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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit ebenem Luftspalt
und einer Wicklung aus lamellenförmigen, auf beide Seiten einer isolierenden Tragscheibe
verteilten und im wesentlichen radial verlaufenden Leitern. Solche Maschinen sind
bekannt.
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Bei der beispielsweise aus Fig. 7 der französischen Patentschrift
1249849 bekannten elektrischen Maschine und anderen elektrischen Maschinen mit ebenem
Luftspalt, welche Flachspulen aus blanken lamellenförmigen Leitern auf beiden Seiten
einer isolierenden Tragscheibe besitzen, ist folgendes zu beachten. Die Leiter verlaufen
im wesentlichen radial zur Tragscheibe, und ihre Breite wächst von der Mitte der
Tragscheibe aus gerechnet in der Richtung des Radius an, da die isolierenden Zwischenräume
zwischen den Leitern überall etwa die gleiche Breite haben werden. Unter diesen
Umständen wird die Oberfläche der Tragscheibe in den radial gesehen äußeren Bereichen
schlecht ausgenutzt.
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Dies gilt sowohl bei Ständer- als auch bei Läuferwicklungen, und zwar
bei allen Arten von Maschinen, nämlich beispielsweise Motoren oder Generatoren,
Gleichstrommaschinen oder Wechselstrommaschinen, einphasigen oder mehrphasigen Maschinen,
Maschinen mit oder ohne Kollektor, Gleichstrom-Wechselstrom-Umformern, Phasenschiebern
usw. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einer einzigen Tragscheibe eine
einzige Wicklung derart anzuordnen, daß die Tragscheibenoberfläche wicklungstechnisch
möglichst gut ausgenutzt wird, um mit kleinen Maschinenabmessungen auszukommen.
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Diese Aufgabe wird bei einer Maschine der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, a) daß die Leiter auf jeder Seite der Tragscheibe in zwei bzw. drei konzentrischen
Zonen (A, B
bzw. A, B, C) liegen, die ihrerseits jeweils auf beiden
einander gegenüberliegenden Scheibenseiten gleich groß sind, b) daß - in Richtung
von der innersten Zone nach außen gesehen - in den anschließenden Zonen eine jeweils
größere Zahl von Leitern vorhanden ist und daß diese Leiter in Reihenschaltung eine
einzige Wicklung bilden, c) daß zwischen zueinander gehörigen Leitern der jeweils
inneren Zone in größerer Anzahl Leiter der nächstäußeren Zone eingeschaltet sind,
die nur äußere Zonen umfassende Windungen bilden, d) daß diese Leiter in den verschiedenen
Zonen wenigstens annähernd die gleiche mittlere Breite haben e) und daß beiden Zonen
bzw. allen drei Zonen die gleiche Zahl von Polen zugeordnet ist.
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Es ist zwar bekannt, eine isolierende Tragscheibe einer elektrischen
Maschine mit ebenem Luftspalt auf jeder Scheibenseite in zwei konzentrische Zonen
zu unterteilen und in jeder Zone eine wicklungsmäßig getrennte Spule anzuordnen
(französische Patentschrift 1249 849, Fig. 19), wobei in der Wicklung der äußeren
Zone die Leiterzahl größer ist als in der Wicklung der inneren Zone und die beiden
Wicklungen die gleiche Polzahl aufweisen. Diese beiden Wicklungen können über Bürsten
miteinander in Reihe geschaltet werden, jedoch je in ihrer Gesamtheit (französische
Patentschrift 1249 849, F i g. 13).
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Es ist zwar auch schon bekannt, bei einer solchen Maschine die äußere
und die innere Wicklung durch Reihenschaltung von Wicklungsanfang und Wicklungsende
miteinander zu verbinden (französische Zusatzpatentschrift 76 604/1249 849, Fig.
2 und 3), doch dienen in diesem Fall die beiden Wicklungen unterschiedlichen Funktionen
in der Maschine.
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Das Problem, eine Einzelwicklung zweckmäßiger anzuordnen, blieb also
ungelöst.
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Der Fortschritt der durch die Erfindung geschaffenen elektrischen
Maschine besteht darin, daß im Vergleich zu einer Wicklung nach beispielsweise Fig.
