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Wechselpol-Reluktanzmaschine Es sind bereits Wechselstromerzeuger
für erhöhte Frequenz bekannt, die dadurch. gekennzeichnet sind. daß ihre Gleichstromerregerwicklung
in einer geraden Zahl offener Nuten; im Stator angeordnet ist. Die Nutteilung ist
gleich dem zweifachen der Teilung der Rotornuten, und ihre Breite am Luftspalt ist
gleich einer Rotornutteilung, wobei die zwischen den Statornuten gebildeten Zähne
zentral mit offenen oder halb,-geschlossenen Nuten versehen sind, welche die Wechselstromwicklung
enthalten.. Bei diesen Maschinen ist der Polbögen der Ständerpole gleich oder nahezu
gleich der Nutteilung des Läufers. Solche Maschinen sind praktisch nur für den unteren
Bereich der Mittelfrequenz geeignet, denn sonst würde die Polteilung zu klein und
die Ausnutzung der Maschine sehr ungünstig.
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Die Erfindung betrifft eine Wechselpol-Reluktanzmaschine mit ausgeprägten
Polen und Wechselstromnuten in der Mitte jedes Poles. Erfindungsgemäß ist die Anordnung
so getroffen, daß die Polzahl gleich einem Vielfachen der Phasenzahl, jedoch größer
als Eins ist und daß die Läufernutzahl größer als die doppelte: Polzahl und von
einem Vielfachen der Polpaarzahl verschieden ist, wobei der Polbogen eines jeden
Pols mindestens gleich der doppelten Läufernutteilung ist und so angeordnet ist,
daß bei Drehung des Läufers um eine Läufernutteilung die, Luftspaltreluktanz in
bezug auf den ganzen Pol im wesentlichen konstant bleibt, jedoch in bezug auf die
beiden Polhälften beiderseits der Wechselstromnut zyklisch in hohem Maße von der
einen zur anderen Polhälfte schwankt. Jeder Pol ist in, der Polmitte mit einer vorzugsweise
halbgeschlossenen Nut versehen, die zur Aufnahme der Wechselstromwicklung dient.
Der Rotor ist lamelliert, besteht aus magnetisierbarem Material und trägt keine
Wicklung. Der Rotor ist mit einer Anzahl offener Nuten versehen, die gleichmäßig
über seinen Umfang verteilt sind. Die Zahl der Rotornuten ist größer als die Zahl
der Pole, aber kein Vielfaches der Polpaarzahl. Die Länge des Polbogens, gemessen
zwischen den. äußeren Begrenzungen des Pols, ist gleich der Rotornutteilung oder
ein Vielfaches davon. Der Polbogen eines jeden Pols ist so angeordnet, daß bei Drehung
des Rotors die Luftspaltreluktanz in bezug auf den: ganzen Pol im wesentlichen.
konstant bleibt, daß jedoch die Luftspaltreluktanz in bezug auf die beiden Polhälften
beiderseits der Wechselstromnut zyklisch schwankt, vorzugsweise in entgegengesetztem
Sinne.
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Da jeder Pol als separater Magnet angesehen: werden kann, in dessen
Nut die Wechselstromwicklung liegt, bleibt der gesamte Fluß dieses Pols mehr oder
weniger konstant, wogegen die Teilflüsse in den beiden Polhälften zyklisch von einer
Hälfte zur anderen schwingen, wenn sich der Rotor um eine halbe Rotornutteilung
dreht. Dieser schwingende Teilfluß induziert in der Wicklung in der mittleren Polnut
eine Wechsel-EMK, deren Phasenlage zu einem bestimmten. Zeitpunkt der relativen
Stellung zwischen, der Mitte der Polnut und einer Läufernut in, diesem Zeitpunkt
entspricht. Eine ähnliche Beziehung gilt für jeden anderen Pol, und da erfindungsgemäß
die Zahl der Läufernuten kein Vielfaches der Polpaarzahl ist, ist klar, daß eine
Phasenbeziehung zwischen den in den Wicklungen benachbarter Pole induzierten Spannungen
besteht, die sich von einem Pol zum anderen wiederholt. Man kann auch sagen, daß
die in den Wicklungen aller Pole induzierten Spannungen ein Mehrphasensystem bilden.
