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.
Pole-changing three-phase rotating machine The invention relates to a pole-changing three-phase rotating machine, the three phase windings of which deliver a resulting magnetic field with a first number (P) of pole pairs when their coils are first switched, these coils each of the three phase windings for the purpose of pole switching can be switched to a second circuit in such a way that the (P) individual pole pairs of the magnetic field generated by the relevant phase winding are switched on by means of a periodic function of the solid angle (modulation wave) that has an integer (M) of cycles along the entire circumference of the winding.
depending on the local value of this function can be reversed or weakened or left unchanged, with the locations of corresponding values of the solid angle functions assigned to the three phase windings being offset by at least approximately one third of the winding circumference, so that the number of effective pole pairs of the after switching from each phase winding generated field depending on the meaning of this offset equal to the sum (P + M) or the difference (PM) of said first number (P) of pole pairs and the number (M) of cycles of said solid angle - functions will,
wherein either said first number (P) of pole pairs or the number (P + M or P-M) of pole pairs of the resulting field generated after switching is equal to 3 or an integer multiple of 3.
Pole change induction motors for two optionally available pole numbers and two speeds in inverse proportion to the two optionally available chen pole numbers are known and largely in use. The best known are machines with alternating pole numbers in a ratio of 2: 1, but machines with a ratio of 3: 1 are also known.
The machines with a ratio of 2: 1, often referred to as Dahlander machines, have switchable connections at the ends and in the centers of the three-phase windings so that the phase winding halves can be connected in series or in parallel, with one circuit in each phase gives twice as many poles as the other circuit.
The machine with a ratio of 3: 1 has switching connections in the phase windings in a similar way, so that the phase winding halves can be connected in series or in parallel, with one circuit producing twice as many poles in each phase as the other circuit.
The machine with a ratio of 3: 1 has switching connections in the phase windings in a similar way, in order to produce either series or parallel connections of the phase winding thirds and the corresponding Polzah len for each phase.
This technique of series-parallel connections can be expanded to create other pole number ratios. At least theoretically, each coil of a phase winding could be separated by switching connections to the outside in order to enable a large number of different series-parallel combinations and a corresponding number of optionally available pole numbers and the like for the other two phase windings.
Accordingly, a number of machines are described in the technical and patent specification, which, although they do not go to the extreme possible limit of leading out connections from each coil, but lead numerous switching connections to the outside to selectively number of poles for each phase winding in different ratios create, including small ratios, especially less than 2: 1.
In practice, leading out a large number of circuit lines is a hindrance, so that such machines have found use at most for machines with the number of poles ratios 2: 1 and 3: 1.
<I> The </I> so-called pole amplitude modulation A new method for changing the number of poles, called pole amplitude modulation, in which the amplitude of the magnetic field generated by the winding under consideration is modulated along the circumference of the winding, was first developed by Prof. G.
H. Rawcliffe et al. Published under the heading Changing the speed of induction motors by means of pole amplitude modulation in the journal Proceedings of the Institute of Electrical Engineers Volume 105, Part A, No. 22, August 1958. This method of changing the number of poles is also explained in British Patent No.
900 600 and in the patent specification of the later .als the three priority dates: the present patent pending Swiss patent No. 373 099.
According to this method, to change the number of pole pairs of the magnetic field of the above-mentioned phase winding generating a magnetic field with a number P of pole pairs when their coils are first switched, these coils of the phase winding are switched in such a way that the individual pole pairs:
of the magnetic field by means of a periodic function of the angle (modulation wave) with an integer number (M) of cycles along the full circumference of the winding, depending on the local value of this function, reversed or weakened or
can be left unchanged, so that the winding generates a magnetic field after this switching of its coils, which is the same as the superposition of two magnetic field components whose pole pair numbers are equal to the sum (P + M) or the difference (PM) of said first number (P ) of pole pairs and the stated number (M) of cycles of the stated function are the resulting field obtained.
The so-called pole amplitude modulation method can be used to selectively determine pole numbers with a small ratio, .d. H. less than 2: 1, or with a large ratio, d. H. greater than 2: 1, to create.
In general, only 6 switching lines are needed, but 9 switching lines are used in some versions.
The practical applications of the method set out in the technical publication mentioned above and: the patent specifications mentioned were limited to machines in which neither of the two operating pole pair numbers was three or a multiple of three.
For a clear and quick understanding of the invention, it seems appropriate to briefly explain the general basic idea of changing the number of poles by so-called pole amplitude modulation in its application to a three-phase winding, which provides the first of the required number of alternating poles for each phase. In electrical and other respects, this winding corresponds, apart from the creation of phase winding connections, to a normal winding for a machine with only one speed with the selected number of poles.
In order to create the second number of poles, the waveform of the distribution of the magnetomotoric force over the circumference of the machine, as it corresponds to the first number of poles for each phase winding, is changed by means of a regular periodic function of the angle in the known pole amplitude modulation. which can be represented as a wave with alternating positive and negative half waves. Depending on the local value of this function, the field at the relevant point is reversed, weakened or left unchanged.
This process can be referred to as modulation of the amplitude of the field, which changes in a wave shape along the circumference of the winding and forms the poles, by means of a modulation wave which represents the aforementioned pcrio.dic function. This periodic function or modulation wave has an integer M of cycles over the full circumference of the winding.
Of course, the machine cannot work simultaneously according to the two new pole pair numbers, and it is necessary to change one or the other of the new pole pair numbers obtained by the modulation, i.e. H. Separate the corresponding magnetic field component from the modulated waveform of the magnetomotive force.
Elimination of <I> the </I> unwanted number of pole pairs <I> of the </I> modulated <I> field </I> One of the two new pole pair numbers can optionally be eliminated, so that the other new number of pole pairs is different from the original number of pole pairs remains from exchangeable working pole pair number.
In a three-phase machine, the undesired number of pole pairs can be eliminated by a suitable angular offset of the three phase windings over the winding circumference, so that the components of the magnetic fields generated by the three phase windings that have the undesired number of pole pairs cancel each other out in the resulting three-phase field. The rules for eliminating the number of pole pairs of the modulated field, which he explained in the aforementioned Swiss patent specification No. 373 099, can be used in a similar manner for eliminating a number of poles of the modulated waveform that is generated by the method of the present invention , apply. These rules are therefore reproduced below.
The job of a three-phase winding is to provide a moving magnetic field when it is fed by a three-phase network. This assumes that the phase windings are electrically offset from one another by 120 '. The phase sequence can be A, B, C or A, C, B.
Since two directions of rotation around the axis of a winding are possible, the phase sequence must be determined with respect to the one direction of rotation, z. B. with respect to the clockwise direction when looking from a certain th end of the machine axis. If the + sign denotes the positive and the negative peaks of the curve representing the excitation current in each phase, the phase sequence A, B, C corresponds to the phase band sequence + A, -C, + B, -A, + C , -B.
The phase sequence A, C, B corresponds to the phase band sequence + A, -B, + C, -A, + B, -C. These considerations apply to all three phase rotating machines and are well known as such.
In the case of a three-phase winding, the individual phase windings are arranged electrically at a distance in accordance with the above-mentioned conditions. The distances required for eliminating the undesired number of poles are geometric angular distances around the winding axis.
In the case of a three-phase winding to which the so-called pole amplitude modulation is to be applied, it can be shown that the three modulation waves that are impressed on the phase windings, i. H. the functions according to which the amplitudes of the angle-dependent field strengths are to be changed must be geometrically offset from one another by 120 with respect to the winding axis.