7 der obengenannten französischen Patentschrift 1249 849 auf einer einzigen
Tragscheibe eine Wicklung mit größerer Leiterzahl angebracht werden kann und daß
dabei eine praktisch gleiche Stromdichte in allen Zonen erreicht wird, d. h., daß
man in dieser Weise Wicklungen für größere Spannungen bauen kann oder bei vorgegebener
Spannung Maschinen mit kleineren Abmessungen.
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Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele beschrieben, in welchen
die Zahl der die Tragscheibe durchsetzenden Verbindungsbolzen in der Grenzlinie
zwischen den Zonen ein Minimum ist.
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Wie die Ausführungsbeispiele zeigen, ist diese Minimalzahl gleich
der Differenz zwischen der Zahl der Leiter in den beiden betrachteten Zonen. Wenn
man nämlich n; Leiter in der einen Zone und n(;") Leiter in der anderen Zone hat,
so kann man auf einer Seite der Tragscheibe n; Leiter jeder Zone miteinander verbinden.
In der Zone (j + 1) bleiben daher noch Leiter auf jeder Seite der Tragscheibe übrig,
weiche noch mittels die Tragscheibe durchsetzender Verbindungsbolzen angeschlossen
werden müssen.
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F i g. 1 bis 14 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen;
F i g. 15 enthält eine genauere Darstellung einer Konstruktion entsprechend der
schematischen F i g. 9. In allen Figuren ist mit 1 eine isolierende Tragscheibe
bezeichnet, welche eine Mittelöffnung für die Welle der Maschine besitzt. Der innere
und der äußere Rand dieser Tragscheibe sind in allen Figuren mit ausgezogenen Linien,
und zwar in F i g. 1 bis 12 und 15 als Kreisbögen und in F i g. 13 und 14 als Vollkreise
dargestellt.
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Die Leiter auf der Vorderseite der Tragscheibe, die im folgenden als
»hinlaufende« Leiter bezeichnet werden, sind mit ausgezogenen Linien veranschaulicht
und die Leiter auf der Rückseite der Tragscheibe, die im folgenden als »rücklaufende«
Leiter bezeichnet werden, sind durch gestrichelte Linien veranschaulicht. Die Verbindungsbolzen,
welche die Tragscheibe durchsetzen, sind durch stark gezeichnete Punkte veranschaulicht
und die Grenzen, in denen zwei Zonen zusammenstoßen, in allen Figuren durch strichpunktierte
Linien.
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Die F i g. 1 zeigt eine schleifenförmige Wicklung, die in zwei Zonen
A und B untergebracht ist, von denen die zweite Zone doppelt so viele
Leiter enthält wie die erste.
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Die Wicklung gemäß F i g. 1 wird auf folgende Weise hergestellt: Der
hinlaufende Leiter 2 in der Zone A ist über eine die Tragscheibe nicht durchsetzende
Verbindung an den hinlaufenden Leiter 3 der Zone B angeschlossen. Dieser letztere
Leiter ist
über einen die Tragscheibe durchdringenden Verbindungsbolzen
4 mit einem rücklaufenden Leiter 5 verbunden, der in der Umfangsrichtung sich vom
Leiter 3 etwa im Abstand eines Polschritts befindet. Über einen Verbindungsbolzen
6 ist der Leiter 5 mit einem hinlaufenden Leiter 7 verbunden, der seinerseits wieder
über den Verbindungsbolzen 8 an einen rücklaufenden Leiter 9 angeschlossen ist.
Dieser Leiter 9 ist ohne Durchdringung der Scheibe mit einem rücklaufenden Leiter
10 verbunden, welcher seinerseits über einen Verbindungsbolzen 11 mit einem
neuen hinlaufenden Leiter der Zone A verbunden ist usw. In F i g. 1 ist vorausgesetzt,
daß ein Kollektor vorhanden ist, der für jeweils zwei Windungen in der Zone A ein
Segment 12 aufweist.
