DE2107232C3

DE2107232C3 - Wicklung einer elektrischen Wechselstromasynchronmaschine

Info

Publication number: DE2107232C3
Application number: DE19712107232
Authority: DE
Inventors: Anatolij Iwanowitsch Kiew Antonenko (Sowjetunion)
Original assignee: Insttitut Elektrodinamiki Akademii
Current assignee: Insttitut Elektrodinamiki Akademii
Priority date: 1971-02-16
Filing date: 1971-02-16
Publication date: 1975-01-30
Also published as: DE2107232B2; DE2107232A1

Description

worin W₁, W₂ die Winkelkoordinaten und in eine panze Zahl ist. die die Größe des Winkels zwischen

definiert.

/ ι -t-

den Spulen als Vielfaches von

und daß die Windungszahl der Spulen gegeben sind durch die Beziehung

sowie

-SHi(P₂W-,,-W,..-,) Y

SJn(P₁W_1n-W

s,n _KTr

■ W

■ W

W,

₂
s,n _ρ;τΊτ m

3°

35

40

45

worin

W_1n, W_2n die Windungszahlen der Spulen des

Zweiges /1 sind.

W_nP₁, W„p₂ die Winkelkoordinaten der Achsen des Zweiges /1, bezogen auf die Polpaare P₁ bzw. P₂ in elektrischen Winkeleinheiten sind, und

W die effektive Windungszahl, zugeordnet einem Spulenpaar, ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wicklung einer zwei unterschiedliche Polzahlen umschältbaren laufenden Wechselstrotnasynchronmaschinc mit

Statorumfang verteilt angeordneten Spulen, die

Reihe in Stromzweigen zwischen jeweils einer Zahl

1 Polpaaren P₁, P₂ zugeordneten und zum An-

iluß der Wicklung dienenden Klemmen liegen.

rartig ausgebildete Wicklungen sind aus den deut

60

schen Patentschriften 307 142. 492 313 und 493 88i

bekannt.

Es kann jedoch bei den bekannten Wicklungen vorkommen, daß der Anschluß dieser Wicklungen an eint Wechselspannung, die einer der Polzahlen entspricht zum Entstehen von Ausgleichsströmen führt, derer Stärke über dem Nennstromwert liegen kann. Dies isi dadurch bedingt, daß die resultierenden Achsen dei parallel geschalteten Zweige nicht zusammenfallen Aus diesem Grunde sind die bekannten Wjcklunger Tür Elektromotoren mit Polumschaltung weirig _ge.

eignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Wicklung für elektrische Maschinen der eingang; genannten Gattung zu schaffen, die durch entspre chcnde Wahl der wirksamen Windungszahlen unc durch entsprechende gegenseitige Spulenanordnunj in den Parallelzweigen die Beseitigung der Ausgleich ströme in den Parallelzweifcon der Wicklung gewähr leisten kann, wenn die Wechselsiromsp^üng übe, die Klemmen für die eine oder die andere Pol/ah erfolgt.

Diese Aufgabe wird bei einer Wicklung der ein gangs genannten Art durch die im Patentanspruch genannten kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Die Benutzung der gemäß der Erfindung ausge führten Wicklung bei polumschaltbar Hlekiromo toren ermöglicht die Anwendung von vereinfachter Unischalteinrichtungen.

Die erfindungsgemäße Wicklung läßt gleichzeitig! Speisung über Klemmen Tür verschiedene Polzahler zu und kann deswegen für kontaktlose Umformer kontaktlosc Elektromaschinen-Wechselstromverstär ker sowie für andere Einrichtungen mit zwei Wick lungen für unterschiedliche Polzahlen angewand werden. Die Anwendung der erfindungsgemäß aus gcRihrten Wicklung in den erwähnten Hinrichtung« an Stelle von zwei Wicklungen für verschiedene Pol zahlen ermöglicht es, die Leistung dir-.er Einrichtunger bei gleichen Abmessungen und gleichen Energicvcr lusten zu erhöhen.

Im folgenden wird die Erfindung an Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen nähe erläutert. Davon zeigt

F i g. I Spulenverbindungsschaltung für cine Wick lung mit einem Polzahlverhältnis von 4 : 2.

F~i 2. 2 Schaltbild einer gestreckten Wicklung mi einem"Polzahlverhältnis von 4 : 2 und Diagramme de magnetomotorischen Kraft,

F i g..3 Spulcnverbindungsschaltung für eine Wick lung mit einem Polzahlverhällnis von 6:4.

