in eine gerade Zahl von über den Wicklungsumfang angeordneten gleichen Wicklungsab- schnitten geteilt ist, insbesondere in zwei Abschnitte und jeder Abschnitt die Spulen von mindestens drei Polen der ersten Polzahl umfasst und die Feldwicklung ferner so ausgeführt ist, dass sie für die erste
Polzahl bei Erregung sämtlicher Spulen Pole gleicher Amplituden und mit Bezug aufeinander abwechseln- der Polarität liefert und für die zweite Polzahl ausgewählte Spulen von geradzahligen Abschnitten (oder eines Abschnitts) schaltungsmässig umgekehrt sind.
Die drei Phasenwicklungen einer erfindungsgemässen polumschaltbaren Drehstrommaschine sind wie bei üblichen, für eine feste Polzahl ausgelegten Maschinen angeordnet, d. h., dass bei dem Betrieb mit einer der beiden wählbaren Polzahlen jede Phasenwicklung in üblicher Weise Pole unterschiedlicher Po- larität über dem Ankerumfang bildet.
Bei dem Schalten der Maschine auf die andere der beiden Polzahlen wird jede Hälfte einer jeden
Phasenwicklung umgepolt. Die zweite Hälfte jeder Phasenwicklung ist also im Vergleich mit der ersten
Hälfte umgekehrt gepolt, oder das zweite und vierte Viertel sind umgekehrt wie das erste und dritte
Viertel usw. gepolt.
Ausserdem wird ein Pol an dem einen oder andern Ende jeder halben oder viertel Phasenwicklung vollständig aus dem Stromkreis herausgenommen. Wahlweise kann auch die Feldstärke der beiden End- pole jeder halben oder viertel Phasenwicklung durch das Abschalten einer oder mehrerer Spulen der entsprechenden Spulengruppe oder durch ein Gegenfeld verringert werden. Das Ergebnis ist eine modulierte magnetische Feldkurve entlang des Ankerumfangs, die zwei magnetische Feldstärke-Komponenten enthält, deren eine einer höheren Polzahl und deren andere einer niedrigeren Polzahl als der ursprünglichen
Polzahl entspricht.
Wenn die drei Phasenwicklungen in einem gegenseitigen Winkelabstand von 120 mechanischen Graden versetzt sind, wird eine der beiden magnetischen Feldstärke-Komponenten - entweder die der höheren oder die der niedrigeren Polzahl entsprechende-in dem resultierende Dreiphasen-Drehfeld aufgehoben. Übrig bleibt die der andern Polzahl entsprechende, durch die Modulation gewonnene Feldstär- ke-Komponente als polzahlbestimmend. Die abgewandelte Polzahl kann, wie bereits erwähnt, entweder höher oder niedriger sein als die ursprüngliche Polzahl.
Die für die Polfeldstärke-Modulation vorgesehenen Drehstromwicklungen sind für Induktionsmoto- ren und auch für andere umlaufende elektrische Maschinen gut geeignet ; insbesondere können sie bei Synchronmaschinen mit einer Gleichstrom-Erregerwicklung und einer Drehstromwicklung angewandt werden.
Es ist bereits bekannt, bei Synchronmaschinen Blindpole ("Phantompole") in dem Gleichstrom Erregerfeld durch Gegenschalten oder Abschalten der Erregung einiger Gleichstrompole und durch ein
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demtat aller Pole der geradzahligen Abschnitte oder des Abschnittes hinsichtlich der Polarität, welche sie für die erstgenannte Polzahl zeigen, umgepolt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel gemäss der vorliegenden Erfindung wird der oben erwähnte Nachteil der bekannten, mit einer Blindpole aufweisenden Gleichstromwicklung versehenenMaschinen Jadurch vermieden, dass eine Drei-Phasen-Wicklung dergestalt angeordnet ist, dass sie zwei verschiedene Pol- zahlen mit Hilfe der Polamplitudenmodulation ergibt, und es ist die Gleichstrom-Erregerwicklung der- gestalt gewickelt und geschaltet, dass sie in einer der Schaltstellungen Blindpole aufweist. Die Gleichstromwicklung ist in zwei Wicklungsabschnitte unterteilt, von denen der eine Abschnitt dem andern um 180 mechanische Grade um die Ankerachse versetzt gegenüberliegt. Zur Schaltung mit Blind polen wird eine Hälfte der Wicklung gegenüber der andern Hälfte umgepolt, und die Feldstärke eines jeden der vier an den Enden der beiden Wicklungshälften liegenden Pole vermindert.
