DE1638496A1 - Induktions-Wechselstrommaschine - Google Patents

Description

IST. 93

DIPL·. ING. K. HOLZEB 89 A If G S B ϋ Κ G

1*

89 Augsburg, den 26„ September 1967

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-7²J- Victoria Street, London S₀W. 1, England

Induktions-Wechselstrommaschine

Die Erfindung betrifft 7/echselStromgeneratoren und insbesondere Induktions-Wechselstrommaschinen₀

Bei Wechselstromgeneratoren üblicher Bauart besitzt der Läufer eine Gleichstrom-Erregerwicklung, welche innerhalb des Luftspaltes zwischen Läufer und Ständer ein magnetisches Feld mit einer geraden Zahl von Polen, und zwar jeweils in

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abwechselnder Folge von Nordpolen und Südpolen, erzeugt. Dieses magnetische Feld induziert einphasige oder mehrphasige Spannungen in entsprechend angeordneten Spulen oder Wicklungen des Ständers.

Einer der Hauptnachteile dieser Art von Generatoren ist es, daß der Erregerstrom dem Läufer über Schleifringe

™ zugeführt werden muß und ein auf diese Weise zugeführter Erregerstrom bedingt 7/iederum eine hohe Windungszahl der Läuferwicklung, damit das erforderliche magnetische Feld erzeugt werden kann. Die einzelnen ϊ/indungen müssen gegeneinander isoliert sein und diese Isolierung nimmt einen beträchtlichen Anteil des Sicklungsraumes ein. Der Aufbau des Läufers erschwert die Kühlung, da viele Windungen innerhalb der Wicklungen oder Spulen liegen« Nicht selten ist daher die Läufererwärmung bei derartigen Generatoren der be-

fc grenzende Faktor für die erzielbare Nennleistung,,

Bei einer anderen Generatorbauart, der sogenannten Induktions-WechselStrommaschine, sind sowohl eine Gleichstrom-Erregerwicklung, als auch eine einphasige oder mehrphasige Nutzwicklung, von welch letzterer der Wechselstrom abgenommen werden kann, auf dem Ständer angeordnet» Der Läufer weist

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keine *.7ic!'lungen auf, hat jedoch eine "bestimmte Anzahl ausgeprägter Pole, die sehr deutlich voneinander getrennt sind, so daß sich der magnetische Widerstand des magnetischen Sehließuiigskreises, über welchen die Erregerwicklung des Ständers mit der lutzwicklung des Ständers verkettet ist, bei drehendem-Laufer ändert.

Ein Vorteil dieser Art von Maschinen ist es, daß keine elektrischen Anschlüsse an den Läufer geführt zu werden brauchen und daß im Läufer wenig Verlustwärme auftritto Ein Hechteil ist es jedoch, daß bestimmte Teile des aktiven Eisens im Ständer nur einen Fluß in einer Richtung führen, so da£ der magnetische Werkstoff des Ständers ungenügend ausgenützt ist_e Induktions-WechselStrommaschinen sind daher JLi eJLlgemeinen größer als Maschinen mit erregtem Läufer gleicher Nennleistung.

Durch die Erfindung soll die Aufg-rbe gelöst werden, bei WechselStrommaschinen ohne äußere elektrische Anschlüsse zum Läufer einen in seiner Richtung wechselnden Fluß durch das magnetische Material des Ständers zu erzielen und so den otänderwerkstoff besser auszunutzen«

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Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung eine Induktions-Wechsel Strommaschine mit einem eine Erregerwicklung und eine Nutzwicklung tragenden Ständer und einem von diesem über einen Luftspalt getrennten Läufer, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Läufer eine Kurzschiußwicklung trägt, in welcher bei gespeister Erregerwicklung durch das von dieser erzeugte Magnetfeld bei rotierendem Läufer Ströme induziert werden, deren Richtung sich Jeweils an bestimmten, in umfangsmäßigem Abstand voneinander befindlichen Punkten längs des Luftspaltes umkehrt und welche innerhalb des LuftSpaltes Jeweils in den Bogenbereichen zwischen den Umkehrpunkten ein mehrpoliges magnetisches Feld erzeugen, das in der Nutzwicklung Ströme induziert.

Gemäß einer praktischen Ausführungsform der Erfindung kann die Läuferwicklung eine Vielzahl von Leiterstaben enthalten, welche im Abstand voneinander am Läuferumfang ■verteilt angeordnet sind. Bei einer bestimmten Ausführungsform dieser Art sind die Leiterstäbe an stirnseitige Kurzschlußringe angeschlossen, wie dies von Wirbelstrom-Käfigwicklungen her bekannt ist« Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind Gruppen von Leiterstäben in Serie zueinander geschaltet

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und zwischen die Kurzschlußringe gelegte Noch eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, Gruppen von Leiterstäben in Form von kurzgeschlossenen Wicklungsspulen zusammenzuschließen.