F~i g. 4 Schaltbild einer gestreckten Wicklung mi einem Polzahlvcrhältnis von 6 : 4 sowie Diagramm* der magnetomotorischen Kraft,

Fig. 5 ein Vektordiagramm der EMK der Spuler einer Wicklung mit einem Polzahlverhältnis von 6:4

Die Wicklung mit einem Polzahlvcrhältnis von 4·.: (Fig. 1 und 2) enthält am Magncllciter verteilte Spu len 1 bis 15, von denen die Zweige a—<7, a—e, α -f b—^ />— _e, h—/, c—</, c—e, c—f gebildet werden, dii mit je einer Ausführung an die einer bestimmt« Polzahl (2P| =2) entsprechenden Klemmen a. h. , und mit anderen Ausführungen an die einer anderer Polzahl (2P₂ =4} entsprechenden Klemmen (/, e. j angeschlossen sind. Die einer bestimmten Polzah entsprechenden Klemmen u, b, c bzw. i/, e, f sind dii Nullpunkte der Schaltung, die der anderen Polzah entspricht.

Pie erfindungsgerrmß ausgeführte Wicklung zeichnet sich dadurch aus, daß der Winkel zwischen den Achsen der in Reihe geschalteten Spulen der Zweige

ungefähr ein Vielfaches von p~₊-p Rad ist. So sind z. B. die Spulen 3 und 7 des Wicklungszweiges a- e mit den Polpaarzahlen P₁ = 1 und P₂ = 2 (Fig. 1

und 2) im Abstand von ^ .τ Rad d. h. von 120' angeordnet. Die andere Besonderheit der Wicklung gemäß ^|0 der Erfindung liegt darin, daß die Windungszahl einer Spule des Zweiges a—e (bzw. a—f, b—d, b—e, c- -d, c—/) dem Sinus des von der Achse der anderen Spule und der Achse dieses Zweiges gebildeten Winkels in elektrischen Grad proportional ist. De^r Proportionalitätsfaktor beträgt in diesem Falle und die Windungszahl der anderen Spule

sin 160
sin 120

= 0.395

und die Windungszahl der Spule 7

sin 40
sin 120

= 0.742 .

für Spule 3:

für Spule 7:

sin 200
sin 12(F-2

= 0.395.

sin (-40 )
~sTnT2Ö -2

= 0.742

"5

. Hierbei bedeutet u den Winkel zwischen den

sin « P/

Achsen der betreffenden Spulen und Pi die Polpaarzahl, nach der das elektrische Gradmaß ermittelt wird.

So bildet z. B. die Achse der Spule⁷ mit der Achse des Zweigesa—e einen Winkel von 40el. Grad (in bezug auf das Feld mit der Polpaarzahl P₁ = 1) und die Achse der Spule 7 einen Winkel von 160el. Grad. Demnach beträgt die Windungszahl der Spule 3

Die effektive Windungszahl des Zweiges ist gleich 1 gesetzt.

In bezug auf das Feld mit der Polpaarzahl P₂ = 2 hat die Achse des betreffenden Zweiges a—e den Koordinatenwert 120°. (Die Klemme wird an die Spannung mit dem Phasenwinkel von 120 angeschlossen).

Dabei bildet die Achse der Spule 3 mit der Achse des Zweiges e—α einen Winkel von 80 — 120 = 40 el. Grad und die Achse der Spule 7 320 - 120 = 200 el. Grad.

In entsprechender Weise werden die Windungszahlen der Spulen bestimmt:

Das angeführte Beispiel zeigt, daß die Windungszahlen der Wicklungsspulen unabhängig von der bei der Berechnung gewählten Polzahl eindeutig bestimmt sind.

Wenn dabei die Achse einer Spule mit der Zweigachse zusammenfällt (Spule 1 in Fig. 1. 2), so ist ihre Windungszahl

sin π

SlIl(I

^sin ° = O
sin a

d.h. derartige Zweige enthalten nur Spulen, deren Achsen mit der Zweigachse übereinstimmen.

Die beschriebene Wicklungsvariante kann bei einem Polzahlverhältnis von 4:2 für eine Nutenzahl ausgeführt werden, die ein Vielfaches von 18 ist. Dabei ist die Technologie ihrer Herstellung dieselbe, wie bei einlagigen Wicklungen.