Ergänzend kann noch gesagt werden, daß zwischen den Spannungen, die in den Wicklungen
von Polen entgegengesetzter Polarität induziert werden, eine zusätzliche Phasendifferenz
von 180° el. besteht.
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Darin. liegt ein Unterschied gegenüber früheren Vorschlägen, bei welchen
die Zahl der Rotornuten ein Vielfaches der Polzahl ist, wobei keine Phasenverschiebung
zwischen benachbarten Polen. vorhanden ist; wenn bei einer solchen, Anordnung die
Erzeugung von Drehstrom verlangt wird, so war es notwendig, drei getrennte Stato-r-Rotor-Systeme
zu kombinieren, d. h., es mußten drei Rotoren auf einer Welle und drei Stato@ren
in einem gemeinsamen Gehäuse angebracht werden. Zwischen den, von solchen Systemen
erzeugten; Wechselspannungen herrschte dann die gewünschte Phasendifferenz.
Die
Tatsache, daß bei einer Maschine gemäß der Erfindung der Polbogen einer Rotornutteilung
oder einem Vielfachen davon entspricht, ermöglicht es, die Forderung, daß die totale
Luftspaltreluktanz jedes einzelnen Pols konstant bleibt, -zu erfüllen. Daher kann
auch das Auftreten von. Spannungen. in den Feldwicklungen, die auf die Flußschwankungen
in jedem einzelnen Pol zurückzuführen sind, verringert oder verhindert werden.
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Bei einer erfindungsgemäßen Bauform beträgt der Polbogen. (2;z + 1)
Rotornutteilungen, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als Null ist; dabei
ist (2n + 1) - kleiner als das Verhältnis der Zahl der Rotornuten zur Polzahl. Der
Abstand zwischen. aufeinanderfolgenden Polbögen soll zweckmäßig kleiner als die
Rotornutteilung sein.
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Der Polbogen kann aber in manchen Fällen auch gleich einer geraden
Zahl von Rotornuten sein; die Summe der Polbögen zweier Polhälften. beiderseits
der Polnut ist gleich einer ungeraden Zahl von Rotornuten, was in der Form verwirklicht
werden kann, daß die Polnut eine Öffnung zum Luftspalt erhält, die glich der Breite
einer Rotornut ist. Daher bleibt die gesamte Reluktanz im wesentlichen konstant,
während die beiden Polhälften in bezug auf den Rotor nicht in Phase sind; sie erzeugen
auf diese Weise die gewünschte zyklische Flußschwingung zwischen den beiden Polhälften.
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Wenn der Polbogen größer ist als eine Rotornutteilung, kann die Poloberfläche
mit einer Anzahl von offenen Nuten versehen werden, die symmetrisch: zu der mittleren
Nut angeordnet sind.. Solche Nuten haben zweckmäßig die gleiche oder ähnliche Breite
wie die Rotornuten, und sie sind so angeordnet, daß in aufeinanderfolgenden Rotorstellungen
jede der Statornuten auf einer Seite der mittleren Nut im wesentlichen, zwischen
zwei Rotornuten liegt, wogegen: die Statornuten auf der anderen Seite: der mittleren
Nut gleichzeitig jeweils einer Rotornut gegenüberstehen.
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Ein einfacher Weg, um die einzelnen Spulenseiten zu einer Wechselstromwicklung
zusammenzufassen, besteht darin, daß diejenigen Spulenseiten, in denen. Spannungen
von 180° Phasenverschiebung induziert werden, zu Spulen verbunden werden. Erforderlich
ist eine solche Schaltung jedoch nicht, und es kann vorteilhaft sein, solche Spulenseiten
miteinander zu verbinden, deren Abstand zwar ein Vielfaches der Polteilung ist,
jedoch geringer ist als 180° el., um dadurch die Spulenkopflängen zu verkürzen oder
um gewisse Oberwellen in der Spannungskurve herabzusetzen. Wenn z. B. Spulenseiten
im Abstand von 120° miteinander verbunden werden, so kann dadurch die dritte Oberwelle
vollständig unterdrückt werden. Besonders vorteilhaft wirkt sich dies bei Einphasenmaschinen
aus, und in Verbindung mit einer relativen Schrägung von Stator- und Rotornuten
ergibt sich eine bedeutende Verbesserung der Spannungskurve.