DieseFeldstärke-Verminderung kann durch das Abschalten einiger Windungen bei jeder der vier erwähnten Spulen erfolgen oder durch eine teilweise Aufhebung der Feldstärke dieser Spulen. Vorzugsweise werden bei den vier Endspulen etwa drei Viertel der Anzahl der Windungen abgeschaltet. Durch dieses Abschalten wird die Feldstärkedieser Pole auf 23, eg0 der Feldstärke der einzelnen andern Pole vermindert. Bei einer teilweisen Aufhebung der Feldstärke dieser vier Endpole tritt ebenfalls eine entsprechende Feldverminderung auf 23, 6% ein.
In Fig. IC ist die Schaltung einer erfindungsgemässen Gleichstrom-Wicklung nach Fig. IA zur Erzielung einer Achtpolwicklung unter Bildung von Blindpolen schematisch dargestellt. In dieser Schaltstel- lung ist die aus den Spulen 6 - 10 gebildete Wicklungshälfte im Vergleich zu der von den Spulen 1 - 5 gebildeten Wicklungshälfte umgekehrt gepolt. Zusätzlich ist die Feldstärke der Pole 1, 5,6 und 10 vermindert. Die Pole 1 und 5 werden durch die Spulen 1 und 5 an den Enden der ersten Wicklungshälfte, und die Pole 6 und 10 werden durch die Spulen 6 und 10 an den Enden der andern Wicklungshälfte gebildet. Die Restfeldstärke der Pole l, 5,6 und 10 ist in dem Schaltdiagramm nach Fig. 1C durch die Amplitude ah dargestellt.
Die Amplitude der ungeschwächten Pole 2,3, 4,7, 8 und 9 hat wie in Fig. 1A den Wert h. Werden bei den Spulen 1. 5, 6 und 10 jeweils drei Viertel der Anzahl der Windungen abgeschaltet, so dass die Restfeldstärke ah einem Viertel der normalen Feldstärke h entspricht, ergibt sich folgende Gleichung für das Kraftfeld Y :
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Masse bei dem Aufbau der Feldstärke des entsprechenden Poles mitwirkt. Bei dem gewählten Ausfüh- rungsbeispiel, bei dem ein Teil der Windungszahl der Spulen l, 5, 6 und 10 abgeschaltet oder die Feldstärke dieser Spulen in einem solchen Ausmass aufgehoben wird, dass die Restfeldstärke ah 0, 236 h beträgt, verschwindet der Anteil von cos 2e völlig aus der Kraftfeldgleichung, so dass in dem verbleibenden Feld der achtpolige Feldanteil die Hauptkomponente bildet.
Dies ist die erfindungsgemässe Ausbil dung der Gleichstrom-Blind pol-Wicklung.
Andere physikalische Ausbildungen der Gleichstromfeldwicklung und der Umschaltverbindungen zum Umschalten eines zehnpoligen Kraftfeldes gemäss Fig. 1A auf ein achtpoliges Kraftfeld gemäss Fig. 1C sind in den Fig. 2, 3, 4 und 5 der Zeichnung schematisch dargestellt, in denen einander entsprechende Elemente jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind.
In jeder der Figuren soll die Gleichstromwicklung auf dem Rotor der Maschine angeordnet sein. Die Verbindungsleitungen zu der Wicklung sind über eine Anzahl von Schleifringen aus der Maschine herausgeführt. Die Schleifringe sind auf der rechten Seite jeder Figur dargestellt ; ebenso die beiden Polschaltungen, von denen die Zehnpolschaltung oberhalb und die Achtpolschaltung unterhalb der Schleifringe eingetragen ist.
Die in Fig. 2 dargestellte Zehnpolgleichstromwicklung besteht aus zehn Spulen 1 - 10, die zu zwei, die Spulen 1 - 5 oder 6 - 10 umfassende, Wicklungshälften gegliedert sind. Die jeweils an den Enden der beiden Wicklungshälften liegenden Spulen 1, 5,6 und 10 sind jeweils in zwei Abschnitte unterteilt, von denen die kleineren Abschnitte l'. S', 6'und 10'jeweils ein Viertel der gesamten Spulenwindun- en und die andern Abschnitte 1", 5", 6"und 10"jeweils die restlichen drei Viertel der Spulenwindun- en umfassen.
Die Spulen 1', 2,3, 4 und 5'sind zwischen den Anschlussklemmen 11 und 12 und dieSpulen 6', 7,8, 9 und 10'zwischen den Anschlussklemmen 13 und 14 in Reihe geschaltet. Die Spulenab- schnitte-l"und 5"sind niteinander in Reihe geschaltet, ebenso die Spulenabschnitte 6"und 10", wo- bei beide Reihenschaltungen zwischen den Anschlussklemmen 15 und 16 zueinander parallel gelegt sind. Die Klemme 11 ist mit einem ersten Schleifring 21, die Klemme 12 mit einem zweiten Schleifring 22 und die Klemme 13 mit einem dritten Schleifring 23 verbunden. Die Klemmen 14 und 15 sind mitein-
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ander und mit einem vierten Schleifring 24 verbunden, und die Klemme 16 schliesslich ist mit einem fünften Schleifring 25 verbunden.
