-
Polumschaltbare Dreiphasen-Wechselstrommaschine Die Erfindung betrifft
umlaufende elektrische Maschinen, insbesondere polumschaltbare Dreiphasen-Wechselstrommotoren
und -generatoren, bei denen ein Polwechsel mit Hilfe der Methode der Polamplituden-Modulation
erzielt wird.
-
Eine Polzahländerung der Drehstrommaschinen mit Hilfe der Methode
der Polamplituden-Modulation wurde zum ersten Mal in der Zeitschrift "Proceedings
of the Institution of Electrical Engineers", Band 105, Teil A, Nr. 22, August 1958,
in einem Artikel "Geschwindigkeitsänderung von Induktionsmotoren durch Polamplituden-Modulation"
von Professor von Professor G. H. Rawcliffe und anderen beschrieben. Wie aus diesem
und späteren
Artikeln hervorgeht, haben diese Maschinen eine Dreiphasenwicklung
für eine erste Polzahl von P Polpaaren und können wahlweise auf eine Polzahl von
entweder (P+ M) oder (P-M) Polpaare umgeschaltet werden. Die Maschinen haben Dreiphasenwicklungen,
die nacheinander rund um eine Achse angeordnet sind und deren elektrische Phasenfolge
A, B, C und Phasenbandfolge+A-C+B-A +C-B eine Bezugsrotationsrichtung rund um die
Achse bestlmmen. Die Phasenbänder bestehen aus einzelnen Spulen, die in jeder Phasenwicklung
so miteinander verbunden sind, daß sie 2P Pole bilden. Außerdem sind Schaltorgane
vorgesehen, um bestimmte Spulen miteinander in umgekehrter Richtung zu verbinden
und dadurch die relative Amplitude dieser 2P Pole entsprechend drei Polamplituden-Modulationswellen
zu modulieren, von denen jeder Phasenwicklung eine in einer bestimmten räumlichen
Beziehung zugeführt wird, wobei jede Polamplituden-Modulationswelle M Perioden von
abwechselnd positiven und negativen von einem Bezugspunkt aus aufeinanderfolgenden
Teilen aufweist. Die positiven und negativen Teile sind durch eine Umkehr der Polarität
der Pole des negativen Teiles gegenüber den Polen des positiven Teiles definiert
und die räumliche Beziehung der Polamplituden-Modulationswellen zueinander ist so
gewählt, daß ihre Ursprünge an drei Punkten liegen, die im wesentlichen um ein Drittel
einer Umdrehung um die Drehachse voneinander entfernt sind, Die Polamplituden-Modulationswellen
erscheinen an den drei räumlich voneinander entfernten Punkten in der Phasenfolge
A, B, C oder in der Phasenfolge A, C, B im Bezugsrotationssinn, je nachdem, ob die
zweite Polzahl (P+ M) Polpaare oder (P-M) Polpaare beträgt.
-
Die in diesen Veröffentlichungen offenbarte Methode des Polwechselns
besteht darin, daß eine gleiche Polamplituden-Modulationswelle gesondert auf jede
der Phasenwicklungen gegeben wird. Von den beiden gleichzeitig in jeder Phasenwicklung
mit Hilfe dieser Methode erzeugten modulierten Polzahlen wird die gewünschte zweite
Polzahl durch die relative Folge der drei Modulationswellen bestimmt.
-
Es wurde nun herausgefunden, daß ein Polwechsel mit Hilfe der Methode
| der Polamplituden-Modulation auch mit einer einzigen Polamplituden- |
| Modulationswelle erzielt werden kann, die den drei Phasenwicklungen |
| als Ganzes rund um den Wicklungsumfang zugeführt wird, anstatt
den |
| drei Phasenwicklungen einzeln. Die Gesamtmodulationswelle ist
eben» |
| falls durch aufeinanderfolgende positive und negative Halbperioden
ge- |
| kennzeichnet, bei der die negative Halbperiode durch eine StromfluB- |
| umkehrung der betreffenden Spulen gekennzeichnet ist. Aufeinander.. |
| folgende Halbperioden brauchen sich jedoch nicht notwendigerweise
auf |
| die gleiche Zahl von Spulen der Dreiphasenwicklung erstrecken,
" und |
| einzelne Teilperioden können sich über Spulen von aübinanderfolgenden |
| Phasenbändern erstrecken, d. h. also über Spulen verschiedener
Phasen» |
| wicklungen. |
| Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, diese Methode
einer |
| Gesamtpolamplituden-Modulation auf eine umlaufende elektrische.
Ma- |
| schine anzuwenden; die auf irgendeine von drei Polzahlen umschaltbar |
| ist. |
| Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung eine
umlaufende |
| polumschaltbare Dreibhasenwechselstrommascbine zur wahlweisen
Er» |
| zeugung dreier Polzahlen mit einer Dreiphasenwicklung, die
zur Er» |
| zielung einer ersten Polzahl gewickelt ist, wobei die Spulen
der Drei.. |
| phasenwicklung in einer ersten Art zur Erzeugung dieser ersten
Polzahl |
| miteinander verbunden sind, und daß die Spulen wahlweise
in einer |
| zweiten Art miteinander verbunden sind, entsprechend einer
Gesamt» |
| polamplituden-Modulationswelle mit einer ungeradzahligen Anzahl
von |
| Perioden zum Erzeugen einer zweiten Polzahl, und daß sieIbenfalls |
| wahlweise in einer dritten Art miteinander verbunden sind entsprechend |
| einer Gesamtpolamplituden»Modulatianawelle mit einer geraden
Anzahl |
| von Perioden zur Erzeugung einer dritten Polzahl. |
| Es ist wichtig zu bemerken, daß die dritte Polzahl,
die durch eine |
| Modulationawelle mit einer geraden Periodenzahl erzeugt
wird, größer |
oder kleiner sein kann als die zweite Polzahl,die mit einer Modulationswelle
mit einer ungeraden Periodenzahl erzeugt wird.