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Die Wechselstromspulen können entweder zu einer Einphasen- oder zu
einer Mehrphasenwicklung verbunden werden. In dem ersten Fall können Spulen, die
unter Polen entgegengesetzter Polarität liegen, aber gleichzeitig dieselbe relative
Lage zu den. Rotornuten haben, entgegengesetzt in Reihe geschaltet werden, um eine
Wicklungsphase zu bilden. Bei einer Einphasenwicklung ist es :vorteilhaft, alle
Spulen einwiederum mit gegensinnig in. Reihe gesch@lteten Spulenpaaren, entweder
in Form einer geschlossenen Wicklung mit zwei parallelen Kreisen oder in Form einer
offenen Wicklung, bei der alle Spulen in Reihe geschaltet sind. Durch diese Maßnahme
werden alle geradzahligen Oberwellen in der Spannungskurve aufgehoben, und auch
bei Belastung werden keine zusätzlichen ungeradzahligen Oberwellen. erzeugt.
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Zweckmäßig - wird eine Dämpferwicklung vorgesehen, um den gesamten
Fluß jedes Pols konstant zu halten, und diese kann aus Kurzschlußwindungen niedriger
Impedanz bestehen, die um jeden Pol oder zwischen zwei benachbarten Polen um das
Statorjoch gewickelt sind. Auch können Leiter niedriger Impedanz in den. Pollücken
parallel zur Rotorachse verlegt und auf beiden Maschinenseiten durch Kurzschlußringe
miteinander verbunden werden. Dies trägt dazu bei, die Induktion von Wechselspannungen
in den Feldwicklungen; zu vermeiden. oder zu verringern, die durch Flußschwankungen
in den einzelnen Polen hervorgerufen werden können. Sie erhöhen: also den Strom
in der Kurzschlußwicklung und erhöhen dadurch die Leistung der Maschine. Falls ein
massives Statorjoch benutzt wird, wie es bei großen Generatoren im allgemeinen vorteilhaft
ist, wird. eine wirksame Dämpfung schon durch die Wirbelströme im Joch hervorgerufen.
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An Stelle einer besonderen Dämpferwicklung kann der Fluß auch durch
Anordnung von Parallelstromkreisen in der Erregerwicklung konstant gehalten werden.
Zu diesem Zweck können alle Erregerspulen parallel geschaltet werden; auch können
die den Nord- bzw. Südpolen zugehörigen Gruppen von Erregerspulen je für sich parallel
und die beiden Gruppen untereinander in Reihe geschaltet werden. Ferner können die
Erregerspulen auf den Polen, die dieselbe relative Stellung zu den Rotornuten einnehmen,
untereinander in Reihe und die so, entstandenen Gruppen parallel geschaltet werden..
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Praktisch wird man die Zahl der parallelen Stromkreise auf zwei oder
drei begrenzen, was von der Phasenverschiebung zwischen benachbarten Polen: abhängt.
Die Dämpfung durch parallele Stromkreise in den Erregerwicklungen ist gerade bei
hohen Frequenzen sehr wirksam, zufolge des kleinen Drahtquerschnitts, der das Auftreten
von Wirbelströmen unterbindet.
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Die Erfindung kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden, jedoch
sollen einige Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert werden.
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Fig.1 zeigt eine schematische Darstellung eines sechspoligen Generators
mit zehn, offenen Rotornuten; Fig. 2 gibt ein Schema der Wicklungsverbindungen zur
Erzeugung von Drehstrom wieder; Fig. 3 ist ein Schema der Wicklungsverbindungen
zur Erzeugung von Einphasenstrom; Fig.4 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Generators
mit zweiunddreißig offenen Rotornuten, und in Verbindung damit ist in Fig. 5 die
Schaltungsweise der Feldwicklungen, die als Dämpferwicklungen wirken, gezeichnet;
Fig. 6 stellt ein Vektordiagramm der EMKe dar, die in den Feldspulen gemäß Fig.5
durch Flußänderung erzeugt werden; Fig. 7 und 8 schließlich zeigen weitere Schaltungsmöglichkeiten
der Feldspulen.
