Wicklungsanordnung für Induktionsmaschinen mit veränderbarer Polzahl. Polumschaltbare Wicklungen für ein- oder mehrphasige Induktionsmaschinen erfordern im allgemeinen ausserordentlich viele Wick lungsenden, die zum Umschaltapparat aus der Maschine herausgeführt werden müssen, um denjenigen Verlauf der Wicklung zu er zielen, der zur Erzeugung magnetischer Fel der mit wahlweise verschiedener Polzahl not wendig ist. Bei den bisher meist gebräuch lichen Wicklungsarten braucht man zum Bei spiel für einen Dreiphasenmotor, der mit zwei verschiedenen Polzahlen arbeiten soll, allein für die Statorwicklung bis zu 36 verschiedene Wicklungsenden. die eineu entsprechend gro ssen Kontaktapparat zur Umschaltung er fordern.
Es sind verschiedentlich Vorschläge ge macht, die Zahl der Wicklungsenden zu ver ringern, besonders zu dem Zwecke, die Wick lungen mit mehrfacher Polzahl auch im Ro tor verwenden zu können, ohne eine unaus führbar grosse Zahl von Schleifringen zu er halten. Gegenstand der Erfindung ist eine Wicklungsanordnung, die sich sowohl für Ro- toren, als auch für Statoren zur Ersparung von Wicklungsanschlüssen und Kontakten im Schaltapparate besonders gut eignet, da sie für jede Polzahl nur eine der Phasenzahl ent sprechende Zahl von Anschlüssen besitzt.
Die Gesamtwicklung wird zu diesem Zweck in eine gewisse Zahl einzelner Zweige unterteilt und diese Zweige, die beim Arbeiten mit den verschiedenen Polzahlen veränderten Strom durchfluss besitzen, werden mehrfach anein ander geschlossen, wie die Seiten und Sehnen eines Fachwerkpolygons, dessen verschiedene Knoten- oder Eckpunkte die Anschlussstellen der Stromzuleitungen für die verschiedenen Polzahlen bilden. Die gegenseitige Verbindung der einzelnen Wicklungszweige braucht als dann nicht mehr geändert zu werden, man braucht vielmehr nur diejenigen Knotenpunkte, denen der Ein- oder Mehrphasenstrom zuge führt wird, zu wechseln. Man erbält also eine Anzahl von Wicklungsenden oder Anschluss punkten, die nur durch das Produkt aus Phasenzahl mal Stufenzahl der Pole gegeben ist; wobei Einphasenstrom und Zweiphasen- strom als Zwei- und Vierphasenstrom gelten.
Die angeführte Regel lässt sich für beliebige Phasenzahlen und für Umschaltung in jedem beliebigen Polzahlverhältnis anwenden, wie aus den nachfolgenden Erläuterungen und Beispielen hervorgeht.
Im Folgenden sind einige Ausführungs beispiele der neuen Wicklungsanordnung be schrieben.
In Fig. 1 ist die Abwicklung des Um fanges einer Dreiphasenwicklung einfachster Art. und zwar einer Ringwicklung, darge stellt, wobei die Kreise die wirksamen Nu tenleiter der drei Phasen darstellen. Die obere Zeile zeigt den Stromdurchfluss der drei Pha senströme A, B, C, der zur Entwicklung eines vierpoligen Magnetfeldes auf dem ge zeichneten Teile des Umfanges notwendig ist. Die doppelte Polteilung ist dabei durch 2 T angedeutet. Die untere Zeile stellt dagegen den Stromdurchfluss der drei Phasenströme a, b, c dar, der erforderlich ist, um ein sechs- poliges Magnetfeld auf demselben Teil des Umfanges zu entwickeln. Auch hier ist die doppelte Polteilung 2t eingetragen.
Man er kennt, dass bei einer derartigen Anordnung folgende Vertauschungen von Phasen der ver schiedenen Leiter erforderlich sind
EMI0002.0002
A-a <SEP> B-a <SEP> C-a
<tb> A-b <SEP> B-b <SEP> C-b
<tb> A-c <SEP> B-c <SEP> C-c Man erkennt aber ausserdem, dass immer je zwei Leiter in gleicher Weise vertauscht wer den, so dass man diese beiden Leiter je zu einem Stromzweige verbinden kann und so mit im ganzen neun verschiedene Stromzweige erhält, deren Ströme beim Übergang von der einen auf die andere Polzahl eine andere Phasengruppierung erhalten müssen.