These mutual offsets can be measured from one phase winding to the other between those points at which the mentioned periodic functions, according to which the respective field amplitudes are modulated, have values corresponding to the same points of their cycles; but it is most clearly measured between points of the phase windings at which the mentioned functions go from a negative to a positive value.
Since 120, measured geometrically, corresponds to one third of a revolution around the winding axis, it is obvious that this required phase shift of the functions mentioned can be implemented either with the phase sequence A, B, C in the considered direction of rotation or with the phase sequence A, C, B.
The choice between these two phase sequences determines whether the higher or lower number of pole pairs in the field received by the modulation is suppressed by the combination of the three phases.
The requirement for the offset of the functions, according to which the pole amplitudes of the fields generated by the three phase windings of the three-phase winding are to be modulated, is determined by the following rule: If any direction of rotation, e.g.
B. the clockwise sense, is assumed as a reference rotation, if further the electrical phase sequence in this direction of rotation is A, B, C, which the sequence + A, -C, + B, -A, + C, -B the vertex of the Corresponds to the curve representing excitation currents, and if in the components of the field generated by the three phase windings, the amplitudes of the angle-dependent field strengths according to the above-mentioned function of the spatial angle, known as the modulation wave, are changed one after the other in the mentioned reference direction of rotation, starting with the positive half-wave of this function ( modulated),
then have to suppress the one or the other of the two new pole pair numbers having component from the generated by the three phase windings the field those points of the three phase windings at which the periodic functions mentioned the same point of their cycles, z. B. have values assigned to the beginning of these cycles, be geometrically offset by 120 around the winding axis in relation to one another.
If this requirement is met, the field component with the lower number of pole pairs is suppressed, and the field component with the higher number of pole pairs is left over if the periodic functions mentioned or their reference points offset by 120 to one another in the direction of rotation follow the order A, B, C calculated.
The higher number of pole pairs is suppressed and the lower number of pole pairs is left alone if the mentioned periodic functions or their reference points offset by 120 to one another follow one another in the reference direction of rotation in the order A, C, B.
Pole pair numbers, <I> which are a multiple </I> <I> of three </I> It has now been explained how the magnetic field generated by each phase winding, which has a number of P pole pairs without modulation, by so-called Pole amplitude modulation is changed in order to create a new magnetic field, which is a superposition of a magnetic field component whose number of pole pairs is equal to the sum (P + M) and a magnetic field component whose number of pole pairs is equal to the difference (PM)
the original number P of pole pairs and the number M of cycles of the mentioned periodic function, d. H. the number of Modulationsperio.den, and how in a three-phase winding consisting of three such phase windings one or the other of these two new pole pair numbers can be suppressed by geometric displacement and selection of the phase sequence of the modulating function.
It can be seen that for every combination of pole pair numbers (P), (P + M) and (PM) one of these three numbers of pole pairs must always be equal to three or a multiple of three, with the exception of the special case in which P is not equals three pole pairs or a multiple thereof, whereas M equals three periods or a multiple thereof.
The examples of machines with pole change by pole amplitude modulation, which are set out in the above-mentioned essay and the patents mentioned, are all those in which the number of pole pairs suppressed is three or a multiple thereof.
The present invention can, however, be applied to machines with pole number change by means of pole amplitude modulation, in which one of the working pole pair numbers is equal to three or a multiple thereof.
In machines such as those described in the literature mentioned, in which the number of three pole pairs or a multiple thereof is eliminated, all three phase windings can be wound and connected in the same way. This method is called symmetrical pole amplitude modulation.
On the other hand, if the number of working pole pairs is three or a multiple thereof, only one of the phase windings can be designed and connected as a symmetrical pole-amplitude-modulated winding. The two on their phase windings must be wound and switched in a special way, as will be explained in more detail below.
The reason for the special treatment of two of the three phase windings can be seen from closer examination of the three phasor diagrams of FIGS. 15a, 15b, and 15c, selected by way of example.
These diagrams can each be viewed as a section through a three-phase winding in a plane perpendicular to the axis. The circumference of the circle in each diagram represents the circumference of the three-phase winding. The phase bands that contain conductors that extend through the plane of the diagram are marked in each case.
For all of these diagrams the electrical phase sequence is A, B, C. Accordingly, as shown, the phase band sequence is + A, -C, + B, A, + C, -B. In each diagram, three points, each at the beginning of a phase band and at mutual geometric angular distances of 120, based on the winding axis, are designated with X, Y and Z.
15a shows a three-phase winding in which each of the three phase windings without modulation delivers 6 poles and thus represents an example of a winding with one pole, number of the unmodulated field of (3 n) pole pairs.
If all phase windings are switched over according to a modulation function of one period for the entire winding circumference, the newly generated numbers of pole pairs are (3 n-1) and (3 n + 1).
In this case, if one follows the rule for the phase shift set out above that the three periodic functions (modulation waves), according to which the coils of the three phase windings are switched, over the winding circumference at an angular distance of 120 to suppress the lower number of (3 n - 1) Pole pairs in the order A, B, C, to suppress the higher number of (3 n + 1) pole pairs, however, must be set against each other in the order A, C, B, so Fig. 15a shows that for this form of winding the points X located at the stated angular distance from one another,
Y and Z always fall on phase A.
With regard to the phase windings of phases B and C, neither one nor the other of the consequences of the phases falling on points X, Y and Z corresponding to the rule mentioned above can be obtained.
The present object of the invention can now be clearly recognized. The phase distance rule for suppressing an undesirable number of pole pairs is fulfilled when the three pole amplitude modulation waves that are impressed on the three phase windings are offset in the geometric sense by angles of 120 to each other, namely in the specified sequence A, B, C or A, C, B.
For one of the three phase windings, e.g. B. the phase winding A, there are no difficulties. In contrast, the task of phase windings B and C is to set the modulation waves at points on the circumference of the winding that are not occupied by phase bands of the corresponding phase winding.
Consider now the next Fig. 15b. This diagram shows a three-phase winding that delivers 8 poles without modulation and thus forms an example of a winding shape with a number of poles of the unmodulated wave of (3 n + 1) pole pairs. The two numbers of poles generated by modulation with a pole amplitude modulation wave of one period are (3 n) pole pairs and (3 n + 2) pole pairs.
The phase sequence at points X, Y, Z is A, B, C. This sequence corresponds to the displacement rule for suppressing the lower number of poles of (3 n) pole pairs.
The suppression of this lower number of poles, which as can be seen, is equal to three pole pairs or a multiple thereof, can be brought about by the method of symmetrical pole amplitude modulation.
The suppression of the higher number of poles of (3 n + 2) pole pairs, so that the lower number of (3 n) pole pairs remains as the working pole number, can be brought about in a manner to be explained.
The third case is shown in Fig. 15c.
This diagram shows a three-phase winding that supplies 10 poles without modulation and thus an example of a winding shape with a number of poles in the unmodulated wave of (3 n + 2) pole pairs. The two by number of poles that are generated by modulation with a pole amplitude modulation wave of one period are (3 n + 1) pole pairs and (3 n + 3) pole pairs.
The phase sequence at points X, Y, Z is A, C, B. This sequence corresponds to the shift rule for suppressing the higher number of poles of (3 n + 3) pole pairs.
The suppression of this higher number of poles, which, as can again be seen, is equal to three pole pairs or a multiple thereof, can be brought about by the method of symmetrical pole amplitude modulation.
The lowering of the lower number of poles (3 n + 1) pole pairs, so that the number of poles of (3 n + 3) pole pairs remains as the working pole number, can be effected in a manner to be explained below.