-
Jede Phasenwicklung der Dreiphasenwicklung kann als aus einzelnen
Spulen bestehend betrachtet werden, die hintereinander in vier gleichen Abschnitten
gruppiert sind. Die kleinste der drei wahlweisen Polzahlen wird vorzugsweise durch
eine vierfache Parallelverbindung der vier Abschnitte einer jeden Phasenwicklung
erzeugt; die mittlere Polzahl durch eine zweifache Parallelverbindung von jeweils
zwei Abschnitten und die größte Polzahl durch eine Reihenverbindung der vier Abschnitte.
-
Dementsprechend sieht die Schaltanordnung für die kleinste, mittlere
und größte Polzahl eine Vier-parallel-Sternschaltung bzw. eine Zwei-Parallel-Sternschaltung
bzw. eine Reihenschaltung - Reihen-Dreiecks-oder Reihen-Sternverbindung - der drei
Phasenwicklungen vor.
-
Zum besseren Verständnis der praktischen Wirkungsweise eines Gegenstandes
gemäß der Erfindung wird die zugrundeliegende Theorie der Abbildung anhand von drei
praktischen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.
Im einzelnen zeigen: Fig. 1 das Schaltdiagramm einer Dreiphasenwicklung in Vier-Parallel-Sternschaltung
zur Erzeugung einer dreiphasigen wellenförmigen magnetomotorischen Kraft entsprechend
X-Polen; Fig. 2 das Schaltdiagramm einer Dreiphasenwicklung nach Fig. 1, die in
Zwei-Parallel-Sternschaltung zur Erzeugung von Y-Polen geschaltet ist; Fig. 3 die
gleiche Dreiphasenwicklung in Reihen-Dreieck-Schaltung zur Erzeugung von Z-Polen;
Fig.
4 eine andere Anordnung der gleichen Dreiphasenwicklung für eine Reihen-Stern-Schaltung
zur Erzeugung von Z-Polen; Fig. 5a das Diagramm einer einzelnen Phasenwicklung der
Dreiphasenwicklung der Fig. 1 bis 4 mit den Stromeingangsstellen zur Erzeugung der
drei Polzahlen X, Y und Z; Fig. 5b eine Tabelle, in der die relative Flußrichtung
des Stromes in den vier Abschnitten der Phasenwicklung nach Fig. 5a für die drei
verschiedenen Polzahlen X, Y und Z dargestellt ist; Fig. 6a zwei Polamplitudenmodulationsdiagramme,
aus denen die und 6b gegenseitige Lage von vier wahlweisen Polzahlen und der diesbezüglichen
Polamplituden-Modulationswellenform für zwei allgemeine Klassen von Maschinen hervorgeht,
wobei in beiden Klassen drei wahlweise Betriebspolzahlen aus den vier möglichen
ausgewählt sind; Fig. 7a Diagramme, die die verschiedenen Formen der Polamplitudenbis
7f Modulation für eine Dreiphasenwicklung darstellen, die der in Fig. 6a gezeigten
Schaltung entspricht, wobei die möglichen wahlweisen Polzahlen 4, 6, 8 und 10 Pole
sind und die Dreiphasen-Basiswicklung auf einem Ständer mit 18 Nuten gewick@t ist;
Fig. 8 eine dreiteilige Tabelle, in deren erstem Teil (a) die Verbindungen aller
Spulen der Dreiphasen-Basiswicklung nach Fig. 7a bis 7f für die vier möglichen wahlweisen
Polzahlen, in deren zweiten Teil. (b) die Kombination derselben Dreiphasen-Baiiswicklung
mit einer zweiten Dreiphasenwicklung zur Erzeugung einer praktischen umschaltbaren
Dreiphasenwicklung für 36 Nuten, und in deren drittem Teil (c) das entsprechende
Arrangement für eine Verbindung zur Erzeugung von l Ö Polen angegeben sind bzw.
ist;
Fig. 9 eine vereinfachte Form eines Nutenwicklungsdiagrammes
für die abgeleitete sechspolige, achtpolige und zehnpolige Wicklung nach Fig. 8c;
Fig. 10 ein übliches Wicklungsdiagramm der Wicklung nach Fig. 9; Fig. lla Diagramme
zum Darstellen der verschiedenen Formen der bis 11d Polamplituden-Modulation für
eine Dreiphasenwicklung entsprechend den Anordnungen nach Fig. 6b, wobei die gewählten
wahlweisen Polzahlen 4, 6 und 16 Pole sind und die Wicklung in einem Ständer mit
36 Nuten angeordnet ist; Fig. 12 die vereinfachte Form eines Wicklungsdiagrammes
für die vierpolige, sechspolige und sechzehnpolige Wicklung nach Fig. 11a bis 11d;
Fig. 13 ein Wicklungsdiagramm üblicher Darstellung von einer Wicklung nach Fig.
12; Fig. 14 eine vereinfachte Form eines Wicklungsdiagrammes für eine in 36 Nuten
gewickelte Dreiphasenwicklung für wahlweise Polzahlen von 4, 6 und 8 Polen als weiteres
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Die Fig. 1 bis 4 zeigen eine Dreiphasenwicklung mit den drei Phasenwicklungen
A, B und C. Die Phasenwicklung A besteht aus vier Abschnitten, die über die Klemmen
a1, a2, a3, a4 und a5 in Reihe miteinander verbunden sind. Die Phasenwicklung B
besteht in gleicher Weise aus vier Abschnitten, die über die Klemmen b1, b2, b3,
b4 und b5 miteinander verbunden sind; ebenso die Phasenwicklung C über die Klemmen
ei.. c2, c3, c4 und c 5.