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Die F i g. 1 zeigt also, daß man kreuzungsfrei einen Leiter der Zone
A mit zwei Leitern der Zone B
auf jeder Seite der Tragscheibe mittels
eines einzigen, die Scheibe durchsetzenden Verbindungsbolzens 6 an der Grenzlinie
der beiden Zonen verbinden kann. Es ist also eine sich über beide Zonen
A, B erstreckende Reihenschaltung von Leitern und eine sich lediglich über
die Zone B erstreckende Windung vorhanden, und diese Reihenschaltung und diese Windung
sind in Serie geschaltet.
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Die F i g. 2 zeigt eine einer Polteilung zugeordnete schleifenförmige
Wicklung, in welcher die Zone B die dreifache Zahl von Leitern enthält als die Zone
A. In die Reihenschaltung von Leitern, welche beide Zonen umfaßt, sind zwei Windungen
eingeschaltet, welche nur die Zone B umfassen, und diese Reihenschaltung und diese
Windungen sind ihrerseits wieder in Serie geschaltet und stellen eine wiederholt
auftretende Leiterfolge dar. Die Zahl der die Tragscheibe durchsetzenden Verbindungsbolzen
an der Grenzlinie der beiden Zonen beträgt für jede derartige Leiterfolge zwei.
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Die F ig. 3 zeigt eine schleifenförmige Wicklung, in welcher die Zahlen
der hinlaufenden Leiter und auch der zurücklaufenden Leiter in der Zone B drei und
in der Zone A zwei betragen. Für zwei die beiden Zonen umfassende Reihenschaltungen
von Leitern ist eine einzige lediglich die Zone B umfassende Windung vorhanden und
an der Grenze zwischen den Zonen A und B nur ein einziger die Tragscheibe
durchsetzender Verbindungsbolzen.
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Man sieht also, daß bei dem Schema nach F i g. 1 das Verhältnis der
Leiter in den beiden Zonen 2: 1 beträgt und daß bei Anordnungen entsprechend F i
g. 2 auch noch größere ganzzahlige Verhältnisse möglich sind. Es genügt nämlich,
in der äußeren Zone eine gewünschte Zahl von Windungen in Serie zu schalten, nämlich
entweder zwei Windungen, wie in F i g. 2, so daß man eine Verhältniszahl von 3 :
1 erhält, oder 3, 4 ... n Windungen, wobei man dann eine entsprechend größere
ganzzahlige Verhältniszahl erreichen kann. Die Zahl der Leiter in B muß dabei natürlich
durch die Zahl der Leiter in A ohne Rest teilbar sein.
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Anordnungen entsprechend F ig. 3 erlauben aber auch Verhältniszahlen
unterhalb von 2, also Verhältniszahlen von der Form
wobei k eine ganze Zahl ist. Die Erreichung von Verhältniszahlen unterhalb von 2
ist also dadurch möglich, daß man eine einzige zusätzliche Windung in der äußeren
Zone anbringt und alle k Windungen beiden Zonen zuordnet.
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Die F i g. 4 zeigt eine schleifenförmige Wicklung mit drei Zonen
A, B und C, in denen jeweils vier bzw. sechs bzw. neun hinlaufende und ebenso
viele zurücklaufende Leiter angeordnet sind. Die dargestellte Wicklung wird dadurch
gebildet, daß man zunächst je eine halbe Windung innerhalb der Zonen A, B
und C durchläuft, sodann je eine halbe Windung der Zonen C und B und die jeweils
zugehörige zweite Windungshälfte in den Zonen B und C, sodann eine volle Windung
der Zone C, sodann eine volle Windung, die sich über die Zonen C, B und A erstreckt,
sodann nochmals eine volle Windung durchläuft, die sich ebenfalls über die Zonen
C, B
und A erstreckt, weiterhin eine volle Windung innerhalb der Zone C durchläuft,
anschließend je eine Windung innerhalb der Zonen C und B durchläuft, anschließend
eine Windung durchläuft, die sich über alle Zonen C, B und A erstreckt,
darauf eine Windung durchläuft, die sich lediglich über die Zone C erstreckt, und
schließlich die zweiten Hälften der ersten drei aller Windungen durchläuft, d. h.