Accordingly, the machine according to the present invention is characterized in that in the second circuit in two of the three phase windings part of the coils of the relevant winding is switched in such a way that the magnetic field component generated by them is switched by means of a first periodic function of M cycles of the solid angle is changed, and the rest of the coils of this winding in such a way that the magnetic field component generated by them is changed by means of a second periodic function of the solid angle that is phase-shifted by one pole pitch in relation to the first number of pole pairs (P).
The term asymmetrical pole amplitude modulation is proposed for this method of so-called pole amplitude modulation.
A number of exemplary embodiments will now be described in detail with reference to the drawings.
1 shows a simplified armature slot winding scheme of a three-phase 4-pole machine, the armature of which has 36 slots, the pole amplitude of the three phase windings being modulatable for conversion into a 6-pole machine;
The figure shows only the upper layer of the winding, Fig. 2 the complete Ankerunutwicklungsschema, corresponding to Fig. 1, Fig. 3 a winding scheme, which the number of turns, the slot position and the mutual connections Ver of the three phase windings of the machine according to Fig. 1 indicates, Fig. 4 is a circuit diagram of the phase windings without modulation in 4-pole series-parallel star connection, Fig. 5 is a circuit diagram of the phase windings with modulation in 6-pole series star connection,
Fig. 6a to 6e diagrams of the magnetomotive force to explain the operation of the machine according to Fig. 1, Fig.7 a simplified armature slot winding scheme of a three-phase 6-pole machine, the armature has 36 slots, the pole amplitude of the three phase windings for conversion into one 8-pole machine can be modulated.
The figure shows only the upper layer of the winding, FIG. 8 the complete armature slot winding scheme according to FIG. 7, FIG. 9 a winding scheme which shows the number of turns, the position of the slots and the mutual connections of the three phase windings of the machine according to FIG 7 indicates, FIG. 10 a circuit diagram of the phase windings without modulation in 6-pole series-parallel star connection,
11 is a circuit diagram of the phase windings with modulation in 8-pole series star connection, FIGS. 12a-12e are diagrams of the magnetomotive force to explain the operation of the machine according to FIG FIG. 8 and also corresponding to FIG. 7 for a similar 6-pole machine,
but with a different connection of the coils of the three-phase winding in the state with modulation of the pole amplitude, FIG. 14A the diagram of the magnetomotive force of a 10-pole direct current excitation winding for a synchronous machine, FIG. 14B the diagram of the magnetomotive force of the direct current winding according to FIG. 14A, modified according to a first method known per se and not according to the invention in order to achieve 8 poles,
14C shows the diagram of the magnetomotive force of the direct current winding according to FIG. 14A modified according to a second method known per se and not corresponding to the invention in order to achieve 8 poles, FIGS. an 8-pole and a 10-pole three-phase winding.
Fig. 1 (a) is a simplified winding diagram showing the upper layer T of a pole-changing induction motor, the design of which relates to a Dreipha sen-, four-pole motor, the three phase windings are wound on an armature with 36 slots, three Coils per group, wound in two layers with a coil pitch of 6 slots, which results in a pole pitch of 9 slots with 60 expansion. According to a variant, the coil pitch could be 5 slots.
Each complete coil of the four-pole machine contains n turns; the letter n also denotes the number of turns in FIG.
It should be noted that FIG. 1 a basically corresponds to the arrangement according to FIG. 15c already discussed. A pole amplitude modulation wave with a single period allows pole numbers of two poles and six poles to be generated.
In Fig. 1, the top row of numbers indicates the groove numbers of the 36-groove anchor. The third row shows at X, Y and Z with repetition of the point X at X 'the desired beginnings of the modulation pattern of the magnetomotofic force of all three phase windings A, B and C. The second row shows the beginning of the modulation pattern for the Phase winding A; it corresponds to the desired starting point X.
The starting points of each of the modulation pattern components for each of the phase windings B and C are shifted with respect to the required points Y and Z and with respect to a component with 2/3 amplitude at R and towards a component of 1/3 amplitude at S arranged. These components R and S give a resulting effect as if the beginnings were in ideal point Y for phase winding B and in ideal point Z for phase winding C. The next row (a) shows the unmodulated phase bands.
The next five rows show the three phase windings with modulation as follows: (b) - Complete phase winding A (c) - 1/3 of phase winding B (d) - 2/3 of phase winding B (e) - 1/3 of Phase winding C (f) - 2/3 of phase winding C Row (g) corresponds to row (a) and shows the phase bands after modulation and row (h) shows the individual coils after modulation.
This figure shows that the distribution of the coils of each phase winding to the individual coil groups of both output circuits without modulation is as follows: + 3 + 3 + 3 + 3 where each number is the number of coils or slots per group and the sign Current direction in the relevant coils designated.
As shown in Fig. 2, the forward conductors of the first coil of the first group of phase winding A in the upper part T of the slot 1 and the return conductors of the same coil in the lower part, (B) of the slot 7 are arranged. The forward conductors of the second and third coil are arranged in the upper part of the slots 2 and 3 and the return conductor in the lower part of the slots 8 and 9.
In a machine intended only for four-pole operation, the entire armature would be wound in the same way, with the upper parts of slots 4, 5 and 6 return conductors of phase winding C and the lower part of slots 10, 11 and 12 forward conductor would contain; the tops of slots 7, 8 and 9 and the bottoms of slots 13, 14 and 15 would contain three coils of phase winding B and so on.
With the designation used above, the distribution of the coils of a phase winding of the basic machine can be represented as follows: + 3 + 3 + 3-I-3 Now, however, the phase winding A of the machine of FIG. 1 is designed so that it can optionally be used as a used as the winding shown above or switched to a modulation state, which is shown as follows:
+ 3 + 3-3-3 For this purpose, as shown in FIG. 3, the phase winding is arranged in three parts, which are connected between terminals 20 and 21, between terminals 21 and 23 and between terminals 21 and 22. The Spu len in .dem between terminals 20 and 21 and between terminals 21 and 23 connected winding part hab. -n the whole number of n turns. The coils connected between terminals 21 and 22 have half the number of turns, i.e. H.
EMI0005.0075
Turns, with wire of twice the cross-sectional area of the other coils of phase winding A wound.
In the four-pole circuit, the three winding parts are connected in series - in parallel as a star connection between phase line A and the star center - with the winding parts between terminals 22, 21 and terminals 21, 23 in series and the winding parts between the terminals 21, 23 and the terminals 21, 20 are connected in parallel, while the terminal 22 is connected to the phase line A and .the terminal 23 is connected to the center of the star, as shown in FIG. The phase windings B and C are arranged identically.
In the six-pole circuit, the two winding parts are between terminals 20; 21 and terminals 21, 23 connected in series as one phase of a star-connected winding, with terminal 20 being connected to phase line A and terminal 23 forming the center of the star, as shown in FIG. In the water arrangement, the terminal 22 is not connected and the winding part between the terminals 21, 22 is not used. The phase windings B and C are arranged identically.
From Fig. 1 it can be seen that if a symmetrical modulation pattern were applied to the phase winding B, the corresponding modulation wave would have to start at point Y at the slot 13, which slot is spatially shifted by 120 on the armature, and the modulation the phase winding C would have to start at the point Z at the slot 25, which is shifted by a further 120 on the armature, as shown by the arrows Y and Z in FIG. In fact, coils of phase windings C and Bin appear in slots 13 and 25, respectively.
Only for phase winding A, the actual beginning of Q can coincide with the required point X.
Since the slot numbering is chosen arbitrarily, it is clear that the phase winding A is any phase winding that is chosen at the beginning of the design of the machine.
The required result that the beginning of the pole amplitude modulation wave for the phase winding B in point Y comes to lie on the slot 13 is achieved in that this phase winding B is switched according to two modulation wave components, the starting points of which are one pole pitch are offset from one another. According to the first modulation wave component, one third of the turns of each phase band of phase winding B is switched over; this wave starts at point S, at slot 7.