-
In den Fig. 1, 2 und 3 sind die Phasenwicklungen A, B und C an beiden
Enden
miteinander verbunden, so daß die Klemmenpaare a5, b l; b5, cl und c5, al gemeinsame
Klemmen sind. Die Fig. 3 zeigt eine Reihen-Dreiecks-Anordnung der Wicklungen.
-
In Fig. 1 ist eine Vier-Parallel-Stern-Verbindung durch ein zusätzliches
wahlweises Verbinden der Klemmen a2, a4; b2, b4 und der Klemmen c2, c4 der drei
Phasenwicklungen und durch ein Zusammen» schalten der Klemmen a3, b3 und c3 und
der Klemmen a1, b1 und e1 der drei Phasenwicklungen gebildet.
-
In Fig. 2 ist eine Zwei-Parallel-Stern-Verbindung vorgesehen, indem
nur die Klemmen a1, b1 und cl der drei Phasenwicklungen zusammengeschaltet sind.
-
In Fig. 3 ist eine Reihen-Dreieck-Verbindung mit den gemeinsamen Endklemmen
der drei Phasenwicklungen gebildet.
-
In Fig. 4 ist eine wahlweise Reihen-Stern-Verbindung durch ein Trennen
der gemeinsamen Endklemmen nach Fig. 3 und ein Zusammenschalten der Klemmen a5,
b5 und e5 der drei Phasenwicklungen geschaffen.
-
In den Fig. 1, 2 und 4 werden die Phasenwicklungen A, B und C jeweils
über Zuleitungen 10, 20 und 30 an die Netzleiter L1, L2 und L3 gelegt.
-
In der Reihen-Dreieck-Schaltung nach Fig. 3 werden die drei Phasen»
wicklungen über die Leitungen 10, 20 und 30 zu den gemeinsamen Endklemmenpaaren
a1, c5; bi, a5 und ei, b5 versorgt.
-
In der nachfolgenden allgemeinen Betrachtung von Maschinen gemäß der
Erfindung mit drei wahlweisen Polzahlen werden die drei Polzahlen mit X, Y und Z
bezeichnet, wobei diese Polzahlen natürlich immer
gerade Zahlen sind und wobei
gewöhnlich X kleiner ist als Y und 2 größer ist als Y. Die drei Polzahlen werden
immer durch die gleichen Verbin»
dungen der Phasenwicklungen erzielt:
X-Pole 4-Parallel-Sternschaltung Fig. 1 Y-Pole 2-Parallel-Sternschaltung Fig. 2
Z-Pole Reihen-Dreiecks-Schaltung Fig. 3 oder Z-Pole Reihen-Sternschaltung Fig. 4.
-
Fig. 5a zeigt die Phasenwicklung A, deren vier Abschnitte hintereinander
über die Klemmen a1, a2, a3, a4 und a5 in Reihe geschaltet sind und als Abschnitte
I, II, III und IV bezeichnet @ind.
-
Die Pfeile über der,Phasenwicklung deuten die Stromzuf@lhrungsstelle
öder -stellen für die drei Polzahlen X, Y und Z an, und die Tabelle nach Fig. 5b
zeigt die relative Flußrichtung des Stromes In jedem der vier Abschnitte bei jeder
der drei Polzahlen.
-
Die Die Phasenwicklungen B und C werden für jede Polzahl in vergleichs-Weiser
Art wie die Phasenwicklung A geschaltet.
-
Zwei der Polzahlen werden voneinander durch eine Polamplituden-Modulationswelle
abgeleitet, die der gesamten Dreiphasenwicklung zugeleitet wird und dieeine gerade
Anzahl von Modu@ationsperioden hat. Diese Methode wird als "Modulation mit gerader
Periodenzahl" bezeichnet. Jede dieser Polzahlen wird von der Polzahl durch eine
Polamplituden-Modulationswelle abgeleitet, die eine ungerade Periodenzahl, aufweist,
bezeichnet als "Modulation mit ungerader Periodenzahl".
Es gibt
zwei allgemeine Maschinenklassen gemäß der Erfindung.
-
Für die Maschinen der Klasse I erfolgt der Wechsel von der Vier-Parallel-Verbindung
(X-Pole) zu der Reihen-Verbindung (Z-Pole) durch eine Modulation mit gerader Periodenzahl,
so daß die Polzahlen X und Z in folgender Beziehung zueinander stehen:
In diesem Fall erfolgt der Wechsel von der Vier-Parallel-Verbindung (X-Pole) in
die Zwei-Parallel-Verbindung (Y-Pole) durch eine Modulation mit ungerader Periodenzahl.
Die Polzahlen X und Y stehen also in folgender Beziehung zueinander:
Bei Maschinen der Klasse II erfolgt der Wechsel von der Vier-Parallel-Verbindung
(X-Pole) in die Zwei-Parallel-Verbindung (Y-Pole) durch eine Modulation mit gerader
Periodenzahl, so daß die Polzahlen X und Y in folgender Beziehung zueinander stehen:
Y = (X + 4), (X + 8) usw.
-
In diesem Fall stellt der Wechsel von der Zwei-Parallel-Verbindung
(Y-Pole) zu der Reihen-Verbindung (Z-Pole) eine Modulation mit ungerader Periodenzahl
dar. Demnach stellen die Polzahlen X und Z in folgender Beziehung zueinander: Z
= (X + 2), (X + 6) usw.