In Fig. 2,B ist nun veranschaulicht, wie die Verbindung dieser einzelnen Wicklungs zweige gemäss der Erfindung erfolgt. Die Wickungszweige, deren Leiter in Fig. 1 fort laufend numeriert sind, sind verbunden wie die Seiten und Sehnen eines Fachwerkpoly gons, dessen Knoten- und Eckpunkte abwech selnd die Anschlüsse für die verschiedenen Polzahlen bilden. Die Eck- bezw. Knoten- punkte sind mit den gleichen Buchstaben be zeichnet wie die Phasen der Fig. 1.
Wird dem mehrfach aneinander geschlossenen Wick- lungssystein an den Knotenpunkten _l, B, C' Spannung zugeführt, so ergibt sich die vier- polige Anordnung gemäss der oberen Zeile der Fig. 1, während beim Anschluss der Netz phasen an die Knotenpunkte a, b, c sich die untere Polzahl, nämlich die sechspolige An ordnung ergibt. In dem Fachwerkpolygon sind die einzelnen Sehnen und Seiten mit den gleichen Ziffern bezeichnet wie die Leiter der Fig. 1. Dass man beim Aneinanderschalten der Wicklungszweige zu diesem Fachwerk polygon tatsächlich, je nachdem man die Netz phasen an die Knoten A B C oder a b c an schliesst, die vierpolige oder sechspolige An ordnung erhält, ist aus Fig. 2a zu ersehen.
Hier sind wiederum bei einem Ringanker als Ausführungsbeispiel 18 Spulen dargestellt, die mit den Ziffern 1 bis 18 bezeichnet sind. Oberhalb der einzelnen Spulen ist durch die grossen bezw. kleinen Buchstaben angegeben, von welchen Strömen der Leiter in der einen bezw. in der andern Schaltung durchflossen wird. Es sind also beispielsweise die Spulen A a mit ihren Enden an die Klemmen A a angeschlossen. Die Spulen A b mit ihren En den an die Klemmen A b und so weiter. In den einzelnen Zeilen der Figur, die links mit A B C bezw. a b c bezeichnet sind, ist die Stromrichtung in der einen bezw. der andern Schaltung durch Pfeile angegeben. Man er kennt, dass sich tatsächlich die gewünschte Stromverteilung ausbildet, die in der Schal tung A B C (Zeile A B C) die vierpolige, bei der Schaltung a b c (Zeile a b c) die achtpolige Anordnung ergibt.
Diese Stromverteilung be wegt sich bei der Speisung mit Drehstrom über den Anker hinweg.
Es ist weiter aus der Anordnung Fig.
zu erkennen, dass die einzelnen Stromzweige beim Anschlusse der Stromzuführungen an die Knotenpunkte zu je dreien parallel von Strö men durchflossen werden, Fig. 2 γ zeigt. Zur Herstellung der Wicklung gemäss der Erfin dung ist es somit nur erforderlich, die Knoten punkte für die Stromzuführungen der ver- schiedenen Polzahlen abwechselnd als Ecken eines Polygons aufzuzeichnen und die Poly gonseiten und Polygonsehen zu ziehen, die alsdann unmittelbar die verschiedenen Wick lungszweige und ihre Verbindungen zu Kno tenpunkten darstellen.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 B sind nur die drei Durchmessersehnen des Polygons dar gestellt Aa, Bb, Cc, die je zwei Knotenpunkte verbinden, die verschiedenen Schaltungen an gehören. Man kann aber auch die Sehnen ziehen, die der gleichen Schaltung angehörige Knotenpunkte verbinden, z. B. AB oder BC oder CA oder ab usw., und erhält dann Wick lungszweige, die beim Anschluss an das eine System von Knotenpunkten von Strömen durchflossen werden, während sich in ihnen die Spannungen aufheben, wenn das Wick lungssystem an die andern Knotenpunkte an geschlossen wird. Diese Anordnung ist in Fig. 3 veranschaulicht. Die Verbindungen zwischen Knotenpunkten, die dem gleichen System angehören, sind gestrichelt einge zeichnet. Es sind somit bei dieser Anordnung sämtliche Sehnen des Sechseckes als Wick lungszweige ausgeführt.