According to the second modulation wave component, two thirds of the turns of each phase band of phase winding B are switched over, and this wave begins at point R in FIG. 1, at slot 16.
Each phase band of the phase winding B is switched in effect according to the resultant of the two modulation wave components. If the two modulation wave components show positive values at the location of the relevant phase band, the number of conductors through which the current flows and the direction of the current remain unchanged in this phase band. If both components show negative values, the current direction is reversed in the entire phase band.
If the first component shows a negative, the second a positive value, the current is reversed in one third of the conductors of the phase band, two thirds left unchanged, which has the same electrical effect as if one third remained unchanged and two thirds were switched off. In both cases the meaning of the magnetomotive force remains unchanged, but its magnitude is reduced to a third.
Finally, if the first modulation wave component shows a positive value at the location of the phase band under consideration, the second a negative value, the magnetomotive force generated by the phase band is reduced to a third and its meaning is reversed. As will be explained later with reference to FIG. 6, the resultant of the two modulation wave components is a modulation wave for the magnetomotive force, the beginning of which is practically at the required point Y, at the groove 13.
In the same way, the required result that the beginning of the pole amplitude modulation wave for phase winding C comes to lie in point Z near slot 25 is achieved by switching this phase winding C according to two modulation wave components whose starting points are around one pole division are offset against each other. According to the first modulation wave component, nominal two thirds of the turns of each phase band are switched over; this wave starts at point R at groove 22.
According to the second modulation wave component, a nominal third of the turns of each phase band of phase winding C is switched, and this wave begins at point S, in slot 31. Phase winding C is thus switched over according to the resultant of both modulation wave components . This resulting modulation wave begins practically at point Z, at slot 25.
The pole amplitude modulation of the magnetomotive force generated by the phase windings B and C is thus effected with the aid of two modulation wave components of unequal size, which are shifted asymmetrically to one side of the required angular position.
The theoretical basis and general application of this asymmetric modulation technique is discussed later. As far as the present practical embodiment is concerned, the resulting graphs of the magnetomotive force for the phase winding Bin Fig. 6a to 6e are shown.
In FIGS. 6a to 6v, the numbers at the head of the diagrams are the numbers of the 36 grooves of the anchor and thus indicate geometric angular positions around the anchor for all five diagrams. As in the other figures, the slot 1 is arbitrarily chosen as the beginning of the phase winding A and also as the beginning of the modulation wave applied to the phase winding A.
6a shows the somewhat idealized wave diagram of the magnetomotive force for phase B of the 4-pole mesh, without modulation.
6b shows a non-usable single-period pole amplitude modulation wave, which runs the same as the one to be applied to phase winding A, but is spatially offset to this by an angle of 120 around the armature, so that its origin is at point Y. , at the groove 13, matches; this is the required position for use on phase winding B. The dashed line shows the sinusoidal curve that the modulation wave approaches.
FIG. 6c shows the first component of the modulation wave for the phase winding B. Compared to the modulation wave according to FIG. 6b, it rushes
EMI0006.0083
so that its beginning coincides with the point R at the groove 16, where it is on S. coil parts with
EMI0006.0085
Turns is applied.
6d shows the second component of the modulation wave; she hurries around
EMI0006.0089
before, so that its beginning coincides with point S at slot 7, where it touches coil parts
EMI0007.0002
Turns is applied.
FIG. 6e shows the resultant of the asymmetrically shifted modulation wave components of FIGS. 6c and 6d, which resultant is consequently of asymmetrical shape with respect to the groove 13. The dashed line represents: the sinusoidal curve, which approximates the diagram of the magnetomotive force of FIG. 6e, and it should be noted that the beginning of the dashed curve coincides exactly with the point Y at the groove 13, as required .
The two single-period modulation wave components according to which the phase winding C is switched, and their resultant can be shown by the same diagrams.
The four-pole diagram of the magnetomotive force for phase C is in the same way offset by 120 (electrical) compared to that for phase A and for phase B. The beginning of the resulting modulation wave for the phase winding C should be located at point Z at the groove 25 and be set against points X and Y by 120 (geometrically) ver. The modulation wave component with 2/3 the amplitude of the magnetomotive force starts at point R at slot 22, and the component with 1/3 the amplitude starts at point S at slot 31.
The resulting modulation wave is the same as that according to FIG. 6e but vice versa, and the sine curve corresponding to it has its beginning, as required, at point Z at groove 25.
The effect of the application of these modulation waves on the distribution of the magnetomotive force generated by the phase windings A, B and C is shown in the sub-figures (b), (c), (d), (e) and (f) in FIG Fig. 1 can be seen, the resulting phase bands being indicated at (g) in these figures. Of the four phase bands of each phase winding, one is left unchanged and one is completely reversed; one is left unchanged in the direction, but reduced to a third of its original size and one is both reversed in the direction and reduced in size equally.
In order to reduce the amplitude of the magnetomotive force of the phase winding A by the same amount as the amplitude of the other phase windings B and C has been involuntarily reduced, four coils have also been switched off from the phase winding A. Each switched-off pair of coils must be symmetrical to the center of one phase winding half so that the beginning of the modulation wave for phase A is not shifted.
The coils, which are selected in two phase bands of each of the phase windings B and C for the switch-off, in order to reduce the amplitude of the magnetomotive force generated by these phase bands to a third, and the coils in the phase winding A for the switch-off for down The setting of the magnetomotive force are selected at (h) in FIG. The selection was made after plotting the vector diagram for the winding in such a way that a balanced resultant winding is obtained.
Those skilled in the art, having considered the vector diagram of the winding, will always be able to determine which coils are to be switched off during the modulation in the phase bands.
Fig. 1 (h) indicates in full which coils are trainees and in which modulation the current direction is reversed. The resulting winding is shown in FIG. 2, with a coil pitch of 2 / s of the pole pitch for 4 poles being selected. This results in a ratio of the flux densities (B4 / B6) without or with modulation of 0.90.
Alternatively, a coil pitch of 5/9 of the pole pitch can be selected, which results in a lower mean chord factor, but: a value of 0.985 for (B, / B,). Fig. 3 shows the winding connections, and Fig. 2 and 3 together contain all the information for this special embodiment of the principle of asymmetric pole amplitude modulation.
The coils are connected in the modulated (6-pole) state as shown in FIG. In the normal (4-pole) state shown in Fig. 4, the coils through which the current flows in the opposite direction are switched back for the original current direction,
by connecting the two halves of the winding in parallel and the switched-off coils are-connected in series with the two halves.
In designing the example described, the number of turns n for a three-phase 50 cycle power source is calculated by normal methods.
The optionally usable motor speeds are then 1500 revolutions per minute in the 4-pole state and 1000 revolutions per minute in the 6-pole state. It can be shown that the flux density in the air gap with a 4-pole connection is 10.0% lower than with a 6-pole connection. For this reason it is desirable to wind the machine for a voltage which is slightly above the mains voltage, so that it is slightly under-excited in the 4-pole state.
The same measures allow the same general principles to be applied to any other combination of P pole pairs and (P M) pole pairs, where M is usually 1, more rarely 2 or 3. The most difficult case is the 4/6 pole winding, which is considered above. Larger numbers of poles result in a simpler design.
7 to 13 show, as a second embodiment, a machine with asymmetrical pole amplitude modulation, in which the number of poles without modulation is three pole pairs. The winding is therefore basically designed according to FIG. 15a. Achieving either a higher or a lower number of poles requires asymmetrical modulation of the pole amplitudes. In the selected embodiment, a pole amplitude modulation wave with only one period delivers new pole numbers of 4 and B.