-
Die Beziehungen der wahlweisen Polzahlen sind in den nachfolgenden
zwei Tabellen zusammengestellt:
| Klasse I |
| X-Pole Y-Pole Z-Pole |
| 4-Parallel-Schaltung 2-Parallel-dchaltung Reihen-Schaltung |
| X X + 2 X + 4 |
| X X + 6 X + 8 |
| X X + 10 X + 12 |
| usw. USW. |
| Klasse II |
| X-Pole Y-Pole Z-Pole |
| 4-Parallel-Schaltung 2-Parallel-Schaltung Reihen-Schaltung |
| X X + 4 X + 2 |
| X X + 8 X + 6 |
| x X+12 X+10 |
| usw. USW. |
Bei der Auslegung irgendeiner Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist also
die erste Voraussetzung die, daß die drei vorgesehenen wahlweisen Polzahlen durch
eine entsprechende Wahl der Polzahlen in einer Beziehung zueinander stehen, die
mit den Angaben für die X-Pole, Y-Pole und Z-Pole in der einen oder der anderen
der beiden Tabellen für die Klasse I oder II übereinstimmen.
-
Es ergibt sich aus den beiden vorstehend angegebenen Tabellen, daß
bei einer gegebenen Wahl für die X-Pole der Vier-Parallel Verbindung, die Polzahl
X-Pole + Z (eine ungerade Zahl von Polpaaren) durch eine Zwei-Parallel-Verbindung
mit einer Maschine der Klasse I oder durch eine Reihen-Verbindung mit einer Maschine
der Klasse II erzielt werden kann. In gleicher Weise kann die Polzahl X-Pole + Z
(eine gerade Anzahl von Polpaaren) durch eine Reihen-Verbindung mit einer Maschine
der Klasse I oder durch eine Zwei-Parallel-Verbindung mit einer Maschine der Klasse
II erreicht werden. Jedoch gibt eine praktische Betrachtung eine zweite
Auslegungsregel,
wonach vorzugsweise die drei Polzahlen so zueinander in Beziehung stehen sollen,
daß X kleiner ist als Y und Y kleiner ist als Z.
-
Diese Regel ergibt sich aus der praktischen Forderung, vergleichbare
Werte für die Flußdichte in den Luftspalten bei allen drei Polzahlen zu erhalten.
Zu diesem Zweck ist es notwendig, daß die größte Leiterzahl in Reihe bei der größten
Polzahl (Z-Pole) vorhanden ist und die kleinste Zahl in Reihe für die kleinste Polzahl
(X-Pole). Auf die dritte Auslegungsregel, die sich ebenfalls aus den zwei angegebenen
Tabellen ergibt, ist bereits früher in dieser Anmeldung hingewiesen worden.
-
(A) Zwei der drei wahlweisen Polzahlen unterscheiden sich durch Z
(eine gerade Anzahl von Polpaaren) und werden eine von der andern durch eine Modulation
mit gerader Periodenzahl abgeleitet.
-
(B) Die beiden Polzahlen nach (A), die miteinander durch eine Modulation
mit gerader Periodenzahl in Beziehung stehen, stehen jede zu der dritten wahlweisen
Polzahl durch eine Modulation mit ungerader Periodenzahl in Beziehung.
-
Die veerte Auslegungsregel ist die, daß die Anzahl der Perioden der
Polamplituden-kodulationswelle sowohl für die-Modulation mit ungerader Periodenzahl
als auch mit gerader Periodenzahl entweder als die Summe oder als die Differenz
der beiden so miteinander in Beziehung stehenden Polzahlen definiert ist, ausgedrückt
in Polpaaren. Oder anders definiert: die Summe oder die Differenz der Polzahlen
definiert die Modulationswelle in Halbperioden.
-
Eine Maschine für drei wahlweise Pelzahlen kann bei Beachtung der
vier angegebenen Rebeln erntworfen. werden. Es ist jedoch ratsam, noch eine fünfte
Regel zu befolgen, damit beim Betrieb
mit den drei Polzahlen harmonische
Oberwellen aus den Wellenformen eliminiert werden. Nach dieser fünften Regel können
unerwünschte Harmonische auf zwei Arten eliminiert werden: (A) Eine Dreiphasenwicklung
für drei Polzahlen ist in der Mindestzahl von Nuten im allgemeinen 18 Nuten, entsprechend
den vier oben angegebenen Regeln angeordnet. Zwei oder mehr solcher Dreiphasenwicklungen,
im allgemeinen nur zwei, werden im gleichen Ständer in der doppelten oder einem
mehrfachen dieser Nutenzahl angeordnet. Beim Verbinden der Wicklungen wird der Abstand
entsprechend den Spulen der verschiedenen Dreiphasen-Basiswicklungen so gewählt,
daß unerwünschte Harmonische neutralisiert werden. Die Bäsiswicklungeni können so
erregt werden, daß sie sich nach Belieben in ihrer Wirkung addieren oder subtrahieren,
wobei dieser Zustand nicht für alle drei Polzahlen gleich sein muß. Es ist auch
nicht wesentlich für jede Basiswicklung, daß sie die gleiche Spulengruppierung aufweist.
-
(B) Für alle Dreiphasen-Basiswicklungen wird der Spulenschritt zum
Eliminieren unerwünschter Harmonischer so gewählt, daß das Erfordernis von nahezu
gleichen Flußdichten in den Luftspalten bei den drei Polzahlen berücksichtigt wird.
Die letzte Auslegungsbedingung ist an sich einem Fachmann auf dem Gebiet der umlaufenden
elektrischen Maschinen wohl bekannt.