Bei der Speisung der beschriebenen Wicklung mit Drehstrom über die Klemmen α, b, c, entsteht das zweipolige magnetische Drehfeld, und bei der Speisung über die Klemmen d, e, / baut sich das vierpolige Magnetfeld auf. In F i g. 2 ist ein Diagramm 16 einer zweipoligen magnetomotorischen Kraft für einen Zeitpunkt gezeigt, wenn der über die Klemme »α« fließende Strom maximal ist. Ebenso ist das Diagramm 17 einer vierpoligen magnetomotorischen Kraft für den Zeitpunkt dargesLiit, in dem der Maximalstrom über die Klemme »d« fließt.

Man ersieht daraus, daß die Änderung der Polzahl ohne irgendwelche Umschaltung in der Wicklung und nur durch Anschluß der entsprechenden Klemmen (a, b, c bzw. d, e,f) an das Netz erfolgt.

Eine Variante der Wicklung mit der Polzahl 6:4 (F i g. 3, 4) enthält Spulen 18 bis 41, von denen Zweige a—d, a—e, a—/, b—d, b—e b—/, c—d, c—e, c—f, a—ο, b—o, c—ο gebildet werden, die mit je einer Herausführung an die Klemmen a, b, c angeschlossen sind, die einer Polzahl (2P₁ = 4) entsprechen, und mit anderen Ausführungen an Klemmen d, e, f liegen, die einer anderen Polzahl (2 P₂ = 6) entsprechen. Ebenso wie in der vorher beschriebenen Variante enthält die Wicklung aus zwei Spulen bestehende Zweige, wobei die Spulen ungefähr im Abstand von

"b"2'u Rad angeordnet sind. Zum Beispiel liegen

^rl + ' 2

die Spulen 19 und 39 des Zweiges c—/ (F i g. 3 und 4; in einem Abstand, der nur um 4,17% größer als

~ Rad ist, und zwar im Abstand von 75 anstatt 72

Auf die gleiche Weise, wie bei der beschriebenen Variante, lassen sich die Windungszahl der Wicklung mit den Polzahlen 2P₁ = 4 und 2P₂ = 6 bestimmen

Es soll nun der Zweig c—/ betrachtet werden. Sowohl für eine, als auch für die andere Polzahl bcträgi die Achsexikoordinate dieses Zweiges 240" (die Klemmen c und / entsprechen der Speisespannungspha« von 240°).

Die Koordinaten werte der diesen Zweig bildender Spulen 19 und 39 betragen:

für die Spule 19: 25 Grad,
für die Spule39: 50Grad.

In bezug auf ein Feld mit der Polpaarzahl P₁ = '.

betragen die Koordinatenwerte dieser Spulen 5(

bzw. - 100 el. Grad und bei einem Feld mit der Pol paarzahl P₂ = 3 betragen sie 75 bzw - 15OeL Grad

Die Windungszahlen der Spulen bei Benutzung de

Spulenkocrdinatenwerte für ein Feld mit der Polpaar

zahl P₁ = 2 lassen sich wie folgt bestimmen.

Der Winkel zwischen der Achse der Spule 19 unc der Achse des Zweiges c—/ beträgt 50 - 240

— 190el. Grad, und der Winkel zwischen der Achsi der Spule 39 und der Achse des Zweiges c—/ ist - KK

- 240= -340° = 20el. Grad.

35

Die Windungszahl der Spule 19:

sin 20
sin 75 -2

= 0.684

die Windungszahl der Spule 39:

sin (-190 )
sin 75"-2

= 0,347

In bezug auf die Polpaarzahl des Zweiges c f erhält man 75 -240^Λ = 165 el. Grad und zwischen der Achse der Spule 39 und der Achse des Zweiges c f - 150 240° = - 30 el. Grad.

Windungszahl der Spule 19:

sin (-_30"_)
sin 75"· 3~

= 0.707

Windungszahl der Spule 39:
sin(- 165')

sin

= 0,366 .

Die erhaltenen Werte der effektiven Windungszahlcn entsprechen einer Ausführung von Zweigen mit je einer aus drei Wicklungselcmenten bestehenden Spule, wobei diese Spulen (Spule 18 des Zweiges α d. Spule 26 des Zweiges c -</ und Spule 34 des Zweiges k—d) voneinander im Abstand von 10 geometrischen Grad liegen. Die übrigen Zweige enthalten in diesem Falle je zwei aus zwei Wicklungselementen bestehende Spulen (z. B. die Spule 19 des Zweiges c—f). die voneinander im Abstand von 10" angeordnet sind, sowie Spulen aus einem Wicklungselement (z.B. Spule39 des Zweiges c—f). das von den zwei erwähnten um 75° entfernt liegt.