The lower number of poles obtained through the modulation is suppressed, so that the higher number remains as the working number. According to the rule given above for the phase shift, the phase sequence at the reference points X, Y and Z arranged at geometrical angular intervals of 120 is equal to A, B, C.
7 is a simplified winding diagram showing the upper layer (T) of a pole-changing induction motor, the design of which is based on that of a six-pole three-phase motor, the three-phase winding of which is based on an armature with 36 slots with 2 coils per group, in two layers is wound with a coil pitch of 4 slots, which results in a pole pitch of 6 slots with 60 expansion.
Each complete coil of the 6-pole machine contains n turns, and the number n appears in FIGS. 8, 9 and 12 in the indication of the number of turns of the changed windings.
As shown in Fig. 7 and 8, the Vorwärtslei ter of the first coil of the first group of the phase winding A are arranged in the upper part (T) of the slot 1 and the return conductors of the same coil in the lower part (B) of the slot 5. The Forward conductors of the second coil are arranged in the upper part of the slot 2 and the return conductor in the lower part of the slot 6.
In the case of the machine, which is only intended for 6-pole operation, the entire armature would be wound in the same way, with the upper parts of slots 3 and 4 containing the back conductors of phase winding C and the lower parts of slots 7 and 8 containing the forward conductors, while the Upper parts of slots 5 and 6 and the lower parts of slots 9 and 10 would hold two coils of phase winding B and so on.
With the designation used earlier, a phase winding of this machine can be represented as follows: + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 However, the phase winding A of the machine of FIG. 7 is designed so that it is used as the winding shown above or in a modulated state can be switched, which is represented as follows:
+ 0.1 + 2 + 1.0-0.1-2-1.0 For this purpose, the phase winding, as shown in Fig. 9, 10 and I l <I>, </I> is arranged in: three parts, which between terminals 20 and 21, between Terminals 21 and 23 and between terminals 21 and 22 are connected. The coils in the winding part connected between terminals 20 and 21 and between terminals 21 and 23 all have the full number of n turns. The coils connected between terminals 21 and 22 have half the number of turns, i.e. H.
EMI0008.0026
Turns, of a wire twice the cross-section of the remaining coils of phase winding A.
With the 6-pole connection according to FIG. 10, the three winding parts are connected in series-parallel star connection between the A-phase line and .dem star center, the winding parts being between the terminals 22, 21 and terminals 21, 23 in Series and the winding parts between terminals 21, 23 and Klem men 21, 20 are parallel, while terminal 22 is connected to the A-phase line and terminal 23 is the center of the star.
In the 8-pole connection according to FIG. 11, the two winding parts between terminals 20, 21 and terminals 21, 23 are connected in series as one phase of a winding connected in star, with terminal 20 being connected to the A-phase line and the terminal 23 forms the center of the star, as shown in FIG. 11. In this arrangement, the terminal 22 is not closed and the winding part between terminals 21, 22 is not used.
It should be noted that with one, and only one, of the three phase windings, a symmetrical pole amplitude modulation wave can be used. This symmetrical modulation wave is applied to the phase winding A. Their beginning is at point Q, which coincides with point X at slot 1. As can be seen from Fig. 8 and 9, the coil of the phase winding A, which is contained in the upper part of the groove 1 and the lower part of the groove 5, completely switched off in the modulated state.
In Fig. 7 this coil is shown only by its upper part in slot 1, and for this reason the modulation pattern beginnings of all phases are shown most clearly in the simplified diagram of Fig. 7 ge.
The beginning of the modulation wave according to which the phase winding B is to be switched should be at point Y at slot 13, which slot is offset from slot 1 by 120 spatially around the armature, and the modulation wave of phase winding C should be at point Z at slot 25 begin, which is another 120 offset by the anchor, as shown by the arrows P in Fig. 7 GE. In fact, more coils of the phase winding A appear in the slots 13 and 25. Only the beginning Q of the phase winding A can match the required position X in the slot 1.
Since the slot numbering is arbitrary, it will be appreciated that phase winding A can be any phase winding chosen at the beginning of the machine design.
The task of bringing the beginning of the modulation wave of phase winding B to point Y at slot 13 is achieved in that the phase winding is switched according to two modulation wave components. The first component is applied to two thirds of the conductors of each phase band and has the shape shown in Figure 12c; its start is in R at slot 11. The second component is applied to one third of the conductors of each phase band and has the shape shown in Figure 12d; its start is at point S at groove 17.
As in the first exemplary embodiment described above, the two modulation wave components for phase B are offset from one another and their amplitude is dimensioned such that they give a resulting modulation wave according to FIG. 12, the beginning of which is approximately at point Y at groove 13.
In the same way, the task of bringing the beginning of the modulation wave for; the phase winding C to the point Z at the slot 25 is achieved in that this phase winding is switched according to two modulation wave components, which are one third and two thirds of the Head of each phase band are used and their beginnings are in points S (slot 21) and R (slot 27). Its resultant is a modulation wave, the beginning of which lies approximately at point Z at groove 25.
In this example, the slot 11 for phase winding B is 1 /, of a pole pitch
EMI0008.0082
spatially measured on the modulation cycle, before he required position at groove 13 on the anchor circumference. Slot 17 is around 2 / g of a pole pitch
EMI0008.0087
spatially measured on the modulation cycle, behind the required position.
In the same way, the groove 21 is around for the phase winding C.
EMI0009.0005
in front and the groove 27
EMI0009.0006
behind the required location.
To find the beginnings of the resulting modulation waves of the waveform of the magnetomotive force of the phase windings B and C with the points Y and
To match Z, the coils of phase windings B and C are considered to consist of two parts, one of
EMI0009.0013
Turns and another of
EMI0009.0014
Windings, where n is the whole number of the windings of the mentioned coils that are effective in operation without modulation. The same esnperiodige modulation wave, as it was applied to the phase windings A, is then applied to the phase winding B, beginning at point R at slot 11 and at point S at slot 17, namely for .the point of lesser displacement, d . H.
Point R on the part with
EMI0009.0019
Turns of the coil and for the point of greater displacement "i.e. point S on the part with
EMI0009.0021
Turns of the coil.
In the same way, the same single-period modulation wave is used for the phase winding C in accordance with the same rule, namely with regard to the part with
EMI0009.0027
Turns of the coil starting at point S at slot 21 and with regard to the part with
EMI0009.0028
Turns of the coil starting at point R at slot 27.
The modulation of the phase windings B and C is thus effected according to two modulation wave components of unequal amplitude, the beginnings of which are asymmetrically offset depending on one side, the required angular position Y and Z.
The theoretical basis and general application of this asymmetrical modulation scheme will be discussed later. As far as the practical embodiment is concerned, the resulting magnetomotive force graphs are shown in Figures 12a through 12e.
In Fig. 12a to 12e, the numbers at the head of the diagram are groove numbers of the anchor with 36 grooves and therefore indicate angular positions (geometrical) around the anchor for all five diagrams. As in the other figures, slot 1 is arbitrarily chosen as the beginning of phase winding A and also as the beginning of the modulation wave applied to phase winding A.
12a shows the somewhat idealized waveform diagram of the magnetomotive force for phase B of the 6-pole machine without modulation. It should be noted that the starting point of the curve is offset by 120 (electrical) from point X.
Fig. 12b shows the symmetrical modulation wave according to which the phase winding A is switched, in a position shifted by an angle of 120 (geometrically) around the armature, so that its start with point Y,
the starting point of the modulation wave for phase winding B corresponds. The broken line S shows the sinusoidal curve which the modulation pattern approximates.