-
Die oben unter (A) und (B) angegebenen Hilfsmittel beziehen sich auf
die Harmonischen der Wellenform einer Betriebspolzahl. Es hat sich herausgestellt,
daß Subharmonische, selbst wenn sie in ganz großer Häufigkeit auftreten eine vernachlässigbare
Wirkung auf den Betrieb eines Kurzschlußläufer-Induktionsmotors haben und daher
beim Entwurf der Maschine unberücksichtigt bleiben können.
-
Nachdem vörstehend die Auslegungsregeln für Maschinen gemäß der Erfindung
in allgemeiner Art geschildert worden sind, sollen nachstehend,Ausführungsbeispiele
mit speziellen Polzalilkombinationen angeführt werden.
Es wurde
ein Ausführungsbeispiel aus beiden Klassen, sowohl. der Klasse I und der Klasse
II gewählt. Die erste Maschine mit 6, 8 und 10 Polen und die zweite Maschine für
4, 6 und 16 Pole Das erste Polzahl-Beispiel stellt eine Auswahl von drei Polzahlen
aus vier möglichen wahlweisen Polzahlen dar.
-
Fig. 6a ist ein Diagramm, das die vier möglichen Polzahlen zeigt und
die Zahl der Perioden in der Polamplituden-Modulationswelle, über die jedes Paar
der vier Polzahlen in Beziehung zueinander steht.
-
Fig. 6b stellt ein ähnliches Diagramm dar, das die durch die Modulation
bestimmten Beziehungen der drei Polzahlen 4, 6 und 16 Pole zueinander erläutert,
von denen jede eine vierte Polzahl von 8 Polen hat.
-
Aus Fig. 6a ist ersichtlich, wie die Polzahlen von vier verschiedenen
Maschinen in Wechselbeziehung zueinander stehen, d. h. für jede Kombination von
dreien aus den vier möglichen Polzahlen. Die Kombination@ sind folgende: 6 Pole,
8 Pole und 10 Pole (das gewählte Ausführungsbeispiel) 4 Pole, 6 Pole und 8 Pole
4 Pole, 8 Pole und 10 Pole und 4 Pole, 6 Pole und 10 Pole.
-
Aus Fig. 6b ergeben drei der Kombinationen eine Maschine gemäß der
Erfindung mit folgenden Zahlen: 4 Pole, 6 Pole und 16 Pole (das gewählte Ausführungsbeispiel)
4 Pole, 6 Pole und 8 Pole und 6 Pole, 8 Pole und 16 Pole.
-
In den Fig. 6a und 6b geben die in Klammern angeführten Buchstaben
die Phasenfolge für alle Polzahlen an, bezogen auf den gleichen Drehriohtungseinn.
Die Modulation mit einer Polamplituden-Moduletionewelle, die eine Periodenzahl hat,
die gleich der
Differenz der Polpaarzahlen ist, bedeutet keine
Umkehr der Folge, während eine Modulation mit einer Welle, deren Periodenzahl gleich
der Summe der Polpaarzahlen ist, eine Umkehr der Phasenfolge bedeutet.
-
Für Maschinen gemäß Fig. 6a können die Polzahlen 6, 8 und 10 Pole
mit zwölf Umschaltklemmen erzielt werden.
-
Die Fig. 7a und 7f beziehen sich auf die Maschine für 6, 8 und 10
Pole gemäß Fig. 6a und demonstrieren das Verfahren, mit dem die Maschine der Fig.
9 und 10 nach den vorstehend angegebenen Regeln ausgelegt werden.
-
Fig. 7a zeigt eine unmodulierte 8-polige, sich über 120o erstreckende
Dreiphasenwicklung in 18 Nuten. Die Nutzahl ist in der ersten Zahlenreihe oben in
der Figur angegeben. Die Spulengruppierung der Wicklung pro Phase ist: + 1 + 2 +
1 + 2 (Spulen pro Polpaar). Die ursprüngliche Phasenfolge ist A, C, B.
-
Die Linie M - M stellt. die Polamplituden-Modulationswelle mit sieben
Perioden dar, die eine Umformung der Wicklung auf sechs Pole bewirkt. Die zweite
Zahlenreihe gibt die Anzahl der Spulen für jede Halbperiode der iModulationswelle
an.
-
Die Linie M - M in Fig. 7a ist um alle die Spulen herumgeführt,-die
bei der Modulation umgeschaltet wrerden, das sind also die Spulen in den Nuten 2,
3, 5, 7 usw. Da, entsprechend der eingangs erwähnten Definition, eine Spulenumschaltung
einer negativen Halbperiode der Modulationswellen entspricht, stellt die Linie k
- M in Fig. 7a eine Modulationswelle dar, deren negative Halbperioden nach oben
gehend und deren positive Halbperioden nach unten gehend dargestellt sind. Dasselbe
gilt für die Modulationswelle M - Me der Fig. 7c, 7d und 7f wie auch der Fig. 11a,
11b und 11c.
Die Buchstabenreihe oberhalb des Wicklungsdiagrammes
in den Fig. 7s, 7c, 7d und 7f gibt die Phasen an, mit der die pulen einer jeden
Nut assoziiert sind und die relative Richtung der Erregung vor der Modulation. In
allen. Wicklungsdiagrammen wie auch den Fig. 11 a, 11 b , l1c und 9 und 13 sind
die Spulen der Phase A mit ausgezogenen Linien dargestellt, die Spulen der Phase
B in - x - Linien und die Spulen der Phase C in gestrichelten Liniene Die Fig. 7b
zeigt Nutenstern-Diagramme für die drei Phasen der als 6-polige Wicklung arbeitenden
Wicklung. Jede Spule ist durch ihre Nutenzahl gekennzeichnet, und die Zahlen der
umgekehrten Spulen sind mit einem Kreis umgeben. Die Phasenfolge nach der Modulation
ist A, h, C.