Die lutzwicklung bzw» die Ausgangswicklung des Ständers kann einphasig oder mehrphasig ausgebildet sein₀ a

Die Erregerwicklung kann in demjenigen Bereich, in welchem die Stromumkehr in den Leitern des Läufers stattfindet, bo abgewandelt sein, daß die Stromumkehr unterstützt wird.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:

die Figuren Schemen einer Wechselstrommaschine nach 1 und 2

der Erfindung bei zwei verschiedenen

Stellungen des Läufers,

Figur 3 ein Schema einer Wicklung für einen

Dreiphasen-Generator in abgewickelter Form,

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Figur 4- Diagramme von Kurzschlußströmen "bei Kurzschluß an den Klemmen der Nutzwicklung einer Maschine nach Figur 3»

Figur 5 aas Schema einer aus mehreren Leitern gebildeten Läuferwicklung für eine erfindungsgemäße Wechselstrommaschine in abgewickelter Darstellung,

Figur 6 ein Schnittschema zur "Verdeutlichung der Wicklung nach Figur 5>

die Figuren Schemen weiterer möglicher Ausfiihrungsformen

und 8

von aus mehreren Leitern gebildeten Läuferwicklungen nach der Erfindung,

Figur 9 das Schema einer anderen Ausführungsform einer Dreiphasenwicklung in abgewickelter Darstellung,

Figur 10 das Schema einer Anordnung zur Unterstützung der Stromumkehr in der Laufe^vicklung,

Figur 11 das Schema einer weiteren Ausführung^form für eine Läuferwicklung aus mehreren Leitern,

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Figur 12 das Schema einer Ausführungsform

einer, erfindungsgemäßen Erregerwicklung des Ständers,

Figur 13 das Scliema einer erfindungsgemäßen

Erregerwicklung des Ständers für pr ogr e ssrve Stromwendung,

Figur 14 ein Blockschaltbild einer Anlage mit

einer erfindungsgemäßen Induktionsmaschine zur Gleichstromerzeugung,

Figur 15 ein Diagramm zur Verdeutlichung des

Zusammenhanges sirziochen niedriger Spannung und niedrigem Strom bei der Anlage nach Figur 14,

Figur 16 ein Blockschaltbild einer abgewandelten

Anlage der in Figur 14 wiedergegebenen , Art und

die Figuren graphische Darstellungen zur Verdeut-• 17 und~ 18

iichung der Beziehung zwischen Spannung

und Strom bei der Schaltung nach Figur 16..

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BAD

- Die erfindungsgemäße Maschine ist in Figur 1 der Zeichnungen in vereinfachter.schematischer Darstellung vdedergegeben_o Die Maschine weist einen Ständer und einen Läufer mit jeweils 16 Nuten auf. Die Gleichstrom-Erregerwicklung befindet sich jeweils am Nutgrund der Ständernuten und in jeder Nut fließt ein konstanter Gleichstrom der Stärke I. Alle rechts der Vertikal-Axialebene fließenden Ströme sind in die Zeichenebene hinein gerichtet, während alle links der Vertikal-Axialebene fließenden Ströme zum Betrachter hin fließen. Eine solche Stromverteilung kann leicht entweder durch eine konzentrische Wicklung oder durch eine Wicklung mit größtem Wicklungsschritt erzielt werden» In dem verbleibenden Nutraum der Ständernuten ist die Nutzwicklung untergebracht, welche in Figur 1 jedoch aus Gründen besserer Übersichtlichkeit weggelassen ist. Der Läufer besitzt eine gebräuchliche 7/irbelstrom-Käfigwicklung, ^T.?io sie im allgemeinen bei Asynchronmotoren verwendet wird, jedoch mit dem Unterschied, daß nur in jeder zweiten Nut Leiterstäbe untergebracht sind, so daß die dazwischen befindlichen Nuten leer bleiben₀ Die Enden der Leiterstäbe des Läufers sind in der üblichen Veise durch Kurzschlußringe verbunden,, Betrachtet mnn dio gesemten Ampere-

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Windungen am Läufer und am Ständer zur Rechten der Vertikal-Axialebene, so sieht man, daß in Jedem Leiterstab des Läufers ein Strom von ungefähr 2I in der jeweils angedeuteten Richtung fließen muß, da sonst über dem schmalen Luftspalt im oberen und im unteren Bereich der gesamten Anordnung sehr große Kraftflußdichten auftreten würden«, Wird nun im Bereich des Bogens A der Maschine die resultierende Wirkung der Ströme im Laufer.und im Ständer untersucht, ™

so ist festzustellen, daß am Läufer in der in der Zeichnung dargestellten Weise abwechselnd Nordpole und Südpole gebildet werden. Diese Pole haben solche Abstände voneinander, daß sie einem sechzehnpoligen Polrad eines in herkömmlicher Weise erregten Generators entsprechen,, In dem entsprechenden Sektor A¹ auf der linken Seite der Maschine bildet sich eine ähnliche Anordnung von Läuferpolen aus, wobei die Abstände wiederum einem sechzehnpoligen Polrad entsprechen,, Geht man jedoch von dem Sektor A aus, nimmt man ferner die ( hier herrschende, einem sechzehnpoligen Polrad entsprechende Polanordnung als gegeben an und schreitet dann zu dem Sektor A¹ fort, so ergeben sich überall dort Nordpole, wo im Sektor A¹ tatsächlich Südpole vorhanden sind und umgekehrte