Von den gestrichelten Sehnen bilden je drei eine Dreieckswicklung, für je eine Polzahl, wodurch man bekannt lich Zweigströme einer Phase erhält, die zwi schen den Phasen der anliegenden Netzströme liegt, so dass sich mit Hilfe dieser Dreieck wicklungen ein gleichmässigeres Drehfeld her stellen lässt. In vielen Fällen wird man dar auf verzichten, diese Dreieckwicklungen her zustellen, weil sie, wie oben beschrieben, nur bei Schaltung auf die eine Polzahl strom durchflossen sind, während sie bei der andern Schaltung keine Ströme führen. Man erzielt dann bei Verzicht auf die Ausführung der Dreieckswicklung eine volle Ausnutzung der gesamten Wicklung.
In jedem Falle aber wird die Umschal tung von einer Polzahl auf die andere ledig lich dadurch vorgenommen, dass der Leitungs strang, der den Dreiphasenstrom zuführt, von den Knotenpunkten des einen Systems, z. B. A B C, auf die Knotenpunkte des andern Sy stems a ü c verlegt wird: Diese Unischaltung kann durch einen einfachen dreipoligen Um schalter erfolgen, ohne dass weitere Ausfüh rungen der Wicklungen oder sonstige kom plizierte Umschaltungen erforderlich wären.
Mit der Anordnung gemäss der Erfindung lässt sich nicht nur die Ständerwicklung des Asynchronmotors, sondern auch die Läufer wicklung umschalten, indem man den Läufer mit sechs Schleifringen versieht, von denen für jede Polzahl je drei benutzt werden.
Die beschriebene Methode der Zusammen schaltung der Zweige zu einem Wicklungs fachwerk hat noch einen besondern Vorteil, falls man die effektive Windungszahl aller Zweige zwischen zwei verschiedenen Knoten punkten gleich wählt. In Fig. 2 möge der Drehstrom durch die Klemmen A, B C zu geführt werden. Dann fliesst beispielsweise dem Knotenpunkt a dieser dreiphasige Strom durch drei Wicklungszweige Aa, Ba, Ca zu, so dass derselbe den Sternpunkt eines Dreiphasen systems bildet. Spannungen von der normalen Frequenz treten in ihm daher nicht auf, und das Gleiche gilt natürlich für die Knotenpunkte b und c. Man erhält also das Resultat, dass bei Zuführung des Drehstromes an die Kno tenpunkte für eine Polzahl alle Anschluss knotenpunkte für die andere Polzahl span nungsfrei sind.
Es kann also durch Berühren derselben kein Schaden entstehen, man kann sie sogar erforderlichenfalls kurzschliessen.
Die beschriebene Zusammenschaltung ver schiedener Wicklungszweige zu einem Fach werk ist nicht nur für drei, sondern für eine beliebige Zahl von Phasen möglich. In den Fig. 4 und 4a ist ein Wicklungsschema für eine vierphasige Anordnung dargestellt, und zwar für eine Umschaltung von vier Polen auf acht Pole. 'lhnlich wie bei der Anordnung der Fig. 2a ist in Fig. 4a eine Ringwicklung, bestehend aus 16 Spulen, dargestellt. Über jeder einzelnen Spule stehen die Bezeich nungen der Phasenströme, von denen die be treffende Spule in der einen und in der an dern Schaltung durchflossen wird.
Dabei ist zu beachten, dass ein Strom in der umge kehrten Richtung in Phase C dem Strom der Phase A gleichgerichtet ist, und ebenso ein Strom in der umgekehrten Richtung von D dem Strome der Phase B gleichgerichtet ist, also
EMI0004.0000
- <SEP> C <SEP> = <SEP> A
<tb> - <SEP> D <SEP> = <SEP> B
<tb> entsprechend <SEP> - <SEP> a <SEP> = <SEP> c
<tb> - <SEP> d <SEP> = <SEP> b In den einzelnen Zeilen ist für die verschie denen Phasenschaltungen, die links angegeben sind, durch Pfeile die Stromrichtung ange geben. Die Spulen selbst sind fortlaufend numeriert. Die gleichen Zahlen der Spulen finden sich au den Seiten und Sehnen des Fachwerkpolygons, zu dem die Wicklungs zweige zusammengeschlossen sind.