-
Fig. 7c ist ein Wicklungsdiagramm der gleichen 8-poligen und sich
über 120° erstreckenden Basiswicklung der Fig. 7sa mit einer 6-Perioden-Polamplituden-Miodulationswelle
M - M, die eine Umschaltung auf einen 4-poligen Betrieb bewirkt. Die Phasenfolge
ist A, C, B vor und A, B, C nach der Modulation.
-
Fig. 7d zeigt die ursprüngliche 4-Polige, sich über 60° erstreckende
Wicklung, die von einer Polamplituden-Modulationswelle mit, einer einzigen Periode
in eine 6-polige Wicklung moduliert ist. Fig. 7e zeigt Nutensterne für die drei
Phasen bei 6-poligem Betrieb entesprechend der Umachaltung nach Fig. 7d. Jede Spule
wird mit ihrer Nutenzahl dargestellt und die Zahlen derjenigen Spulen, die bei der
Modulation umgekehrt werden, sind mit einem kreis. umgeben. Die Phasenfolge ist
vor und nach der Modulation
| -Fig. 7f zeigt die ursprüngliche 8-polige, sich über-120 0
e,r- |
| streckende -"dicklung mit. einer überlagerten _Polamplituden-ieodula,- |
| tioxiswelle M.- I. mit ..9 fcrioden, |
Fig. 8 ist eine dreigeteilte Tabelle, die in ihrem Teil (a) die
Verbindungen einer jeden Spule einer jeden Phase für jede der vier wahlweisen Polzahlen
angibt, wobei jede Spule durch die Nutenzahl eines Ständers mit 18 Nuten gekennzeichnet
ist.
-
Der Teil (b) der Tabelle zeigt die gleiche Wicklung wie Teil (a),
die jedoch auseinandergezogen ist, um den vollen Umfang aber nur die Hälfte der
Nuten eines Ständers mit 36 Nuten zu belegen. Wenn diese Anordnung von der Nut 1
aus angebracht wird, bleibt jede geradzahlige Nut leer. Wenn Na die Nutzahl des
Teiles (a) und Nb die Nutzahl des Teiles (b) ist, so gilt Nb = 2Na - 1.
-
Die Spulen sind durch diese ungeradzahligen Nutzahlen gekennzeichnet,
und dieser Teil einer zusammengesetzten Wicklung wird als Komponente P bezeichnet.
-
Darunter, als Komponente Q bezeichnet, ist eine ähnliche Wicklung
angegeben, welche die geradzahligen Nuten belegt. Es ist offensichtlich, daß die
beiden Komponenten gegeneinander durch irgendeine ungerade Zahl von Nuten versetzt
sein können.
-
Im Hinblick auf die Wellenform bei den drei gewählten Polzahlen wird
beim dargestellten Ausführungsbeispiel eine räumliche Versetzung um 11 Nuten bevorzugt.
-
In Fig. 8 (b) ist die Komponente Q dargestellt, und die Spulen sinddurch
die geraden Nutzahlen gekennzeichnet, die der Versetzung um 11 Nuten gegenüber der
Komponente P entsprechen.
| Eine räumliche Versetzung um 11 Nuten entspricht einer Ver- |
| setzung von 1 |
| Polteilungen für 6 Pole, 2 Polteilungen für e |
| 8 Pole und 3 TU Polteilungen für 10 Pole. Folglich ist es not- |
| wendig,,die Komponenten P und Q für 6 Pole im gleichen Sinne
in |
| Reihe zu schelten und für 14 Pole gegensinnig zu schalten,
so |
| deß die resultierende Wirkung additiv ist. Für 8 Pole können
die |
| beiden Komponenten entgegengesetzt zueinander oder additiv
mit- |
einander verbunden sein. Im Hinblick auf das Flußdichte-Verhältnis
im Luftspalt wird eine Verbindung'entgegengesetzt zueinander bevorzugt.
-
Fig. 8 (b) zeigt die Spulender beiden Komponenten P und Q, gekennzeichnet
durch die entsprechende Nutzahl und mit einem vorangestellten Zeichen, das die relative
Richtung der Verbindung für jede der wahlweisen Polzahlen 6, 8 und 10 zeigt.
-
Fig.8 (c) zeigt schließlich die Anordnung der zusammengesetzten Wicklung
mit der relativen Richtung der Spulenverbindungen für die 10-polige Betriebsweise,
d. h. mit Z-Polen und einer Reihen-Verbindung (s. Fig. 5b). Die vier Abschnitte
I, II, III, IV der Fig. 5a sind dargestellt.
-
Es bleibt noch die Wahl der Polteilung für die Wicklung. Wie bereits
angeführt worden ist, wird die Polteilung mit Rücksicht auf die Wellenform bestimmt.
-
Eine unorthodoxe Wicklung für entweder 6 oder 10 Pole neigt dazu,
gewisse ungerade Harmonische zu erzeugen, von denen insbesondere die Harmonische
für 14 Pole besonders stark ist. Um diese Harmonische auszuschließen, wird sowohl
beim 6-poligen als auch beim 10-poligen Betrieb eine Spulenteilung von 5 Nuten ge-
| wählt. Dies entspricht bei einem Ständer mit 36 Nuten einer
Pol- |
| teilung von 1 TU einer 14-poligen Welle. |
| In der 6-Pol-Verbindung wird in jeder der getrennt betrach- |
| teten Komponenten P und Q eine 10-polige Harmonische erzeugt.