Figur 2 zeigt die gleiche Maschine, bei welcher der Läufer um eine Nutteilung weitergedreht worden ist und es zeigt sich,

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JM)

daß auch alle Nbrdpole und alle Südpole in den Sektoren A und A¹ um eine Nutteilung vorgerückt sind.. Die Bedingungen in dem Sektor A sind also ganz genau so, wie sie in einem entsprechenden Sektor eines herkömmlichen, sechzehnpoligen Generators wären,, Entsprechendes gilt für den Sektor A¹ , wenn man ihn für sich betrachtet, doch muß der Vergleichsgenerator herkömmlicher Bauart an all den Stellen Nordpole aufweisen, an welchen der Yergleichsgenerator, mit welchem man den Sektor A verglichen hatj Südpoie besitzt. nachdem also die Bedingungen im Sektor A der erfindungsgemaßen Maschine mit denjenigen eines herkömmlichen Generators vergleichbar sind, ergibt sich, daß in die jeweils oberen Teile der Ständernuten eine Hutzwicklung eingelegt werden kann, wie sie auch bei herkömmlichen Generatoren verwendet würde. Eine solche Wicklung liefert einen Wechselstrom einer Frequenz entsprechend der Wirkungsweise eines 16-poligen Generators herkömmlicher Bauart» In dem in den Zeichnungen dargestellten vereinfachten Fall umgeben jeweils die einzelnen Spulen der Nutzwicklung die einzelnen Ständerpole als ungesehnte Spulen entsprechend der Einteilung von '!6 Polen und die Spulen liefern einen einphasigen Wechselstrom. In

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entsprechender Weise umgeben einzelne Spulen die Ständerpole im Sektor A¹ der Maschine und liefern einen Wechselstrom gleicher Phase und gleicher Frequenz» Aus diesem Grunde können die Spulen im Maschinensektor A¹ mit den Spulen im Sektor A in Reihe geschaltet werden«, Der richtige Sinn der Reihenschaltung ist jedoch entgegengesetzt zu demjenigen, welcher bei herkömmlichen Generatoren entsprechender Bauart zu wählen wäre₀

Betrachtet man Figur 1 der Zeichnungen, so ist zu beobachten, daß in jedem Leiter des Läufers bei Überquerung der Vertikal-Axialebene eine Umkehr der Stromrichtung stattfindet,, V/aurend diese Stromumkehr stattfindet, hat die Gestalt des magnetischen Feldes im Luftspalt nur sehr wenig Ähnlichkeit mit der Gestalt des Luftspaltfeldes bei herkömmlichen IC« schinen und aus diesem Grunde v/erden bei der Zusammenschaltung der Ständerspulen die betreffenden Spulen in den genannten Bereichen ausgelassene Der soeben erwähnte verbleibende Bereich der Maschine wird zu. "Kommutierungszwecken" hinsichtlich der in den Leiterstäben des Läufers fließenden Ströme verwendet, was in ganz ähnlicher Weise geschieht, wie dies bei Gleichstromme schinen, deren Viendepole zur Kommutierung der Ankerwicklung dienen, der Fall ist«,

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In den Bereichen B und B' erfolgt dadurch eine solche .Kommutierung des Lauferstromes, daß die Leiterstäbe des Läufers durch einen Bereich eines starken G-leichfeldes hindurch], auf en, welches seine Ursache in der Erregung des Ständers hat, welche durch die in den Leiterstäben fließenden Ströme nicht vollständig aufgehoben wird« Zur Kommutierung sind ziemlich starke Felder notwendig, da die Kommutierung rasch erfolgt und die Läuferstäbe auf Grund ihrer Einbettung in Nuten eine beträchtliche Induktivität aufweisen. In den Bereichen A und A¹ bleiben Jedoch die in den Leiterstäben fließenden Läuferströme im wesentlichen unveränderlich und werden durch eine Spannung aufrechterhalten, die in den Läuferstäben durch ein in dem betreffenden Bereich herrschendes schwaches Gleichfeld induziert wird. Das notwendige gleichgerichtete Feld kann deshalb klein sein, weil die induzierte Spannung nur den Spannungsabfall in den Leiterstäben zu überwinden hat, welcher wiederum durch Verwendung dicker Leiterquerschnitte klein gehalten werden kann. Die Dichte des gleichgerichteten Flusses im Bereich B, welche zur Kommutierung erforderlich ist, braucht nicht über der durch die 16-polige Anordnung vorgegebenen Flußdichte im Bereich A und A' zu liegen, während die Dichte des gleichgerichteten Flusses im Bereich A der Maschine nicht über ΛΟ°/ο der