Man er kennt auch hier ohne weiteres, dass durch Anchluss der Netzleitungen an die Knoten punkte A, B, C, D die vierpolige Anordnung, beim Anschluss der Netzleitungen an die Kno tenpunkte a, b, c, d die achtpolige Anordnung entsteht.
Bei der Anordnung der Fig. 4 a und 4 @ sind die Sehnen weggelassen, die Knoten punkte des gleichen Systems miteinander ver binden, also jene Sehnen, die den gestrichelten Linien der Fig. 3 entsprechen. Bei dieser An ordnung sind an jedem Knotenpunkt immer vier Wicklungszweige einander parallel geschal tet (Fig. 4γ).
Das Fachwerkpolygon für eine Fünfpha senanordnung, bestehend aus den Phasen A, B, C, D, E der einen Schaltung und den Phasen a, b, c, d, e der andern Schaltung, ist in Fig. 5 veranschaulicht. Auch hier lässt sich ohne weiteres jede beliebige Polzahl erzielen. Die Verteilung der Wicklung auf dem Um fange kann in ähnlicher Weise wie bei den Anordnungen der Fig. 2a und 4a abgeleitet werden.
Der Zusammenschluss von Wicklungs zweigen gemäss der Erfindung lässt sich auch dann herstellen, wenn es sich darum handelt, mehr als zwei Polzahlen zu erzielen. Fig. 6 zeigt beispielsweise die Verbindung von 12 Wicklungszweigen zu einem Fachwerke von sechs Knotenpunkten, das jedoch nunmehr dazu dienen soll, drei verschiedene Polzahlen durch umschaltbaren Einphasenstrom zu erzeugen. Dementsprechend tragen je 2 diametral gegen überliegende Knotenpunkte, die verschieden artig dargestellt sind, die Bezeichnungen A B, a b, a 3, und werden dementsprechend wahl weise an den einphasigen Leitungsstrang an geschlossen. Durch Umlegen der Anschlüsse erhält man verschiedene Stromrichtungen in den verschiedenen Zweigen, bezw. Stromlosig- keit, so dass sich drei Polzahlen erzeugen lassen.
Das ausführliche Wicklungsschema ist wiederum in Fig. 6a in dem Beispiel einer Ringwicklung dargestellt. Oberhalb der ein zelnen Spulen sind die Phasen angegeben, von denen die Spulen in den einzelnen Schal tungen durchflossen werden. Aus der An ordnung der Fig. 6 ist ersichtlich, dass wie derum die elektromotorischen Kräfte in ein zelnen Wicklungszweigen sich aufheben wer den, und zwar für ein System von Knoten punkten in den Wicklungszweigen, die sym metrisch zu den Knotenpunkten dieses Sy stems liegen und die Knotenpunkte des an dern Systems verbinden.
Also heben sich bei spielsweise beim Anschlusse der Netzleitungen an die Knotenpunkte A B die Spannungen in den Wicklungszweigen Pa und ib, sowie b α und a α auf, so dass, wie auch aus dem Wicklungsschema der Fig. 6a hervorgeht, diese Wicklungszweige in den jeweiligen Schaltungen stromlos bleiben. Würde man die Stromwege von den Sammelschienen A bezw. a α verfolgen, so würde sich ergeben, dass sich in den einzelnen Schaltungen somit auf hebende Ströme gleicher Phase ergeben.
Aus den eingezeichneten Pfeilen der wie derum fortlaufenden Leiter der Fig. 6a ist ersichtlich, dass sich allerdings mit gewissen Unregelmässigkeiten die Umschaltung der Pol zahlen von zwei auf vier auf sechs Pole ergibt.
Ein Wicklungsschema für drei dreiphasig erregte Polzahlen, das demgemäss 9 Anschluss knotenpunkte A B C, a b c, α c γ besitzt, zeigt Fig. 7. Es enthält 27 verschiedenartige Zweige, die je nach Wahl der Anschlüsse und der Polzahl in verschiedener Weise von den mehr- phasigen Strömen durchflossen werden. Fig. zeigt weiterhin ein Schema für vier verschiedene Polzahlen, die durch Anschliessen eines ein- phasigen Leitungsstranges an acht verschiedene Knotenpunkte A B, a b, α g, $ 0 erzielt wer den können. Auch bei allen diesen Wicklungs anordnungen sind stets die nichtbenutzten Knotenpunkte spannungsfrei, wenn man, wie es gewöhnlich möglich ist, alle einzelnen Wicklungszweige mit gleicher effektiver Win dungszahl herstellt.