Da |
| diese beiden Teilwioklun@;en bei 6-poligem Betrieb jedoch im
glei- |
| chen Sinne miteinander verbunden sind, heben sich die Harmoni- |
| schen der beiden Wicklungskomponenten gegenseitig auf. |
| Die drei Phasenwicklungen nach Fig. 8 (c) sind Reihen-Drei- |
| ecke-Verbindungen für 'f0 Pole. Für den 8-poligen Betrieb ist
die |
| Wicklung in Zwei-Brallel-Sternschaltung verbunden, und für
den |
| 6-poligen Betrieb. in Vier-Parallel-Sternschaltung.
Die Stromfluß- |
| richteng in jedem der vier.Absohnitte bei jeder der drei Polzah- |
| len ist aus den Tabellen der Fig. 8 (c) und der Fig.
5b ersicht- |
| lich. |
Das entsprechende Schaltdiagramm für 10 Pole, 8 Pole und 6 Pole
ist in Fig. 3, Fig. 2 und Fig. 1 angegeben.
-
Fig. 9 ist ein vereinfachtes Wicklungsdiagraium, das die zusammengesetzte
Wicklung der Fig. 8 (b), die in den vier Abschnitten der Fig. 8 (e) angeordnet ist,
und die Klemmenverbindungen der. Fig. 3 zeigt. Bei dieser Wicklung ist das Wicklungsfaktorverhältnis
bei 6-poligem Betrieb: 0,622.
-
bei 8-poligem Betrieb: 0,534 bei 10-poligem Betrieb: 0, 689 und das
Verhältnis der Flußdichte: bei 6-polivem Betrieb: 1,29 bei 8-poligem Betrieb: 1,00
bei 10-poligem Betrieb: 0984 Fig. 10-zeigt das übliche Nutenwicklungediagramm der
gleichen zusammengesetzten Wicklung, .die das vereinfachte Dia=ramm der Fig. 9 zeigt:
Die Zwischenverbindungen zwischen den drei Phasenwicklungen entsprechen den Reihen-Dreiecks-Verbindungen
der Fig. 3.
-
Die Fig. 11a bis 11d, 12 und 13 betreffen das Ausführungsbeispiel
nach Fig. 6b für .4 Pole, 6 Pole und 16 Pole.
-
Fig. 1 1 a zeigt eine Dreiphasenwicklung f:är 16 Pole und mit einer
Erstreckung über 60° in einein Ständer mit 36 Nuten, der pro Phase vier Phantom-Spulengruppen
(weggelassene Spulengruppen) aufweist. Die sich ergebende Spulengruppierung pro
Phase lautet: + 1 - 1 + 1 - 0 + 1 - 1 + 1 - 0 + 1 - 1 + 1 - 0 + 1 - 1 + 1 - 0.
-
In der ersten Zahlenreihe in Fig. 11a sind die Nutzahlen angegeben.
Die Linie M2 - Trl stellt eine Polamplituden-1VIQdulationswelle
mit
6 Perioden dar. Die zweite Zahlenreihe gibt die Anzahl der Spulen pro Halbperiode
der Modulationswelle an. Die dritte Reihe betrifft das Phasenband einer jeden Nut
und die relative Verbindungsrichtung vor der Modulation. In der dargestellten Art
moduliert arbeitet die Wicklung mit 4 Polen.
-
Fig. 11b zeigt die gleiche 16-polige Basiswicklung der Fig. 11a, moduliert
mit einer Polamplituden-Modulationswelle M - M mit 5 Perioden zur Erzeugung eines
6-poligen Betriebes.
-
Fig. 11c zeigt die Beziehung der 4-poligen Wicklung, die nach Fig.
11a abgeleitet wird und der modulierten 6-poligen Wicklung nach Fig. 11b. Daraus
ist ersichtlich, daß die Übertragung von vier Pole auf 6 Pole einer wirksamen Modulationswelle
M - M mit einer einzigen Periode entspricht, vorbehaltlich der Unregelmäßigkeiten,
die durch die in Klammern angegebene Spulengruppenzahl (1) verursacht werden.
-
Fig. 11d zeigt Nutensterndiagramme für die drei Phasen; bei 6-poligem
Betrieb, wobei die Zahlen der umgeschalteten Spulen bei der Übertragung nach Fig.
11c in Kreisen stehen.
-
Fig. 12 ist ein vereinfachtes Nutenwicklungsdiagramm, das die drei
Phasenwicklungen A, B und 0 und die Nuten, in denen die oberen Leiter aller Spulen
einer jeden Phasenwicklung entsprechend den Anordnungen der Fig. 11a, 11b und 11c
angeordnet sind, darstellt. Die Klemmenverbindungen sind die in den Fig. 1, 2; und
5a dargestellten. Die vier Abschnitte einer jeden Phasenwicklung sind entsprechend
den Angaben in Fig. 5b bezeichnet, und die Zwischenverbindungen zwischen den drei
Phasenwicklungen entsprechen der Reihen-Sternschaltung nach Fig. 4.
| Die Dreiphasenwicklung nach Fig. 12 ergibt 16 Yole in der |
| Reihen-Sternverbindung der Fig. 6 Pole in der Zwei-Parallel- |
| Sternverbindung der Fig. 2 und 4 Pole in der Vier-Parallel-Stern- |
| verbindung nach Fig. 1. |
| Mit Bezug auf die Fig. 6b und auch auf die Pig. 11a, 11'b und |
| 1 1 c ergibt sich, daß die Wicklung nach Fig. 12 eine Modulation |
mit gerader Periodenzahl von X-Pole (4 Pole) in Z-fole (16 Pole),
und daß sie eine Modulation mit ungerader Periodenzahl von X-Pole (4 Pole) in Y-Pole
(6 Pole) (Modulation mit einer Periode) und eine Modulation mit ungerader Periodenzahl
(5 Perioden) von Y- _ Pole (6 Pole) in Z-Pole (16 Pole) bewirkt.