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soeben genannten Flußdichte zu liegen "braucht* Sowohl die ⁿKommutierungs"-Gleichfelder in den Bereichen B und B¹ als auch die "Aufrechterhaltungs"-Gleichfelder in den Bereichen A und A' stellen sich von selbst auf geeignete Werte ein, so daß keine zusätzlichen Erregerwicklungen zu ihrer Erzeugung notwendig sind. Die jeweils erforderliche Erregung wird durch Abweichungen der Ströme in den Lauferstäben von dem Idealwert 2I erzielte Außerdem kann sich diese Kommutierung der Läuferströme im wesentlichen vollständig innerhalb eines Bereiches von einer Achtelsumdrehung vollziehen, so daß sich die aktiven Sektoren A und A¹ über einen Bogen von mehr als drei Viertel des Lauf erumfange s erstrecken können,, Da die Dichte des gleichgerichteten Flusses in den Bereichen A und A¹ im Vergleich zu der durch die 16-polige Anordnung vorgegebenen Flußdichte klein ist, kann das Standereisen ohne das Auftreten von Sättigung gut ausgenützt werden und ein Vergleich der (

Figuren 1 und 2 zeigt, daß das Ständereisen im Gegensatz zu einem pulsierenden Fluß einen wechselnden Fluß führt« Da weiterhin die Läuferleiter durch einfache, in Nuten eingelegte Leiterstäbe gebildet werden, ist der Füllfaktor der Läuferwicklung sehr hoch, so daß die Läuferverluste verringert werden. Nachdem die Läuferstäbe unmittelbar mit Kurz-

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schlußringen verbunden sind₉ deren Kühlung keine Schwierigkeiten bereitet, können die Läuferverluste, soweit sie überhaupt auftreten, ohne weiteres beherrscht werden, ohne daß eine unzulässige Erwärmung auftritt.

Die einfache einphasige Maschine nach Figur 1 kann in eine mehrphasige Maschine umgestaltet werden, indem die Zahl der Läufernuten und der Ständernuten vergrößert wird« Beispielsweise kann eine dreiphasige Maschine gebildet werden, indem die Zahl der Läufernuten und der Ständernuten auf 48 erhöht wird,, Ein Ausschnitt aus dem Sektorbereich A einer solchen Maschine ist in Figur 3 der Zeichnungen wiedergegeben«, In jeder der Nuten des Ständers ist wiederum im unteren Nutteil ein Leiter untergebracht, welcher einen Gleichstrom der Stärke I führt, während sich im oberen Teil der Nut eine ungesehnte, dreiphasige, jeweils eine Nut je Pol und Phase einnehmende Wicklung befindet, Die Leiterstäbe des Läufers sind in einer Anordnung zu je drei Stäben in benachbarten Nuten untergebracht und zwischen je drei ausgefüllten Nuten sind jeweils drei Nuten leergelassen. Aus den oben angegebenen Gründen muß jeder Läuferstab einen Strom in der Stärke von 21 in der angegebenen Richtung führen_o Die resultierende Durchflutung auf

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, _,,,_; · »AD ORIGINAL

Grund dieser Läuferströme und des Ständergleichstromes ist in dem unmittelbar unterhalb der zugehörigen Zeichnung wiedergegebenen Diagramm dargestellte Es wird wiederum eine, einer 16-poligen Erregung entsprechende Durchflutung erzeugt, welche mit Läuferdrehzahl rotiert und dreiphasige Ströme in der Nutzwicklung induziert. Es zeigt sich, daß bei einem Kurzschluß der Maschine und bei sehr kleinem Luftspalt die Ströme der ersten, der zweiten und der f

dritten Phase bei der in der Zeichnung wie der gegebenen Läuferstellung sich der Größe I annähern müssen, da in diesem Falle an keiner Stelle irgendwelche resultierenden Ampere-Windungen am Luftspalt wirksam sind«, Betrachtet man nun die Wirkung, welche durch eine Verdrehung des Läufers jeweils um eine Nutteilung nach rechts erzielt wird, so zeigt sich, defi dreiphasige Kurzschlußströme des in Figur 4 wiedergegebenen Verlaufes erzeugt werden. Wird anstelle des Kurzschlusses ein Belastungswiderstand eingeschaltet, so fällt der Strom unter den Wert I ab, so daß eine resultierende Ampdrewindungszahl bzw. Durchflutung entsteht, welche zu einer Luftspaltinduktion führt, die zur Erzeugung der geforderten Nennspannung notwendig ist» Bei einer anderen Ausführungsform einer dreiphasigen Maschine gemäß der Erfindung wird die Anzahl der Ständernuten auf 48 erhöht, während die Anzahl der

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Läufernuten bei 16 belassen wird. Verfährt man in dieser ■ Weise, so erhält man in etwa die Wirkung eines Generators mit ausgeprägten Polen im Gegensatz zu einem Generator mit verteilter Wicklung,,