In sämtlichen Fig. 2-5 wird die Gleichstromwicklung in beiden Schaltstellungen dergestalt an eine Gleichspannungsquelle gelegt, dass der positive Pol an die Klemme 31 und der negative Pol an die Klemme 32 zu liegen kommen. Zur Schaltung auf zehn Pole werden die Schleifringe 22 und 24 miteinander, die Schleifringe 21 und 23 miteinander und mit der Klemme 31 und der Schleifring 25 mit der Klemme 32 verbunden. Zur Schaltung auf acht Pole werden die Schleifringe 22 und 23 miteinander und mit der Klemme 31, und die Schleifringe 21 und 24 miteinander und mit der Klemme 32 verbunden.
Der Schleifring 25 wird isoliert.
In Fig. 3 ist die Anordnung der Spulen 1 - 10 und ihre Verbindung mit den Anschlussklemmen 11 bis 16 die gleiche wie in Fig. 2. In ähnlicher Weise bestehen die Spulenabschnitte 1', 5', 6', und 10'jeweils aus einem Viertel der gesamten Windungszahl der entsprechenden Spulen und die Spulenteile 1", 5", 6"und 10"jeweils aus drei Viertel der windungszahl. Bei Anordnung nach Fig. 3 werden jedoch uUr drei Schleifringe benötigt. Die Klemmen 12,14 und 15 sind fest miteinander verbunden und zu keinem Schleifring geführt. Die Klemme 11 ist mit dem Schleifring 21, die Klemme 13 mit dem Schleifring 22 und die Klemme 16 mit dem Schleifring 23 verbunden.
Zur Schaltung auf zehn Pole werden die Schleifringe 21 und 22 miteinander und mit der Klemme 31 und die Klemme 32 mit dem Schleifring 23 verbunden. Zur Schaltung auf acht Pole werden die Klemme 31 lediglich mit dem Schleifring 21 und der Schleifring 22 mit der Klemme 32 verbunden. Der Schleifring 23 ist isoliert.
In den Fig. 4 und 5 ist ein anderer Aufbau der Gleichstromwicklung dargestellt, wobei die in Fig. 1C dargestellte Feldverteilung durch eine teilweise Aufhebung der Feldstärke der Endspulen erreicht wird.
Wie bei den Anordnungen nach den Fig. 2 und 3 weisen die Spulen 2,3, 4,7, 8 und 9 ihre volle Windungszahl auf. Die Spulen 1, 5,6 und 10 an den Enden der zwei Wicklungshälften bestehen jeweils aus zwei Abschnitten. Die Abschnitte 1', 5', 6'und 10'umfassen jeweils drei Achtel der gesamten Windungszahl der entsprechenden Spule, und die Spulenabschnitte 1", 5", 6"und 10"umfassen jeweils die verbleibenden fünf Achtel der Windungszahl.
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emäss Fig. 4abschnitten 1", 5", 6'und 10'zwischen den Klemmen 11 und 12 in Reihe geschaltet. Die Spulen 7,8 und 9 sind zusammen mit den Spulenabschnitten 1', 5', 6"und 10"zwischen den Klemmen 13 und 14 in Reihe geschaltet.
Die Klemme 11 ist mit einem Schleifring 21, die Klemme 12 mit dem Schleifring 22, die Klemme 13 mit dem Schleifring 23 und die Klemme 14 mit dem Schleifring 24 verbunden. Bei der Schaltung auf zehn Pole werden die Schleifringe 22 und 23 miteinander verbunden. Die Klemme 31 wird mit dem Schleifring 21 und die Klemme 32 mit dem Schleifring 24 verbunden. Bei der Schaltung auf acht Pole sind die Schleifringe 22 und 24 miteinander verbunden, und die Klemme 31 ist wie zuvor mit dem Schleifring 21, die Klemme 32 dagegen mit dem Schleifring 23 verbunden.