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Die Ausführungsbeispiele Fig. 1 bis 4 beziehen sich auf sechspolige
Maschinen, die wohl am häufigsten vorkommen; die Erfindung ist aber nicht auf Maschinen
solcher Polzahl beschränkt.
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Die in Fig. 1 im Querschnitt dargestellteReluktanzmaschine besitzt
zehn unbewickelte Läuferzähne im
gleichen Abstand voneinander, und
sie eignet sich für die Erzeugung von entweder Einphasen- oder Dreh-Strom mit einer
Frequenz von 500 Hz, wenn der Läufer mit einer Drehzahl von 3000 U/min umläuft.
Das Ständerblechpaket 11 ist mit sechs ausgeprägten Polen, 12 versehen, die 60°
voneinander entfernt sind, und in der Mitte eines jeden Pols ist eine halbgeschlossene
Nut 13 angeordnet, deren: enge Öffnung mit der Ständerbohrung in Verbindung steht.
Benachbarte Pole 12 besitzen gegensinnige Polarität und sind durch die gleichstromgespeisten
Feldspulen D 1, D 2, D 3, D 4, D 5 und D 6 erregt. (Der Übersicht halber sind nur
die beiden Spulen D 1 und D 2 in Fig. 1 dargestellt.) Jede der Feldspulen D 1 bis
D 6 umschließt einen Pol 12.
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Die in den Polen 12 vorgesehenen Nuten, 13 enthalten die sechs Wechselstromspulen
A 1, A2, A3, A 4, A 5 und A 6, von denen wiederum nur zwei, A 1 und A 2, in der
Fig. 1 veranschaulicht sind. Jede der Wechselstromspulen A 1 bis A 6 umspannt zwei
Polteilungen, so daß benachbarte Spulen sich gegenseitig um eine Polteilung überlappen.
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Das Läuferblechpaket 14 besitzt, wie oben erwähnt, zehn halbkreisförmige
offene Nuten 15 im gleichen Abstand voneinander. Der Polbogen jedes Ständerpols,
d. h. der gesamte dem Luftspalt gegenüberstehende Bogen vom Polrand zu Polrand,
ist nahezu gleich der Läufernutteilung, so daß die Luftspaltreluktanz und somit
der Magnetfluß in. bezug auf den ganzen Pol mit der Läuferdrehung praktisch unveränderlich
bleibt. Andererseits ändert sich die Reluktanz und der Magnetfluß in jeder Polhälfte
sehr stark, da: erst eine Läufernut und, dann ein Läuferzahn: der Reihe nach über
jede Polhälfte vorüberstreicht. Die größte Zusammenwirkung zwischen den. Läufernuten
und den Polhälften wird dann erzielt, wenn die Läufernuten, etwas weiter als die
halbe Läufernutteilung und der Luftspalt so klein wie möglich ist.
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Für Drehstrom werden die Ständerspulen innerhalb der Maschine verbunden,
wie es schematisch in, Fig. 2 dargestellt ist. Alle Feldspulen D 1 bis D 6 sind
in Reihe geschaltet, wobei benachbarte Spulen, z. B. D 1, D3, D 5 bzw. D2, D4, D6,
gegensinnig geschaltet sind, um gegensätzliche: Polarität in benachbarten Polen
zu erzeugen. Die Wechselstromspulen A 1 bis A6 sind paarweise in Stern geschaltet,
wobei jeweils zwei diametral, d. h. räumlich 180° gegenüberliegende Spulen, z. B.
A 1 und A 4, eine Wicklungsphase bilden. Wie durch die Pfeile angedeutet ist, sind.
in. beiden Wicklungen die ungeraden Spulen A 1,A3, A5 in einem Sinne geschaltet
und die geraden Spulen A 2, A4, A6 im entgegengesetzten. Sinne. Alle geraden Oberwellen
werden durch diese Anordnung vollständig in der Spannungskurve beseitigt, da die:
in den Einzelspulen jeder Phase induzierten Spannungen, für gerade Harmonische in
Gegenphase auftreten, während die Grundwelle und die übrigen ungeraden Harmonischen
in Phase sind und sich algebraisch addieren:. Die dritte Oberwelle und ihre: Vielfachen
sind ebenfalls schon in jeder Spule durch die Wahl der Spulenweite vollkommen. unterdrückt,
die auf die Grundwelle bezogen 120 elektrische Graden entspricht, jedoch 360 elektrische
Graden in, bezug auf die dritte Oberwelle. Die übrigbleibenden Oberwellen mit den
niedrigsten Ordnungszahlen, nämlich die fünfte und siebente, können durch Schrägung
um ein Sechstel der Läufernutteilung wirksam herabgesetzt werden.