über die Zonen C, B und A zum Ausgangsradius zurückkehrt. Sodann wiederholen sich
alle genannten Wicklungsschritte in derselben Reihenfolge. Die Zahl der die Tragscheibe
durchsetzenden Verbindungsbolzen beträgt zwei an der Grenze zwischen den Zonen A
und B und beträgt drei an der Grenze zwischen den Zonen B und C, und zwar für jede
Wiederholungsperiode der Wicklungsschritte.
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Die beschriebene, sich über drei Zonen erstrekkende Wicklung kann
noch in verschiedener Weise entsprechend den oben für zwei Zonen mitgeteilten Wicklungsregeln
abgeändert werden, so daß man also innerhalb weiter Grenzen die Zahl der Leiter
je Zone ändern kann.
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Ferner ist die Erfindung auch auf mehr als drei Zonen anwendbar.
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In den verschiedenen bisher besprochenen Beispielen haben die Pole
der verschiedenen Zonen innerhalb eines Zonensektors die gleiche Polarität. Wenn
jedoch mehr als zwei Pole vorhanden sind, also mehr als ein Polpaar je Zone vorhanden
sind, können die verschiedenen Polschritten entsprechenden Leiter spannungsmäßig
nicht in Serie geschaltet werden, sondern müssen mittels eines Kollektors parallel
geschaltet werden.
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Man kann ferner auch wellenförmige Wicklungen benutzen, um sich von
dem Zwang frei zu machen, Pole gleicher Polarität innerhalb desselben Sektors in
den verschiedenen Zonen anordnen zu müssen. Dadurch wird es möglich, Wicklungen
zu bilden, in welchen alle Leiter aller Polpaare spannungsmäßig in Serie liegen.
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In den F i g. 5 bis 12 sind weitere Beispiele für den Fall angegeben,
daß in den Zonen A und B die Zahl der Leiter im Verhältnis 1 : 2 steht.
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In F i g. 5, 7, 9 und 11, in denen die Pole in jeder Zone die gleiche
Polarität haben, sind die Wicklungen schleifenförmig-schleifenförmig (F i g. 5),
wellenförmig-schleifenförn-iig (F i g. 7), schleifenförmig-wellenförmig (F i g.
9) bzw. wellenförmig-wellenförmig (F i g. 11) angeordnet.
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In den F i g. 6, 8, 10 und 12 haben die innerhalb des gleichen Radius
in den verschiedenen Zonen liegenden Pole verschiedene Polarität und die Wicklungen
sind schleifenförmig-schleifenförmig (F i g. 6), wellenförmig-schleifenförmig (F
ig. 8), schleifenförmig-wellenförmig (F i g. 10) bzw. wellenförmigwellenförmig (F
i g. 12).
Die verschiedenen in den beiden zuletzt genannten Figurengruppen
veranschaulichten Schemata lassen sich auch auf andere Verhältnisse von Leiterzahlen
übertragen, indem man in ähnlicher Weise vorgeht wie beim Übergang von F i g. 1
auf F i g. 2 und 3. Es genügt, die Zahl der die Tragscheibe durchsetzenden Verbindungsbolzen
zu ändern, so daß man entweder länger innerhalb derselben Zone verbleiben kann oder
im Gegenteil eher in die benachbarte Zone übergehen kann.
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Die F i g. 13 stellt ein Beispiel für einen derartigen Übergang dar,
nämlich ein Beispiel für den Übergang von Fig. 8 auf eine Maschine mit zehn Polen
in zwei Zonen A und B, welche 51 bzw. 85 Leiter enthalten. Diese Zahlen
stehen im Verhältnis 3 : 5, was bedeutet, daß drei Leiter der Zone A mit fünf Leitern
in der Zone B verbunden werden müssen. Die Wicklung in der Zone A ist eine Wellenwicklung
und enthält einen Leiter auf der Vorderseite in jedem Polsektor, derart, daß, nachdem
man drei dieser Sektoren durchlaufen hat, man drei Leiter in der Zone A verbraucht
hat und man nun fünf Leiter in der Zone B verbrauchen muß. Es sind also die Leiter
13,14 und 15 in der Zone A und die Leiter 16,17,18,19 und 20 in der Zone B zu verbrauchen.
Es genügt, entsprechend fortzufahren, um alle Leiter in beiden Zonen anzuschließen.