When it was applied to phase winding A, the modulation wave gave the following resulting coil distribution, as I said: + 0.1 + 2 + 1.0-0.1-2-1.0 and the beginning of the modulation wave matched point Q at slot 1. When applied to phase winding B, the beginning of the wave coincided with point Y (slot 13) as shown.
FIG. 12c shows the same modulation wave as FIG. 12b with the amplitude reduced to 2 / s and um
EMI0009.0101
leading so that its beginning coincides with point R (groove 11); according to this component turn the coil parts
EMI0009.0108
Turns switched.
12d shows the same modulus absorption wave with amplitude reduced to 1 /, and um
EMI0009.0116
lagging, so that their beginning coincides with .dem point S (groove 17); according to this component turn the coil parts
EMI0009.0122
Turns switched.
FIG. 12e shows the resultant of the asymmetrically offset modulation wave components according to FIGS. 12c and 12d, which resultant is consequently of asymmetrical shape with respect to the point Y at the groove 13.
The dashed line S represents the sense-shaped curve, which the diagram of the resulting magnetomotive force of FIG. 12e approximates, and it should be noted that the beginning of the curve correctly coincides with point Y (groove 13).
The two. Modulation wave components according to which the phase winding C is switched and their resultants can be shown by like diagrams.
The diagram: the magnetomotive force of phase C in the circuit for six poles is in the same way compared to the corresponding diagrams of phase A and phase B by 120 (electrical) offset. The beginning of the modulation wave for phase C must lie in point Z (groove 25) and be offset by 120 (geometrically) with respect to points X and Y. The beginning of the modulation wave component with 2/3 amplitude is located in point R (groove 27), and that of the component with 1/3 amplitude in point S (groove 21).
The resulting modulation wave is the same as that according to FIG. 12e, but is offset with respect to it, and the corresponding sinusoidal curve correctly begins at point Z (groove 25).
By applying the explained modulation rules, it can be seen that individual coils of phase windings B and C, one third of all, in this example can be switched over in the same way according to each resulting modulation wave and can be wound in one section.
The remaining coils, two thirds in this example, are wound in two parts, one part being switched over according to a modulation wave component and the other part being switched over according to the other modulation wave component.
The resulting winding of the armature is shown in detail in FIG. This diagram shows the arrangement of the forward and return conductors, whether they are in the upper or lower part of the slot, and the change in the winding connections with modulation.
The characters H denote the half-turns of
EMI0010.0044
Turns, .the windings with
EMI0010.0046
Turns and .the windings with
EMI0010.0047
which are wound with conductors twice the cross-sectional area of the others and switched off in the 8-pole state.
The character J denotes coils of n turns depending on the circumstances,
EMI0010.0052
Turns, or
EMI0010.0053
Windings in which the direction of the current is reversed in the modulated state. Shown differently to show the fixed connections of the coils and, the switched connections in the modulated and unmodulated state,
the same winding data in the diagram of FIG. 9 are indicated. In the rectangles containing the coil data, the top field specifies the number of turns as a fraction of the number n, the middle field the position of the conductor in the upper part (T) or lower part (B) of a slot and the bottom field the corresponding slot numbers.
FIGS. 10 and 11 show the circuit connections of the windings of FIGS. 8 and 9 in the 6-pole and 8-pole state, respectively.
So that a 6-pole, 36-slot, double-layer three-phase winding can be modulated to 8 poles, it is necessary that 16 or 36 slots are wound in two sections, which are two-thirds or one-third of the turns contain. The remaining 20 bobbins are wound normally. With these 20 unsplit coils, the forward conductors are arranged in the following slots: No. 1, 2, 5, 7, 8, 10, 13, 14, 15, 18, 19, 20, 23, 25, 26, 28, 31 , 32, 33, 36.
The remaining 16 coils are each divided into two sections and their forward conductors are placed in the following remaining slots: # 3, 4, 6, 9, 11, 12, 16, 17, 21, 22, 24, 27, 29, 30 , 34, 35. In the modulated (8-pole) state, the coils are connected according to FIG. 11, with all the connected coils being in series. In the normal shown in Fig. 10 (6-pole)
Condition will be the coils. with reverse current direction in .the original current direction to be brought back by turning the two halves of the winding in parallel and the coils switched off in the modulated state in series with the two halves.
When designing the machine described for example, the number of turns n is for a three-phase supply with 50 periods / sec. calculated according to normal methods. The two possible motor speeds are then 1000 revolutions per minute in the 6-pole state and 750 revolutions per minute in the 8-pole state.
It can be shown that the flux density in the air gap with the 6-pole connection is 7.5% lower than with the 8-pole connection. For @diasem reason it is desirable to wind the machine for a voltage slightly higher than the mains voltage,
so that the 6-Po1 @ circuit is a little under-excited.
In FIG. 8, the coil parts which are switched off during modulation are shown in each case in the lower part of the cross section in each winding layer.
The difference in the electrical power of the machine compared to an arrangement in .d, e: r all coil parts with two thirds of the turns in the upper part and all coil parts with: one third of the turns in the lower part of the slots is negligible . For shaped coils, however, the latter training can be mechanical. Grüniden be more beneficial.
13 shows a variant of the machine according to FIGS. 7 to 12. This variant also provides 6 poles in the unmodulated and 8 poles in the modulated state. It thus also corresponds to the general arrangement according to Fig. 15a and; the phase sequence at points X, Y, Z must be A, B, C.
13 is a winding diagram of a six-pole three-phase machine wound on an armature with 36 slots, with the coils arranged in two layers in the slots.
Like the machine shown in FIGS. 7 to 12, the machine according to FIG. 13 has two coils per pole and per phase, so that in the unmodulated state three phase windings are obtained, each of which has the following coil sequence: + 2 + 21-2 + 2 + 2 + 2 In the machine according to Fig. 7 to 12, the phase winding A is switched in the modulated state as follows:
+ 0.1 + 2 + 1.0 -0.1-2-1.0 In the variant according to FIG. 13, the corresponding phase winding A is modulated. State switched as follows: + 2 + 2 + 2 -2-2-2 d. H. the pole amplitude modulation is only effected by reversing the direction of the current in certain coils, but not by switching off coils.
The phase winding Bund phase winding C are pole-amplitude-modulated according to modulation wave components of unequal amplitude, the starting points of which are offset from one another by one pole pitch; the resulting waveform of the magnetomotive force for each phase winding is essentially the same as that of phase winding A and in the correct angular displacement with respect to .these.
As discussed in relation to FIG. 7, the phase windings B and C are theoretically considered to be made up of two parts
EMI0011.0024
Turns or
EMI0011.0025
Turns.
Each of these parts in the phase windings is switched according to a one-period modulation wave. In this variant, the coil sections are also included
EMI0011.0033
Turns and some coil sections with
EMI0011.0035
Windings which are required for the modulation in the embodiment described with reference to FIGS. 7 to 12 are not required.
In Fig. 13: are. the slots are numbered from 1 to 36 from the beginning of the phase winding A and the arrangement is indicated in the upper layer (T) and lower layer (B). The circled characters indicate the coil sections in which, with modulation: the current direction is reversed.
In this embodiment 36 coils are used, all coils with a coil pitch of 2 / g of the pole pitch, i.e. H. are wound by four slots for 6-pole operation. Of the 36 coils used, 28 are wound in a single section that has all n windings, and 8 are in two sections, one with
EMI0011.0057
Turns, and .one other with
EMI0011.0058
Turns wound.