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Die ausgeprägten. Pole 12 erhalten vorzugsweise eine: Dämpferwicklung,
um irgendwelche Flußänderungen durch Wechselströme in den Wicklungen. 13 in einem
Gesamtpol wirksam zu unterdrücken. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die
Dämpferwicklung durch eine Reihe von flachen Metallstreifen 16 in der Pollücke zwischen
benachbarten Polen. gebildet. Diese Metallstreifen 16 sind an beiden Enden der Maschine
durch Kurzschlußringe verbunden, die in der Abbildung nicht gezeigt sind.
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Falls die Maschine der Fig. 1 als Einphasengenerator verwendet worden
soll, wird mit Vorteil die in der Fig. 3 schematisch veranschaulichte Schaltung
benutzt. Die Feldspulen D 1 bis D 6 sind hier genau wie bisher in, Reihe geschaltet,
aber die Spulenpaare A 1 und A 4, A 2 und A 5, A 3 und A 6 sind: in, diesem Falle
alle in Reihe geschaltet, um eine möglichst hohe Spannung und eine gute Spannungskurve
bei jeder Belastung zu erzielen. Dabei sind die Spulen A 1, .-A2, A 3 in einem Sinne
und die Spulen A4, A5, A 6 im entgegengesetzten Sinne geschaltet.
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Die besondere Dämpferwicklung 16 bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen
für drei- und einphasigen Betrieb kann durch eine Anordnung von Parallelstromkreisen
in der Feldwicklung ersetzt werden. So z. B. können. alle Feldwicklungen D 1 bis
D 6 parallel geschaltet werden, wie die Fig. 5 zeigt. Aufein.anderfol:gende Spulen
sind dabei entgegengesetzt geschaltet, umPole von entgegengesetzter Polarität zu
erzeugen. Die Vektoren der in den Feldwicklungen D 1-D 2, D3-D4, D5-D6 durch kleine
Schwanlzungen der Luftspaltreluktanz unter jedem Pol oder durch Wechselstrom in
der Ankerwicklung erzeugten Wechselspannungen sind in Fig. 6 dargestellt; dabei
bezeichnet E 1 die Spannung in der Feldwicklung D 1, E2 die Spannung in der entgegengesetzt
geschalteten Feldwicklung -D2 usw.
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Es ist zu sehen, daß die Phasenbeziehung zwischen diesen Spannungsvektoren
der Phasenlage: der Rotornuten in bezug auf die Pole entspricht und daß die Spannungsvektoren
zweier diametral gelegener Feldwicklungen in Phase sind.
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Da die Spannungsvektoren der ungeradzahligen Feldwicklungen einerseits
und die der geradzahligen Feldwicklungen andererseits zwei Drehstromsysteme bilden,
wird dieselbe Dämpferwirkung auch mit einer Anordnung gemäß Fig. 7 erreicht. Dort
sind. die ungeradzahligen Feldwicklungen Dl, D3, D 5 untereinander parallel und
die geradzahligen Feldwicklungen -D2, -D4, -D6 ebenfalls untereinander
parallel geschaltet. Die beiden Wicklungsgruppen sind in Reihe geschaltet. Fig.8
zeigt eine: andere Ausführungsform, bei der jeweils zwei Spulen D1+ -D4, D 2-f-
-D 5 sowie D 3--I- -D 6 untereinander in Reihe und die drei
Wicklungsgruppen parallel geschaltet sind.