Bei den zuletzt beschriebenen Wicklungs anordnungen mit mehr als zwei Polzahlen wer den beim Ausführen aller gezeichneten Strom zweige nicht alle Sehnen Wicklungszweige zwischen den verschiedenpoligen Knotenpunk ten vom Strome jeder Polzahl durchflossen. In Fig. 9 ist das Wicklungsschema zum Bei spiel der Fig. 7 nochmals dargestellt, wobei nur diejenigen Wicklungszweige voll gezeich net sind, die beim Anschlusse der Drehstrom leitungen an die Knotenpunkte A, B, C vom Strome durchflossen werden. Man erkennt, dass von den 27 vorhandenen Wicklungszweigen neun Zweige stromfrei sind, sie sind gestrichelt dargestellt. Das Gleiche ist mit neun andern Stromzweigen beim Anschlusse der Leitungen an andere Knotenpunkte der Fall. Die ge samte Wicklung ist also in jedem Falle nur zu 2/3 ausgenutzt.
In vielen Fällen ist nun die Leistung, die von der Wicklung erfordert wird, bei einer Polzahl überwiegend gross und bei den andern Polzahlen nur geringer. Es ist alsdann zweckmässig, diejenigen Zweige, die bei dieser Hauptpolzahl stromfrei sind, ganz fortzulassen, so dass dabei alle überhaupt vorhandenen Wicklungen stromführend und daher voll ausgenutzt sind. Bei den andern Polzahlen werden dann immer nur einige der Wicklungszweige Strom führen, was aber hier der nur geringen Leistung wegen weiter nichts schadet. Man erhält hierdurch insgesamt eine besser ausgenutzte Maschine.
Während in Fig. 1, die nur zur Erläute rung der möglichen Verteilung der Ströme auf dem Wicklungsumfange dienen soll, eine Einschichtenwicklung dargestellt ist, bei der der mehrphasige Strom auf jeder doppelten Polteilung nur dreimal seine Phase wechselt, ist es natürlich auch möglich, irgend eine der bekannten Zweischichtenwicklungen, oder eine mit sechsmaligem Phasenwechsel auf die dop pelte Polteilung, oder eine beliebige der sonst noch möglichen Kombinationen anzuwenden.
Es kann sogar vorteilhaft sein, Dreischichten wicklungen zu verwenden, bei denen man die Möglichkeit hat, etwa durch getrenntes Durch leiten jedes Dreiphasenstromes durch je eine Schicht, eine häufigere Überlappung der ver- schiedenphasigen Wicklungszonen am Umfange zu erzielen und dadurch die bei Wicklungen für Polumschaltung häufig auftretenden schäd lichen Oberfelder möglichst zu vermindern. Ob die den verschiedenen Polzahlen entspre chenden Drehfelder im gleichen oder entgegen gesetzten Sinne umlaufen, ist im Prinzip gleich gültig; beides lässt sich stets durch passende Zuordnung der verschiedenen Leiter erreichen.
Die beschriebenen Wicklungen lassen sich auch mit grossem Vorteil für polumschaltbare Generatoren verwenden. Bei diesen Genera toren braucht darin die Arbeitswicklung nicht umgeschaltet zu werden, lediglich werden die Erregerpole in der üblichen Art umgeschaltet. Durch Umschaltung der Erregerpole entstehen dann je nach der Schaltung an dem einen System oder andern System von Knoten punkten Spannungen, während die andern Knotenpunkte spannungslos bleiben. Führt man nun Generatoren mit der gleichen Pol umschaltung aus und verbindet die einander zugehörigen Knotenpunkte von Generator und Motor durch Leitungsstränge, so sind in den Starkstromkreisen Schalteinrichtungen über haupt nicht erforderlich.
Je nach der Schal tung der Erregerpole wird Spannung an dem einen System der Knotenpunkte des Genera- tors erzeugt und durch die Leitungsstränge dem entsprechenden System von Knoten punkten in dem Fachwerkpolygon der Motor wicklungen zugeführt.