When comparing the first-described embodiment of the 6: 8 pole machine (Fig. 7 to 12) with the present variant (Fig. 13) results in the former:
1. a significant reduction in the heating of the copper of the machine with a much greater than proportional reduction in the effective winding factor; and 11. Very little improvement in the harmonic content of the magnetomotive force waveform.
The variant results in: 1. a ratio of the magnetic flux density in 6-pole and 8-pole operation, which is almost 1; 11. Reduction of the number of coils to be wound in two sections from 16, to 8, and 111. Elimination of coils with half the number of turns and double copper cross-section.
When comparing, it is clear that the variant in terms of production and costs and the first embodiment is more advantageous from an operational point of view.
It should be noted that, for the 4: 6 pole machine described in relation to FIGS. 1 to 6, a preferred mode of operation with a reduction in the amplitude of the magnetomotive force of phase winding A with modulation to the reduced modulated amplitude of phase windings B and C is explained.
For the 6: 8-pole machines described with reference to FIGS. 7 to 12 and FIG. 13, no such reduction in the amplitude in the phase winding A is explained. However, such a reduction in the amplitude in;
the phase winding A is also advantageous here. The amplitude reduction of phase winding A can be achieved by dividing each coil @ of this phase winding and by switching off the corresponding part of each coil.
In this case, it is advantageous to switch off selected coils completely to reduce the magnetomotive force, as explained in FIG. 1 (h), instead of switching off a part of each coil of the phase winding A. The. The procedure is then exactly the same as; that for; the 4: 6 pole machine.
<I> Theory </I> The method of changing the number of poles by asymmetrical pole amplitude modulation has been presented in full above and illustrated by exemplary embodiments.
As an additional explanation, tri gonometric equations are given below: on which the method is based.
The principle of the so-called pole amplitude modulation, equal o <B> b </B> .symmetrical or asymmetrical, can be explained as follows: Let the wave-like distribution of the magnetomotive force, which is caused by the three phase windings of a three-phase machine, be given by the equations below:
EMI0012.0005
where T. is the magnetomotive force in the center of each pole, p is the number of pole pairs, and T1, T2 and T3 are passed through each of the at the angle 2 "z / 3, i.e.
120 three phase windings offset from one another in the circumferential direction, resulting in magnetic field strength as a function of the angle 0 measured around the armature axis.
It is now assumed that the curve of the magnetomotive force for:
the three phase windings are modulated according to the following periodic functions of the spatial angular position (modulation waves), d. H.
that the value Tm, the magnetomotive force and thus the amplitude of the periodic change of this magnetomotive force for a
EMI0012.0047
It should be noted that each of the above expressions for T1, T2 and T3 represents the sum of two quantities, each of which has a sine-like (cosine-like) curve,
which change according to the difference and sum expressions (p k) and (p + k), where p: is the number of pole pairs and k is the number of modulation periods on the entire armature circumference.
If
EMI0012.0062
all expressions with (p-k) 0 are in phase in space and there is no resulting magnetomotive force with this number of poles if the three phase windings are fed with three-phase alternating current.
At the same time, the angular distance from the expression containing (p + k) o becomes the same
EMI0012.0072
and the three phase windings therefore generate a rotating field of (p + k) pole pairs when they are fed with three-phase alternating current.
If vice versa
EMI0012.0078
of these phase windings is no longer constant over the entire circumference, but. have the variable T.1, T.2, T. given by the corresponding function below.
Tml = A sink 0 T.2 = A sin (k <B> (9 </B> - a) and Tms = A in (k 0 - 2a) where A is a constant, k is the number of periods of the modulating function the entire circumference of the machine, and a is an angle to be specified on the same scale as K 0.
The total magnetomotive force caused by an entire phase winding at the point on the circumference given by the space angle p0 can thus be described as follows:
EMI0012.0094
These three expressions can be rewritten as follows:
the expressions containing (p + k) 0 become in-phase in space and the expressions containing (p-k) 0 are angularly spaced
EMI0012.0099
Therefore, if one changes the distribution of the magnetomotive force of three phase windings (of p pole pairs) according to three modulation waves that are around zero,
EMI0012.0104
are shifted with respect to the (arbitrary) beginning of the first phase winding, a resulting field of (p k) pole pairs can be obtained at will.
In any machine, any of the symmetrical modulation waves can be applied to any of the three phase windings of the machine.
The required shift from
EMI0012.0113
of the symmetrical modulation waves applied to the other two phase windings to produce a resultant of (p + k) pole pairs can be obtained when k = 1 and p = 1,4,7,10 etc. pole pairs.
In the same way, the required shift can be: from
EMI0013.0002
of the symmetrical modulation waves, which are transmitted to the other two phase windings in order to generate a resultant of (p-k) pole pairs, can be obtained when k = 1 and p = 2,5,8 etc. pole pairs.
It should be noted that none of the number of pole pairs mentioned in the last two paragraphs is equal to 3 or an integral multiple of 3.
For pole number combinations that include three pole pairs or a multiple of three pole pairs as the number of working pole pairs, the beginnings of the modulation waves for the second and third phase windings do not fall on armature slots which contain the coil conductors of the relevant phase winding. In such cases, an asymmetrical modulation pattern must be applied to the second and. third phase windings are applied.
The principle of asymmetrical modulation is as follows: Any phase winding (A) is switched according to the simple symmetrical modulation wave explained. The coils of the remaining two phase windings (B) and (C) are considered to be. would be divided into two parts, which include a third or two thirds of the turns of each coil sen.
Instead of the whole phase windings, both coil parts are then switched individually according to two identical modulation times; but whose beginnings are one pole pitch apart. The starting point of one of these waves is shifted by two phase bands in one sense from the required starting point, and the beginning of the other wave is shifted by a phase band in the opposite sense.
For the larger part of the coil, comprising two thirds of the turns, the modulation wave is used, the beginning of which is shifted by the smaller angle from the ideal beginning.
When the magnetic fields generated by the two parts of each coil are superimposed, it can be seen that both coil parts are influenced in the same way by the modulation in all but two phase bands of each phase of the original winding. The division of the coils, as explained above, is therefore largely theoretical and their constructive implementation is not necessary in most phase bands. This is: especially the case where it is possible to use a rectangular modulation wave as in the winding according to FIG. 13.
In the remaining two phase bands per phase whose coils are to be divided, it follows that after modulation either 2 / s of each of the coils is left unchanged and the current direction is reversed in /, or that 1/3 of each of the coils is unchanged and the direction of the current is reversed in 2 / g.
The former is equivalent to leaving 1 / s of each of the coils unchanged and 2 / g being turned off; and the latter is equivalent to the fact that in 1/3 of each: of the coils the direction of the current is reversed and 2 / g of each coil is switched off.
In principle, each coil of these two phase bands of each of the two phase windings, the field of which is to be modulated asymmetrically, must be divided into two parts; but in practice almost equivalent distributions of the magnetomotive force can be obtained by switching off two out of three coils, while: the remaining third coil remains switched on with the same or reverse current direction. This can easily be done for 3, 6, 9 etc.
Coils per pole per phase happen, and where .the number of coils per pole per phase is not a multiple of 3, it is often possible, e.g. B. to take 2 of 5 instead of the ideally required 2 of 6 coils.
It does not matter which coil or coils are selected from each phase band, but after recording a vector diagram, a correct choice can be made and a balanced or almost balanced winding can be obtained.
In practice, therefore, it is not necessary to divide any coil into two parts, and the number of complete phase bands which must be divided into two coil groups is only two in each phase winding, whatever the number of poles. The problem is therefore relatively easier if there are a large number of poles.