Bei einer Anordnung nach Fig. 5 sind die Spulen oder Spulenabschnitte 1", 2,3, 4,5", 6'und 10' zwischen den Klemmen 11 und 12 und die Spulen oder Spulenabschnitte 1', 5', 6", 7,8, 9 und 10" zwischen den Klemmen 13 und 14 in Reihe geschaltet. Die Klemme 11 ist mit dem Schleifring 21, die Klemmen 12 und 13 sind zusammen mit dem Schleifring 22 und die Klemme 14 ist mit dem Schleifring 23 verbunden. Zur Schaltung auf zehn Pole wird die Klemme 31 an den Schleifring 21 gelegt, und die Klemme 32 ist mit dem Schleifring 23 verbunden. Der Schleifring 22 bleibt isoliert. Zur Schaltung auf acht Pole wird die Klemme 31 mit dem Schleifring 22 verbunden. Die Schleifringe 21 und 23 sind miteinander und mit der Klemme 32 verbunden.
Die vorstehend angeführten praktischen Beispiele beziehen sich auf Maschinen, die für eine Umschaltung auf zwei verschiedene Polzahlen sowohl der Gleichstromwicklung als auch der Drehstrom wicklung ausgelegt sind, wobei sich die beiden Polzahlen durch zwei Pole unterscheiden. Dies bedingt eine Aufteilung aller vier Wicklungen - der drei Phasen-Wicklungen und der Gleichstromwicklung-in zwei Hälften, und bei der Polumschaltungzur Polfeldstärke-Modulation eine Umkehrung der Stromrichtung in einer Hälfte der Wicklungen im Vergleich zu den andern Wicklungshälften, zusammen mit der teilweisen oder völligen Eliminierung oder Neutralisation der Endpole der beiden Wicklungshälften.
Es wurde eingangs auf polumschaltbare Drei-Phasenwicklungen hingewiesen, die nach der Methoie der Polamplituden-Modulation arbeiten und bei denen jede Phasenwicklung beispielsweise in vier Abschritte unterteilt ist. Bei der Polamplituden-Modulation bedarf es in diesem Falle der Umkehr der 3tromrichtung im zweiten und vierten Viertel im Vergleich zum ersten und dritten ViertelinVerbinJung mit der erforderlichen Feldstärkeschwächung der Endpole eines jeden Wicklungsviertels. Besteht
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muss die Gleichstromfeldwicklung in ähnlicher Weise in vier Abschnitte unterteilt werden, damit bei der
Polamplitudenmodulation ein Wechsel der Polzahl erreicht wird.
Die Gleichstromfeldwicklung nach den Fig. 1A und IC kann als eine einzelne Ringwicklung betrach- tet werden, in der bei der Modulationsschaltung bei einem vollen Wicklungsumlauf um 3600 am Ankeri umfang eine ganze Folge von Polumkehrungen und Polfeldstärke-Reduktionen auftritt. Diese Folge kann sich bei einem Wicklungsumlauf um 3600 um den Ankerumfang zwei-, drei-, vier-oder mehrmals wie- derholen, wobei sich in der zugehörigen Drei-Phasen-Wicklung ein entsprechender Zyklus zwei-, drei-, vier-oder mehrmals in jeder der drei Phasenwicklungen wiederholt. Diese Polamplitudenmodulation be- wirkt wechselnde Polzahlen, die sich von der nichtmodulierten Polzahl durch zwei, drei, vier oder mehr Polpaare unterscheidet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Polumschaltbare Synchronmaschine mit einer Wechselstromwicklung und einer Gleichstromfeld- wicklung, beispielsweise mit einer Stator- bzw. einer Rotorwicklung, die durch Umschalten von Wick- lungsteilen Arbeitszustände einer ersten und einer zweiten Polzahl herzustellen erlauben, wobei die Feld- wicklung in eine gerade Zahl von über den Wicklungsumfang angeordneten gleichen Wicklungsabschnitten geteilt ist, insbesondere in zwei Abschnitte und jeder Abschnitt die Spule von mindestens drei Polen der ersten Polzahl umfasst und die Feldwicklung ferner so ausgeführt ist, dass sie für die erste Polzahl bei
Erregung sämtlicher Spulen Pole gleicher Amplituden und mit Bezug aufeinander abwechselnder Pola- rität liefert und für die zweite Polzahl ausgewählte Spulen von geradzahligen Abschnitten (oder eines
Abschnitts)
schaltungsmässig umgekehrt sind, dadurch gekennzeichnet, dass für die zweite Polzahl alle
Pole der ersten Polzahl wirksam sind, sowohl der erste Pol als auch der letzte Pol in jedem dieser Ab- schnitte auf einen Amplitudenwert von, bezogen auf die Zwischenpole, weniger als die Hälfte herab- gesetzt ist und die Polarität aller Pole der geradzahligen Abschnitte oder des Abschnitts hinsichtlich der
Polarität, welche sie für die erstgenannte Polzahl zeigen, umgepolt ist.