Ein hauptsächlicher Nachteil von Maschinen dieser einfachen Bauart ist es, daß der Ausgangsstrom je Imt nicht den Erregerstrom je Nut übersteigen kann, so daß der verfügbare Wicklungsraum im Ständer zu gleichen Teilen zwischen der Erregerwicklung und der Nutzwicklung aufgeteilt werden muß₀ Außerdem ist trotz eines Stromes von 21 in jedem Läuferstab der wirksame erregende Strom nur I„ Aus diesem Grunde sind die Verluste im Läufer und im Ständer größer als bei einer Wechselstrommaschine herkömmlicher Bauart₀ Dieser Nachteil kann jedoch gemäß der Erfindung weitgehend dadurch vermieden werden, daß jeder Läuferstab durch eine Läuferwicklung ersetzt wird, welche die in Figur 5 der Zeichnungen gezeigte Gestelt hato l'igur 6 zeigt einen aus dem Sektor A nach Figur Λ herausgenommenen Ausschnitt eines Generator,⁰·, velcher mit einer Läuferwicklung der vorstehend erwähnten Art ausgerüstet ist«, Die Buchstaben a, b und c in Figur 5 entsprechen den Buchstaben a, b und c in Figur 6« So liegen die Leiter a und b

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gemäß Figur 6 in der Nut, welche vorher nur einen einzigen Leiter enthalten hat und der Leiter c liegt gemäß Figur 6 nunmehr in einer Nut, welche vorher leergelassen worden war. Da wiederum die Gesamtdurchflutung; rechts der Vertikal-Axial ebene im wesentlichen zu Mull werden muß, müssen die Ströme in den einzelnen Läuferstäben wieder die Stärke 21 und die in Figur 6 angedeutete Richtung haben. Man erkennt nun, daß die resultierende Durchflutung, welche sich aus den Läuferströmen und den Ständerströmen ergibt, von Nut zu Nut wechselt, und zwar jeweils von Stromstärke 3Γ mit Eichtung aus der Zeichenebene heraus zu Stromstärke 31 mit Eichtung in die Zeichenebene hinein, wie dies in der Zeichnung ebenfalls angedeutet ist. Sind Nutzwicklungen in den Ständer- · nuten unterzubringen, so hat der Kurzschlußstrom in diesen Wicklungen ungefähr die Stärke von 31 ü β Nut₉ weshalb ein verhältnismäßig großer Anteil des Nutraumes der Ständernuten der Nutzwicklung zugeordnet werden kann. Außerdem wird die resultierende Durchflutung von 31 d© Läufernut mit einem (

maximalen Strom je Läufernut von 41 erzielt, so daß die Leiterstäbe des Läufers besser ausgenützt werden.

Die Läuferwicklung nach Figur 6 der Zeichnungen kann man sich so aufgebaut denken, daß ein Leiterstab A, welcher sich

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der Länge nach durch den Läufer erstreckt, in Reihe mit einer Spule geschaltet ist, die aus den Leiterstäben b und c gebildet ist und welche einen Teil des Läufers entsprechend der Erregungsspule einer 16-poligen Anordnung umschlingt„ Die aus den Leiterstäben b und c gebildete Spule trägt dann nicht zur Aufhebung der erregenden Durchflutung des Ständers bei, wenn sie sich vollständig innerhalb des Sektors A nach Figur 1 der Zeichnungen befindete Als einziger Beitrag zu einer solchen Aufhebung der Durchflutung kann nur jeweils der im Leiterstab a fließende Strom angesehen werden. Die Leiterstäbe b und c sind so gewählt, daß sie der 16-poligen Anordnung entsprechen,,

Aus Obigem ergibt sich, daß eine Vielzahl anderer Möglichkeiten für die Läuferwicklung gegeben» ist„ Zwei weitere Beispiele hierfür sind in den Figuren 7 und 8 der Zeichnungen angegeben,, Gemäß -ö'igur 7 der Zeichnungen ist ein Leiterstab a in Heihe mit einer aus zwei Windungen gebildeten Spule geschaltet, welche ihrerseits aus den Leiterstäben b, c, d und e besteht« Eine solche Wicklung kann genau in derselben Weise in den Nuten des Generators nach Figur 1 der Zeichnungen untergebracht werden, wie die im Zusammenhang mit Figur 6 beschriebene Wicklung« Bei dem Beispiel

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nach Figur 8 der Zeichmingen ist der Leiterstab a einerseits in Reihe mit einer durch eine einzige Windung gebildeten Spule aus den Leiterstäben b und c rechts des Leiterstabes a und andererseits in Reihe mit einer ebenfalls durch eine einzige Windung gebildete Spule geschaltet, die aus den Leiterstäben d und e links des Leiterstabes a aufgebaut ist« In diesem Falle sind die -

Leiterstäbe a, c und e in einer Nut nach Figur Λ der Zeichnungen untergebracht, weiche vorher nur einen einzigen Leiterstab enthalten hatte, während der Leiterstab b .in der vorher leergelassenen Hut rechts der vorher erwähnten Nut und der Leiterstab d in der vorher leergelassenen Nut links der bewußten Nut untergebracht wird. Bei allen der soeben beschriebenen Läufer'vicklungstypen kann Jeweils von der einphasigen Version eine mehrphasige Version abgeleitet \verden, was genauso vor sich geht wie im Falle des Läufers mit einzelnen Leiterstäben_c '