-
Da die höchste Polzahl (Z-Pole) eine sehr große Polzahl in Beziehung
zu der Anzahl der Nuten des Ständers ist, so daß schon die 16-polige Wicklung 4
Phantomn-Spulerigruppen pro Phase aufweist und weil diese Anordnung drei bpulengruppen
pro Pol und. pro Phase bei 4-poligem Betrieb ergibt, ist es nicht notwendig, diese
Wicklung als Zweikomponenten-Dreiphasenwicklungen mit gegeneinander räumlich versetzten
Komponenten aufzubauen, wie bei dem 6-poligen, 8-poligen und 10-polieen Beispiel.
-
Bei dieser 4-20l-, 6-Pol- und 16-Pol-Maschine ist bei den drei wahlweisen
Polzahlen die Wellenform von unerwünschten Harmonischen durch eine geeignete Wahl
der Spulenteilung freigehalten. Als günstig ergab sich in diesem Beispiel eine Teilung
von 6 Nuten oder eine Teilung von 7 Nuten.
-
Für diese beiden Werte ergeben sich folgende Verhältnisse der Wicklungsfaktoren
und der flugdichten im Luftspalt: Spulenteilung 6 Nuten - Wicklungsfaktor 4 Pole:
0,732; 6 Pole: 0,644; 16 Pole: 0p32 Spulenteilung 6 Nuten - Flugdichte im Luftspalt:
4 Pole: 1,00; 6 Pole: 0,85; 16 Pole: 0,88 Spulenteilung 7 Nuten - Wicklungsfaktor:
4 Pole: 0,793; 6 Pole: 0,622; 16 Pole: 0,945 Spulenteilung 7 Nuten - Flugdichte
im Luftspalt: '4 Pole: 1 ,00; 6 Pole: 0,95; 16 Pole: 0,84.
Fig.
13 zeigt ein übliches Nutenwicklungsdiagramm einer Dreiphasenwicklung nach Fig.
12 mit einer Spulenteilung von 6 Nuten, also von der Nut 1 nach der Hut 'T usw.
Die Nutenzahlen sind oben im Diagramm angegeben, und die Spulen der drei Phasen
sind in gleicher Gneise wie in den Fig. 7a bis 7f, Fig. 10 und Fig. 1la bis 11e
dargestellt, also die Phase A mit ausgezogenen Linien, die Phase B mit - x - Linien
und die Phase C mit gestrichelten Linien. Die Kletimenverbindunben sind in den Fig.
1, 2, 4 und 12 dargestellt und die Zwischenverbindungen zwischen den drei 2hasenwicklungen
entsprechen denjenigen der Fig. 4 und 12.
-
In Fig. 14 ist als weiteres Ausfuhrungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
eine Dreiphasenwcklung für wahlweise 4 Pole, 6 Pole und 8 Pole dargestellt, die
in einen Ständer mit 36 Nuten gewickelt ist. Fig. 14 zeigt ein vereinfachtes Nutenwicklungsdiagra::-im
entsprechend den Diagrammen der Fig. 9 und 12. Die drei Phasenwicklungen sind mit
A, B und C bezeichnet, und die Nutenzahl einer jeden Spule einer jeden Phasewicklung
ist unten angegeben. Die vier Abschnitte einer jeden Phasenwicklung entsprechend
der Fig. 5a, die Klemmenverbindungen entsprechen den Fig. 1, 2 und 3. Die Zwischenverbindungen
zwischen Phasenwieklangen entsprechen der Reihen-Dreieck-Schaltung nach Fig. 30
Mit einer Windung nach Fig. 14 wird ein 4-poliger Betrieb durch eine Vier-Parallel-Schaltung
nach Yig. 1 erreicht, ein 6-' poliger Betrieb durch die Zwei-Parallel-Verbindunö
nach Fig. 2 und ein 8-poliger Betrieb durch die Reihen-Dreiecks-Schaltung nach Fig.
3.
-
Die Wicklung nach Fig. 14 ist eine 4-polige Basiswicklung für eine
ganzzahlige Nutzahl mit drei Nuten pro 2o1 und pro Phase. Die 4-polige Basiswicklung
wird polamplitudenmoduliert mittels einer Modulation mit ungerader Periodenzahl
(eine einzige Periode), wodurch Polzahlen von 2 Polen und 6 Polen zusammen erzeugt
werden. Die Polzahl 6 wird verwendet und die Subharmonisehe der Zwei-Pol-Modulation
wird vernachlässigt.
kuperdem wird die 6-polige Wicklung polamplitudenmoduliert
mit einer Modulation mit ungerader Periodenzahl (7 rerioden), um zusammen 8 Pole
und 20 2ole zu erzeugen. :Die Polzahl 8 wird verwendet und die 20-polige Harmonische
wird durch Sehnung der Wicklung reduziert. Zu diesem Zweck wird eine Spulenteilung
von 6 Nuten gewählt, also ein Wicklungsschritt von der Hut 1 nach der Nut 7 usw.
Bei dieser Spulenteilung sind die Verhältnisse der Flußdichte in den Luftspalten:
bei 4 Polen: 1,03; bei 6 Polen: 1,00; bei 8 Polen: 1,02.