Another modification of the first phase winding A, the field of which is symmetrically modulated, is advantageous if the original number of poles is not 10 or more. The process of asymmetrical modulation of the field of phase windings B and C always reduces the amplitude of the resulting magnetomotive force in comparison with the amplitude of that of the symmetrically modulated phase winding A,
even if the same modulation wave is used for all three phases. This reduction occurs because the vector sum of two sine waves of the same frequency is always less than their arithmetic sum.
The reduction is no longer - noticeable at 10 or more poles and can then be neglected.
In principle it is therefore necessary to divide all coils of phase winding A into two sections in order to reduce the variation amplitude ider = magnetomotive force in the modulated state by switching off a suitable small part of the coils by an appropriate amount.
In practice, it is possible to completely switch off certain coils of phase winding A in order to reduce the amplitude of the fundamental wave of the magnetomotive force by the corresponding amount: The coils selected for switching off must be such that the resulting magnetomotive force of the phase winding reduced in size, but not changed in phase position wind;
In other words, the starting point of the modulation wave for phase winding A must not be shifted so that the geometric offset of the three modulation waves by 120 is retained. The selection of the coils to be switched off must in turn, by listing:
of a vector diagram for phase winding A, as it was already done for phase windings B and C. In general, the best implementation of pole amplitude modulation always requires the establishment of a complete vector diagram for the original design of some particular combination of groove number and modulation method;
a full trigonometric analysis can be done instead.
The amount by which the amplitude of the change in the magnetomotive force generated by the phase winding A is advantageously reduced can be determined by the following considerations. Let p again be the number of pole pairs which is subject to any modulation which results in (p + 1) pole pairs.
It is assumed that a modulation wave, the amplitude and phase of which is given by T sin O, is to be divided into two components, e.g. B.
rushing around
EMI0014.0008
and the other therefore lagging around
EMI0014.0009
The two components are written as follows:
EMI0014.0011
where t1 and t2 are proportional to the number of turns in the two parts of the divided coils, and T is proportional to the number of turns (n) of an entire undivided coil.
If these components together provide the desired modulation wave, it follows that:
EMI0014.0022
By equating the coefficients of 0 and cos 0, it follows that:
EMI0014.0025
By trigonometric simplification, the final results obtained are as follows:
EMI0014.0026
It is found that for p = 2 pole pairs, which is the extreme case, the numerical results are: t1 = 0.801n; t2 = 0.464n; (tl + t2) = 1.265 n and (tl / t2) = 1.73. For p = 5 pole pairs the results are t1 = 0.692n; 4 = 0.355n; (tl + t2) = 1.047n and (t, / t,) = 1.96.
It can be seen that the borderline case in which t1 = 0; 667n; t2 = 0.333n; (t1 + t2) = 1,000n; and (t1 / t1) = 2.0 is approximated. In particular, since the limit (t1 + t2) = 1.00n is almost reached, it is not necessary to make any adjustment to the amplitude of the phase winding (A).
A machine for 4 poles without modulation and 6 poles with modulation is therefore the most difficult to design according to these new methods. The embodiment described with reference to FIGS. 1 to 6 represents an example of this most difficult combination. Synchronous machines A three-phase alternating current winding with pole number change through pole amplitude modulation can be used as an armature winding in a synchronous machine, be it a motor or a generator use a DC field winding that delivers the same number of poles.
In particular, a three-phase winding with asymmetrical pole amplitude modulation, as it was dealt with in the previous part of this description, can be used as an armature winding in conjunction with a DC excitation winding of a known type or a type to be described here which is set up for pole change.
It is well known in synchronous electrical machines that phantom DC poles can be created in the DC excitation system of the machine by neutralizing or removing the excitation of some of the DC poles and reversing the excitation of others. In the DC winding of a synchronous machine, the number of poles can in principle be changed in this way without limitation or restriction. Nevertheless, the best results are obtained when the ratio of the two possible pole numbers has a quotient which does not deviate greatly from one: e.g.
B. lies between the limits of 0.8 and 1.25.
In known synchronous machines with a direct current excitation system with phantom direct current poles for the optional generation of two numbers of poles, the direct current excitation winding is paired with a stationary polyphase alternating current armature winding, which can be switched in the usual way to obtain the two number of poles , or the direct current excitation winding is paired with two independent alternating current armature windings.
The use of known pole-changing windings usually requires leading out a very large number of conductors for switching the windings, and the use of two independent windings apparently means a waste of space and material.
According to one embodiment of the present invention, a synchronous motor or generator has a known direct current excitation system, which is wound and connected in such a way that it supplies phantom direct current poles in its one mode of operation, and a three-phase alternating current armature winding which, according to the method asymmetrical amplitude modulation, as it was described in the previous embodiments as an example, provides two different pole numbers.
The known direct current winding optionally results in fields such as are shown, for example, in the ten-pole and eight-pole distributions of the diagram of the magnetomotive force in FIG. 14A and in FIG. 14B.
14A relates to a 10-pole direct current excitation winding with ten coils 1 to 10 which are switched on during normal operation and each of which generates a pole of the same amplitude, which is indicated in the drawing at h. 14B shows the same winding when operating with eight poles.
Two of the coils, coil no. 5 and spool No. 10, switched off from the winding and one half of the remaining winding with coils 6, 7, 8, 9 is switched for reverse current direction, so that the current flows in the reverse direction as in the 10-pole circuit, which corresponds to pole 6, 7, 8 and 9 result in opposite polarity. In Figs. 14A and 14B, each pole is in correspondence with FIG. this pole generating winding is numbered.
It can be shown that in the circuit according to FIG. 14B the four-pole subharmonic has an amplitude of approximately one fourth of the 8-pole field. The presence of the subharmonic flow is undesirable because it exerts a bending effect on the frame of the machine.
According to a further example, a synchronous motor or generator with a three-phase alternating current armature winding, which is designed in the manner described earlier, so that it optionally supplies two numbers of poles by means of pole amplitude modulation, the also switchable direct current Excitation winding divided into two halves, with each winding half extending 180 (geometrically) around the armature axis, and with the winding in one operating mode with inversion,
the direction of current in one half of the winding relative to the other half and reduction of the amplitude of each of the four poles located at the ends of the two half-windings is used: e.g. B. by switching off a few turns of each of the four coils, which are at the ends of the two half-windings, or by partially neutralizing the coils. Preferably, about three quarters of the turns are turned off in each end coil from which turns are to be disconnected. More precisely, such a number of turns is switched off that, with the reduced amplitude of the weakened pole, the amplitude of the subharmonic number of poles becomes approximately zero.
Correspondingly, with the neutralization method, the end poles are weakened in the same way so that the proportion of subharmonics almost disappears.
* Fig. 14C of the drawing refers to this embodiment of the DC field winding. This represents the field: which is obtained from the field shown in FIG. 14A by switching over the field winding in the manner explained above.
After this changeover, the current direction in one half of the winding containing coils 6 to 10 is reversed with respect to the half winding containing coils 1 to 5. In addition, poles 1, 5, 6 and 10 are reduced in amplitude;
the poles 1 and 5 are generated by the coils 1 and 5 at: the ends of he most half of the winding and the poles 6 and 10 by the coils 6 and 10 at the ends of the second half of the winding. The remaining amplitude of poles 1, 5, 6 and 10 is represented in FIG. 14C by the amplitude a. H. specified. The amplitude of the non-weakened poles 2, 3, 4, 7, 8 and 9 keeps the value h as in Fig. 14A.
By switching off or neutralizing a suitable number of turns of the coils 1, 5, 6 and 10, the amplitude can be dimensioned so that the four-pole subharmonics disappear completely. This is: the preferred arrangement of a direct current phantom pole exciter winding for a machine whose armature phase windings can be switched in the manner described earlier.