Figur 9 zeigt einen Ausschnitt einer dreiphasigen Maschine mit 4-8 Nuten unter Verwendung des Läuferwicklungsaufbaues nach Figur 5·

Die erfindungsgemäße Wechselstrommaschine wurde bisher der

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Einfachheit wegen als mit einer zweipoligen Erregerwicklung und einer 16-poligen Nutz- bzw«, Ausgangswicklung ausgerüstete Maschine "beschrieben, doch sei darauf hingewiesen, daß es sich hierbei nur um ein mögliches Ausführungsbeispiel handelte Durch Erhöhung der Anzahl der Läufernuten und der Ständernuten kann die Anzahl der wirksamen Läufer— pole erhöht werden und es besteht auch kein Grund dafür, die dargestellte zweipolige Erregung nicht durch eine vierpolige Erregung zu ersetzen. In diesem Falle entstehen vier Kommutierungsbereiche jeweils zwischen vier aktiven Maschinensektoren«, Es ist Jedoch von Vorteil, die Anzahl der Läuferpole im Vergleich zur Anzahl der Erregungspole groß zu machen, da hierdurch der Bogenbereich B verkleinert wird, welcher der Kommutierung vorbehalten werden muß. Ferner sei darauf hingewiesen, daß die Anzahl der Läufernuten und die Anzahl der Ständernuten nicht gleich -zu sein brauchen und außerdem braucht die mehrphasige Ausführung nicht unbedingt eine dreiphasige Ausführung zu sein. Durch eine entsprechende Wahl der Ständernutung können mehrphasige Wutzwicklungen Jeder beliebigen Phasenzahl erhalten werden«,

Bei Gleichstrommaschinensind im allgemeinen zusätzliche Wendepolwicklungen am Ständer vorgesehen, welche die

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Kommutierung der Ankerströme bzw„ Umläuferströme unterstützeno Auch, bei der Wechsel strommaschine nach der Erfindung können zusätzliche Wicklungen verwendet werden, welche in den Bogenbereichen B und B' angeordnet sind und die Kommutierung der Läuferströme unterstützen» Beispielsweise kann die Kommutierung durch zusätzliche Erregerwicklungen beschleunigt werden, welche in figur 10 der Zeichnungen

angedeutet sind und die Ströme I_ führen. ^

Wird die in Figur 7 der Zeichnungen angedeutete Läuferwicklung so abgewandelt, daß sie in der aus den Stäben a, b, c, d und e gebildeten wirksamen Spule mehr als zwei Windungen enthält, so zeigt sich, daß der Strom I_ in der zusätzlichen Erregerwicklung nach Figur 10 der Zeichnungen zur Erzielung einer guten Kommutierung der Läuferströme im Verhältnis zum Haupt-Erregerstrom erhöht werden muß. Dies hat jeweils in dem Maße zunehmend zu geschehen, in welchem die Zahl der { Windungen erhöht wird. Gleichzeitig nimmt die Wirkung der einzelnen Verbindungen zwischen den beiden stirnseitigen Kurzschlußringen ab, wenn die Anzahl der Windungen zunimmt und schließlich können diese Verbindungen, wenn dies wünschenswert ist, weggelassen werden, so daß man zu einer Ausbildung der Läuferwicklung gelangt, welche in Figur 11 der Zeichnungen wiedergegeben ist. Bei dieser Wicklungsart kann die Häupter«

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regung nahezu auf Null verringert werden* Eine Erregerwicklung, welche zur Verwendung in Verbindung mit der Läuferwicklung nach Figur 11 der Zeichnungen geeignet ist, kann aus Figur 12 der Zeichnungen entnommen werden,.

Bisher wurden Maschinen betrachtet, bei welchen Kommutierungssektoren B mit aktiven Bdaschinensektoren A abwechselten,» Es ist jedoch auch möglich, anstelle einer plötzlichen Kommutierung innerhalb des kurzen Bogenbereiches B eine progressive Kommutierung anzustreben, indem die Erregerwicklung entsprechend der Annäherung an eine Sinuskurve verteilt angeordnet ist, wie dies im allgemeinen von einphasigen Wechselstrom-Induktionsmotoren her bekannt ist (siehe hierzu Figur 13 der Zeichnungen, welche !figur 1 der Zeichnungen entspricht)» Werden dann die Nutζwicklungen in entsprechender Weise verteilt angeordnet, so ergibt sich aus dem Bisherigen, daß unter Kurz3chiußbedingungen die Nutströme der Nutzwicklung wiederum den in den einzelnen Nuten fließenden Erregerströmen in etwa entsprechen müssen. Eine Erweiterung auf mehrphasige Maschinen kann wiederum in der vorstehend beschriebenen Weise erfolgen» Auch, können die Läuferwicklungen nach den Figuren 5, 7 un 8 der Zeichnungen in derartigen Maschinen wieder verwendet werden»