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In dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel sind sowohl der sechspolige Ständer
11 wie das Läuferblechpaket 14 im wesentlichen die gleichen wie in Fig. 1. Utn jedoch
eine viel höhere Frequenz zu erzeugen, ist hierbei eine viel größere Anzahl von
Läufernuten vorgesehen, und in den Polschuhen der ausgeprägten Ständerpo@le sind
ebenfalls mehrere offene Nuten a:ngeordnet. Die: Anzahl der halbkreisförmigen: offenen
Läufernuten 17 ist in diesem Falle 32, entsprechend einer Frequenz von 1600 Hz bei
einer Drehzahl von 3000 U/min. Da in dem vorliegenden Falle 32/6, d. h. etwas
mehr als fünf Läufernuten pro Pol vorhanden sind, empfiehlt es sich, entsprechende
offene Nuten 18 in beiden. Polhälften anzuordnen. Der größte. Polbogen, der einer
ungeraden: Anzahl von Läufernutteilungen entspricht, ergibt sich hier als fünf Läufernutteilungen,
so, daß vier offene Nuten 18 in, jedem
Polschuh vorhanden sind,
und zwar zwei in jeder Polhälfte in symmetrischer Anordnung in bezug auf die Wechselstromnut
13 in der Polmitte. Die Nuten 18 sind alle von ähnlicher Form und Größe wie die
Läufernuten 17. und ihre Teilung ist in jeder Polhälfte ebenfalls gleich der Läufernutteilung.
Die Entfernung zwischen den Mitten der beiden der Mittelnut 13 benachbarten Nuten
18 beträgt 11/2 Läufernutteilungen, so daß, wenn die Ständer- und Läufernuten 18
und 17 in der einen Polhälfte im Eingriff stehen, sie in der anderen Polhälfte gerade
außer Eingriff stehen. Dadurch wird ein. vergrößerter zyklischer Reluk@anz- und
Floßwechsel in beiden Polhälften, erzielt, während gleichzeitig die Luftspaltreluktanz
eines ganzen Pols im wesentlichen unveränderlich und verhältnismäßig niedrig bleibt.
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Die Anordnung der Erreger- und der Wechselstromwickiungen, die ebenso
wie die Dämgferwicklung zwecks größerer Klarheit in der Fig. 4 weggelassen sind.
kann genau wie hei dem früheren Beispiel (Fig. 1 bis 3, 5, 7, 8) vorgenommen werden,
ohne daß irgendwelche Abänderungen erforderlich sind. Demnach liegt der einzige
Unterschied zwischen den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 4 in der verschiedenen
Läufernutzahl und der verschiedenen Polschuhform, d. h. ausschließlich derjenigen
Teile im Ständer und Läufer, die unmittelbar mit dem Luftspalt in Berührung stehen.
Somit können für beide Maschinen die gleichen grundlegenden Blechschnitte im Ständer
und im Läufer verwendet werden. Dies trifft in der Tat für eine ganze Reihe von
verschiedenen Frequenzen zu, für die ähnliche Maschinen mit denselben Abmessungen
und derselben Polzahl gebaut werden können, wobei die in den Blechschnitten erforderliche
Anzahl der Läufernuten und die Polschuhform von Fall zu Fall durch die! gewünschte.
Frequenz vorgeschrieben wird.
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Bemerkenswert ist, daß im Gegensatz zu den bekannten Ausführungsformen
von Wechselpol-Reluktanzmaschinen die Läufernutzahl sehr geringen Einschränkungen
unterliegt. Nach der angegebenen Vorschrift soll die Läufernutzahl größer als die
doppelte Polzahl, jedoch kein ganzes Vielfaches der Polpaarzahl sein. Bei einer
sechspoligen Maschine kann sie daher die folgenden Werte annehmen: 13, 14, 16,
17. 19, 20, 22, 23, 25, 26, 28, 29, 31, 32 usw., wobei gerade Nutzahlen vorzuziehen
sind:, weil sich dabei eine Form der Spannungskurve ergibt und ein einseitiger magnetischer
Zug in der Maschine vermieden wird. Aus dem Vorstehenden geht klar hervor daß die
Maschine gemäß der Erfindung äußerst anpassungsfähig ist, während außerdem häufig
eine Leistungssteigerung durch die Konstruktion der ausgeprägten Pole und der verwendeten
Dämpferwicklung erzielt wird.
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Diese Maschine läßt sich ebenfalls als ein Synchronmotor für niedrige
Drehzahlen verwenden, wenn die Wechselstrom- und die Erregerwicklung gleichzeitig
mit einem Wechselstrom und einem Gleichstrom gespeist werden.