In Fig. 5 und 6 sind Vektordiagramme der I-.MK von Spulen der beschriebenen Wicklung dargestellt, deren Schaltbilder in F i g. 3 und 4 gezeigt sind. Wie aus diesen Diagrammen ersichtlich ist. beträgt die Phase der im Zweige / mit den Spulen 19 und 39 von den magnetischen Örchfcldem mit einer und mit der anderen Polzahl (2 P, = 4. F i g. 5. bzw. 2P₂ = 6. Fig 6) indzierten elektromotorischen Kräfte 240 .

Die Amplitude der EMK der Spule 19 beträgt 0.684 der F.MK-Amplitbde des ganzen Zweiges c -f. die der EMK-Amplitudeder Spule 18 beim Einwirkendes Feldes mit einer Polzahl von 2 P₁ = 4 gleich ist. und 0,707 der EMK-Amplitudc des ganzen Zweigest·--/ beim Einwirken eines Feldes mit der Polzahl 2P₁ = 6. Bei der Spule 39 betragen die entsprechenden Anteile 0.347 und 0,366.

Die elektromotorischen Kräfte der parallelgcsehaltctcn Zweige sind sowohl bei einer, als auch bei der anderen Polzahl gleich. Dank diesem Umstand lassen ■ ° die gemäß der Erfindung ausgeführten Wicklungen eine Wechselstromspeisung für beide Polzahlcn zu, ohne daß Ausglcichsströmc entstehen. Dies ermöglicht die Anwendung dieser Wicklungen für Frequenzumformer, Wechselstrom - Elcktromaschincnverstärkcr '5 und andere Einrichtungen.

Die Drehstrommotoren mit den beschriebenen Wicklungen haben sechs Ausführungen ebenso wie die Motoren mit Polzahlumschaltung nach Dahlander. Zur Steuerung benötigen sie aber einfachere Umschalteinrichtungen, wie die Motoren mit zwei unabhängigen Wicklungen, da die beschriebenen Wicklungen den Normalbctricb bei der Speisung über Klemmen a. h. c oder d. e, f bei entsprechend offenen Klemmen d. e. I bzw. a. b, c gewährleisten.

Die beschriebene Variante der Wicklung mit einem Polzahlvcrhällnis von 6:4 kann mit einer Nutenzahl hergestellt werden, die ein Vielfaches von 36 ist.

Bei der Speisung der Wicklung mit Drehstrom über die Klemmen«, b. c entsteht ein vierpoliges magnetisches Drehfcld und bei der Speisung über die Klemmen d, c. f baut sich ein sechspoligcs Drehfcld auf.

In F 1 g. 4 ist ein Diagramm 42 einer vierpoligen magnetomotorischen Kraft der Wicklung für den Zcitpunkt dargestellt, wenn der über die Klemmern« fließende Strom maximal ist. das Diagramm 43 für den Zeitpunkt, in dem der Strom gleich Null ist. das Diagramm 44 einer sechspoligcn magnetomotorischen Kraft für den Zeitpunkt, wo der über die Klemme »</« fließende Strom den Maximalwert erreicht, und das Diagramm 45 wenn der Strom gleich Null ist.

Aus dieser Zeichnung ist ersichtlich, daß die Kurven der magnetomotorischen Kraft annähernd sinusförmig verlaufen und während eines Viertels der Spcisespannungspcriode sowohl die »vierpolige« als auch die »scchspoligc« Welle um 90 el. Grad fortge=-hnttcn sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Puterminspruch:

Wicklungeiner auf zwei unterschiedliche Polzah- !en umschältbaren umlaufenden Wechselstrom- »synchronmaschine mit am Statormnfang verteilt angeordneten Spulen, die in Reihe in Stromzweigen zwischen jeweils einer Zahl von Polpaaren P₁, P₂ zugeordneten und zum Anschluß der Wicklung dienenden Klemmen Hegen, dadurchgekenn- ^|0 zeichne t, daß mindestens ein Stromzweig («—e) aus zwei oder mehr Spulen (3 + 7) gebildet ist, die paarweise in Umfangspositionen angeordnet sind, deren Winkelkoordinaten bezüglich einer beliebigen, aber Für alle Spulen gleichen Radialebene ¹S mindestens näherungsweise bestimmt sind durch die Beziehung