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ÖAD OftißiNAL

Figur 14 der Zeichnungen zeigt eine Antriebsmaschine 10, welche einen Generator 11 antreibt, der mit einem Erregerstrom I gespeist wird« Der Generator hat einen mehrphasigen Ausgang, welcher mit einem Gleichrichter 12 verbunden ist, der seinerseits Gleichstrom an eine Belastung R lieferte Der Generator 11 wird durch eine der oben beschriebenen Aunfahrungsformen einer Wechselstrommaschine nach der Erfindung -gebildet« Läuft die Antriebsmaschine 10 mit konstanter Drehzahl und wird der Belastungswiderstand R verändert, so ergibt sich die in !Figur 15 dargestellte Abhängigkeit zwischen der Gleichspannung und dem Gleichstrom, Diese Abhängigkeit entspricht im wesentlichen einer geraden Linie, welche den Leerlaufspannungspunkt mit dem Kurzschlußstrompunkt verbindet. Sowohl die Leerlaufspannung Vqq als auch der Kurzschlußstrom I_OG (siehe Figur 15 der Zeichnungen) sind jeweils zum Erregerstrom proportional» so daß bei einer Erhöhung des Erregerstromes die Maschinencharakteristik f

parallel zu sich selbst verschoben wird, wie dies in Figur 15 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist«, Die Charakteristik entspricht in ihrer Gestalt derjenigen eines Gleichstromgenerators mit gesonderter Erregung, doch beruht bei derartdgen Maschinen der Spannungsabfall bei wachsendem Laststrom auf dem Spannungsabfall am Ankerwiderstand und wenn zu große

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Verluste vermieden werden sollen, so muß der Arbeitspunkt bei voller Last in der Nähe des in Figur 15 angedeuteten' Punktes A liegen.

Im Falle der Generator-Gleichrichterschaltung nach Figur 14 der Zeichnungen beruht die Verringerung der A.usgangsspannung bei zunehmender Last auf vollständig anderen physikalischen Vorgängen und der Spannungsabfall bei zunehmendem Laststrom entspricht keiner starken Vergrößerung der Leistungsverluste in der Maschine« Der Arbeitspunkt mit dem besten Wirkungsgrad liegt für das System nach Figur 14 aus diesem Grunde viel näher bei dem Punkt B nach Figur 16 der Zeichnungen und im Bereich des Arbeitspunktes B erzeugt der Generator im wesentlichen einen Eechteckwellen-3trom_o Ströme in Form von Rechteckwellen ergeben aber eine besonders gute Ausnutzung der .Gleichrichter, insbesondere wenn es sich um Halbleiter-Gleichrichter handelt und außerdem ergibt sich eine wirkungsvollere Ausnutzung des Kupfers in den Generatorwicklungen» Aus Figur 15 der Zeichnungen kann g'edoch entnommen werden, daß ein sehr starker Anstieg der Spannung auf den Wert V_QC erfolgt, wenn die Schaltung in dem Betriebspunkt B betrieben wird und die Last plötzlich abgeschaltet wird« Da dies im praktischen Betrieb sehr leicht vorkommen kann, wäre es notwendig, die Gleichrichter so auszu-

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legen, daß sie dieser hohen Spannung standhalten, was wiederum sehr unwirtschaftlich wäre_o

Der Zweck der nachfolgend beschriebenen Schaltung ist, diesen plötzlichen Spannungsanstieg zu vermeiden, wenn die Last abgeschaltet wird_o Dieses Ziel wird durch die Schaltung nach Figur 16 der Zeichnungen erreicht, in welcher ein Anteil β dieses Lastgleichstromes zu dem konstanten Erregerstrom I hinzugegeben wird_P Die Charakteristik

einer solchen Schaltung läßt sich anhand von Figur 17 erläutern. Die ausgezogene Linie zeigt die Charakteristik des ursprünglichen Systems,wobei angenommen wird, daß die Schaltung in dem Punkt B betrieben wird und sich ein Laststrom Zr und eine Ausgangsspannung Vt ergeben. Da die Leerlaufspannung V_QÖ dem Strom I proportional ist, kann sie folgendermaßen angeschrieben werden:

^V0C - ^Me

In der neuen Schaltung ist also I durch I + β · Γ, ersetzt, so daß der neue Wert der Leerlaufspannung Vqqi welcher nun mit V₀₀ ¹ bezeichnet wird, folgendermaßen lautet:

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8AD ORfQiNAL

Die neue Maschinencharakteristik ist in Figur 17 der Zeichnungen in gestrichelten Linien angedeutet. Ferner gilt:

^V0G

Der neue Wert von VV, welcher mit V-¹ bezeichnet v/ird, läßt sich folgendermaßen aus der Zeichnung ablesen:

οσ

Ferner ergibt sich aus der Zeichnung?