Die Gesamtheit der erwähnten Leiter 13 bis 20 bildet eine Leiterfolge, wie man sie
wiederholt durchlaufen muß, um alle Leiter der beiden Zonen miteinander in Serie
zu schalten. Die Zahl dieser Leiterfolgen ist natürlich der größte gemeinsame Teiler
der Leiterzahlen, d. h. beträgt im vorliegenden Fall 17.
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In F i g. 13 ist die dargestellte Wicklung nach einem Umlauf unterbrochen;
die zweite Leiterfolge ist also nicht mit dargestellt.
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Die F i g. 14 zeigt eine Abänderung der Wicklung für eine Maschine
mit zehn Polen innerhalb von drei Zonen A, B und C, in welchen die Pole innerhalb
eines Sektors alle gleiche Polarität haben und die Wicklungen wellenförmig-schleifenförmig-schleifenförmig
sind.
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Die Anzahl der Leiter beträgt 44, 66, 99, d. h., daß sich die Leiterzahlen
wie 4 : 6 : 9 verhalten. Die Wiederholungsperiode der Wicklung ist durchlaufen,
d. h., eine Wicklungseinheit ist erreicht, wenn man vier Leiter der Zone
A mit sechs Leitern der Zone B
und neun Leitern der Zone C in Serie
geschaltet hat. Die vollständige Wicklung ist fertiggestellt, wenn man diese Wicklungseinheit
oder Wiederholungsperiode 11mal durchlaufen hat, da 11 der größte gemeinsame Teiler
der Zahlen der Leiter in den drei Zonen ist. In der F i g. 14 ist die Wicklung nur
teilweise dargestellt, d. h. es ist nur eine Leiterfolge veranschaulicht, die sich
über vier Sektoren erstreckt.
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Allgemein läßt sich sagen, daß, wenn Ni, N2, N3 usw. die gesamte Zahl
der Leiter in jeder Zone A, B, C usw. bedeuten, man diese Zahlen so wählen muß,
daß sie den größten möglichen gemeinsamen Teiler besitzen. Der Quotient von NI,
N2, N3 usw. durch diesen Teiler gibt die Minimalzahl der Leiter in jeder Zone an,
die in Serie geschaltet werden müssen, um eine Wicklungseinheit zu bilden, d. h.
eine Wiederholungsperiode zu bilden, die man so oft durchlaufen muß, als der Teiler
angibt, um alle Leiter in allen Zonen aufzubrauchen.
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Wenn im übrigen eine Wicklung schleifenförmige Schritte enthält, damit
die Spule sich innerhalb dieser Zone richtig schließt, muß man die Beziehung
N = kp ± 1 erfüllen, in welcher p die Zahl der Polpaare ist, k eine
ganze Zahl bedeutet und N die Zahl der Leiter in der betreffenden Zone bedeutet.
Diese Beziehung ist in den Fällen der F i g. 14 und 15 erfüllt.
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In diesen beiden letzteren Fällen ist lediglich die Wicklung in der
inneren Zone A wellenförmig, man sieht jedoch, daß diese Wicklungsart auch auf die
anderen Zonen anwendbar ist. Ebenso können die Schemata der F i g. 5 bis 12 auf
Fälle mit mehr als zwei Zonen angewendet werden.
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Die verschiedenen Beispiele zeigen, daß es stets möglich ist, für
jede Polarität diejenige Zahl der Leiter zu wählen, bei denen sich die Wicklung
schließt. Ebenso ist es stets möglich, die Reihenfolge der Zuordnung der Leiter
und die Verbindung der Leiter untereinander derart zu wählen, daß keine Leiterkreuzungen
auf derselben Seite der Tragscheibe auftreten und daß man die Verbindungsbolzen
in geeigneter Weise auf die Grenzlinien zwischen den Zonen verteilen kann.
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Die F i g. 15 veranschaulicht die Ausführung einer Wicklung entsprechend
dem Schema in F i g. 9. Sie zeigt, daß jedem radial verlaufenden Leiter in der Zone
A zwei radial verlaufende Leiter in der Zone B entsprechen, von denen jeder etwa
die gleiche Breite hat wie der einzige Leiter in der Zone A.