-¹SC

Es ergibt sich schließlich

¹L _Λ ¹T L , I,

¹SC ^χβ ¹SC ' I_e

Nimmt man an, daß

. ^τβ (6)

so ergibt sich, aus Gleichung E, daß Vj-¹ unabhängig von

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- BADORfGlNAL

der Belastung der Spannung V_QC gleich ist, so daß eine plötzliche Trennung von der Belastung keinen Spannungsanstieg mehr verursacht·

Unter diesen Bedingungen ergeben sich dann Zustände in der Schaltung, wie sie in Figur 18 der Zeichnungen als Maschinencharakteristik wiedergegeben sind. Die Spannung ist vom Belastungsstrom vollständig unabhängig. Wenn die Schaltung daher plötzlich kurzgeschlossen würde, was praktisch ebenfalls auftreten kann, so wurden theoretisch unendlich • große Ströme fließen, was ebenfalls zu einer raschen Zerstörung der Gleichrichter führen würdeο Der Schutz gegen Überspannungen wurde also auf Kosten der Gefahr von Überströmen erkauft. Es ist jedoch eine Eigenschaft von Halbleiter-Gleichrichtern, daß sie bei Überspannungen im wesentlichen augenblicklich durchbrechen, von Überströmen jedoch nur dann beschädigt werden, wenn diese Ströme genügend {

lange fließen, so daß sie die Gleichrichter erhitzen,, Eine rasch ansprechende Schutzschaltung kann daher gegen Überströme viel leichter Schutz gewähren als gegen Überspannungen. Aus Gleichung (5) ist ferner zu ersehen, daß man eine Charakteristik entsprechend der in Figur 18 angedeuteten gestrichelten Linie erhält, wenn many?etwas kleiner als den

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$AD ORIGINAL

sich aus Gleichung (6) ergebenden Wert wählt. Nimmt man an, daß die in dieser Zeichnung eingezeichneten Werte V-r und It den Betriebspunkt bei Vollast angeben, so wird eine Schaltung erhalten, bei welcher sich beispielsweise eine zehnprozentige Überspannung bei Leerlauf und das Zehnfache des Laststromes bei Kurzschluß ergeben. In einer solchen Schaltung braucht daher die Spannungsfestigkeit der Gleichrichter nicht über 110 % der Betriebsspannung bei Vollast zu liegen und die erforderlichen Schutzschaltungen können so ausgelegt werden, daß sie genügend rasch ansprechen um den Kurzschlußstrom auf einen Wert zu begrenzen, welcher die Gleichrichter nicht zerstört.

Die Schaltung kann auch mit Vorteil verwendet werden, wo eine mehrphasige Ausgangsspannung zur Speisung von Wechselstrombelastungen dienen soll, wenn ein zu den Belastungs-Wechselströmen proportionaler Strom von diesen durch Gleichrichtung abgeleitet wird.

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Claims (1)

1. Patentansprüche;

   lie] Induktions-Wechsel strommaschine mit einen eine Erregerwicklung und eine Nutzwicklung tragenden Ständer und einem von diesem über einen Luftspalt getrennten Läufer, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer eine Kurzschlußwicklung trägt, in welcher bei gespeister Erregerwicklung durch das von dieser erzeugte Magnetfeld bei rotierendem Läufer Ströme induziert werden, deren Richtung sich jeweils in bestimmten, in umfangsmäßigern Abstand voneinander befindlichen Bereichen (B, B¹) längs des Luftspaltes umkehrt und welche innerhalb des Luftspaltes jeweils in den Bogenbereichen (A, A') zwischen den Umkehrbereichen ein mehrpoliges magnetisches leid erzeugen, das in der Nutzwickiung Ströme induziert·

   2_e Wechselstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferwicklung mehrere, im Abstand voneinander am Läuferumfang angeordnete Leiterstäbe (a, b, c, d, e) aufweist (Figuren 5, 7, 8 und 11),

   3· Wechselstrommaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Leiterstäbe jeweils mit Kurzschlußringen verbunden sind.

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   4_β Wechselstrommaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils Gruppen von Leiterstäben (a, b, c, d, e) zueinander in Reihe geschaltet sind und daß die aus den Leitergruppen gebildeten Reihenschaltungen jeweils an auf gegenüberliegenden Seiten des Läufers befindliche Kurzschlußringe angeschlossen sind (Figuren 5» 7 und 8)„

   5· Wechselstrommmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Gruppen von Leiterstäben zu kurzgeschlossenen Spulen zusammengeschlossen sind (Figur 11).

   6« Wechselstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung derart aufgebaut ist, daß die Leiter am Ständerumfang nach einer Sinusfunktion verteilt sind (figur 13)·

   7. Wechselstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der, der Erregerwicklung zugeführte Gleichstrom einen gleichbleibenden Anteil (I_) und

   einen veränderlichen Anteil ί ß^j) enthält, wobei der veränderliche Anteil proportional der Größe des Stromes (Ij₁)

   ν _β

   in der Nutzwicklung ist,

   8« Wechsel strommaschine nach Anspruch 7% dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Größe des veränder-

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   lichen Anteiles zu der Größe des Stromes in der Nutzwicklung kleiner als das Verhältnis des konstanten Anteiles des Erregerströmes zur Größe des Kurzschlußstromes in der Nutzwicklung bei Erregung allein durch den konstanten Anteil des Erregerstromes ist_o

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