DE2416721A1

DE2416721A1 - Drehzahlumschaltbare dreiphasen-wechselstrommaschine zur verwendung als motor oder generator

Info

Publication number: DE2416721A1
Application number: DE2416721A
Authority: DE
Inventors: Alexander Richard Wil Broadway; William Fong; Gordon Hindle Prof Rawcliffe; Bristol Westbury-On-Trym
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1973-04-13
Filing date: 1974-04-05
Publication date: 1974-10-24
Also published as: SE401298B; FR2225875B1; IT1011740B; JPS5052508A; FR2225875A1; DD112192A5; US3927358A

Description

PtafenfanWalfe
Dipl,-lnp. Werner Beyer

Dipl.-Wirtcch.-lng. Bernd Joche*

6 FRANKFURT/M., Staufenötr. 36,IL 2 Λ 1 6 7 2 1

In Sachen:

NATIONAL HESEA2CH
DEVELOPMENT CORPORATION

Drehzahluirschaltbare Dreiphasen-Wechselstrorcmnnchine zur Verwendung als Motor oder Generator

Die Erfindung betrifft eine drehzahlumschaltbare Dreiphasen-Wechselstrommaschine zur Verwendung als Motor oder Generator mit einer aus drei Phasenwicklungen bestehenden Ständerwicklung in einer eine erste Betriebspolzahl bestimmenden Auslegung, welche nach der Methode der Polamplitudenmodulation auf eine zweite Betriebspolzahl umschaltbar ist, wobei diese Wicklungsauslegung eine Polamplitudenmodulationswelle am Umfang einer jeden Phasenwicklung bestimmt, die Pole in jeder zweiten Halbwelle dieser Modulationswelle zur Schaffung der zweiten Betriebspolzahl in ihrer Polarität umgekehrt werden und die die Pole der ersten Betriebspolzahl liefernde Spulengruppenverteilung in den Phasenwicklungen im wesentlichen in gleichen Winkelabständen angeordnete Spulengruppen von aufeinanderfolgend sich angenähert in sinusförmiger Acplitudenverteilung innerhalb jeder Polamplitudenmodulations-409843/0154

welle ändernder Amplitude enthält.

Die Methode zur Schaffung alternativer Betriebspolzahlen durch Polamplitudeiunodulation ist bekannt aus den druckschriftlichen Veröffentlichungen von Professor G.H. Rawcliffe und anderen, von denen eine erste unter dem Titel "Induction motor speed changing by pol amplitude modulation" in den Tätigkeitsberichten (proceedings) der britischen Gesellschaft TEE INSTITUTION OP ELECTHICAL IKGIKEERS, Band 105, Teil A, Fr. 22, August 1958 und eine zweite unter dem Titel "Speed changing induction motors - further developments in pol amplitude modulation" in den gleichen Tätigkeitsberichten, Band 107, Teil A, Kr. 36, Dezember 1960 veröffentlicht worden ist.

Das Verfahren ist weiterhin beschrieben und umrissen worden in den GB-PSen 900 600, 926 101, 986 384-, 968 988, 986 379* 988 726, 1 133 062, 1 152 ^99 und anderen, von denen die erste der DT-PS 1 256 312 entspricht.

Die der GB-PS 900 600 entsprechende DT-PS 1 256312 offenbarte zum Zwecke der Drehzahl- bzw. Polumschaltung "symmetrische" Polamplitudeninodulationswicklungen, wobei zwei Polzahlen vorgesehen sind, von denen keine ein Vielfaches von "drei" ist. Die dort beschriebenen Ständerwicklungen sind für jede Phase identisch, und es besteht folglich keine Möglichkeit, daß darin für die eine oder andere Polzahl ein Ausgleichsfehler auftritt .

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Die in der DT-PS 1 256 312 beschriebenen Wicklungen sind von zweierlei Art: Die erste Art
ist in der dortigen Tabelle 1 in den (a) bis (d) uberschriebenen Spalten erläutert, die zweite Art in den mit (e) bis (d) überschriebenen
Spalten,

Die erste Wicklungsart basiert auf einer Wicklung, die anfänglich gleichförmig verteilt ist und von welcher bei Modulation gewisse Spulen
(in regelmäßigen Abständen) ausgeschlossen werden. Die zu diesem Zweck benutzte Schaltung ist in den Pig. 11 (a) und 11(b) der Patentschrift gezeigt. Diese Wicklungs- und Schaltungsart wird gegenwärtig selten benutzt und deshalb in folgenden nicht weiter berücksichtj srt.

O '

Aufgabe der Erfindung ist es, eine drehzahlumschaltbare DreiOhasen-Wechselstronmaschine der

art
eingangs genannten Art mit einer Wicklungs nach den Spalten (e) bis (g) in der Tabelle am Ende der Beschreibung der DT-PS 1 256 312 zu verbessern. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die eingangs genannte Spulengruppenverteilung in den dort erwähnten Winkelabständen zu den benachbarteil Spulengruppen
angeordnete Spulengruppenorte mit Null-Spulengruppen umfaßt, die im wesentlichen an den NuIldurchgängen der sinusförmigen Amplitudenverteilung der Modulationswelle liegen.

Nach einem ersten Merkmal zur· vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Ständerwicklung Spulengruppenorte auf, welche symmetrisch

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zum 180°-Punkt der sinusförmigen Hodulationswelle angeordnet sind. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn cüe erste Polzahl durch "4-" teilbar ist und daß' eine Spulengruppe mit der höchsten Windungszahl an jedem Scheitelwertort der sinusförmigen Kodulationsv/elle liegt und Full-Spulengruppen an Jedem Nulldurchgang dieser Welle angeordnet sind. Eine derart ausgestaltete Dreiphasen-Wechselstrommaschine für wahlweise achtpoligen und zehnpoligen Betrieb zeichnet sich dann zweckmäßig dadurch aus, daß die Ständerwicklung Spulengruppen mit untereinander gleichen Windungszahlen aufweist, die Jedoch geringer sind als die Windungε?ahlen der Spulengruppen an den Scheite'lwertorten der Polanplitudemnodulationswelle und bei 4-5°, 135°, 225° und *15° dieser Welle liegen.

Alternativ zur vorerwähnten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Ständerwicklung auch Spulengruppenorte aufweisen, welche unsymmetrisch zum 180°-Punkt de? sinusförmigen liodulationswelle verteilt si&Ci» In diesem Falle ist die erfindungsgemäße Machine dann derart ausgebildet, daß einige der :3p Ul engrupp enor te genau mit den Nulldurchgängei'. öder den Scheitelwerten der sinusförmigen ModrJätionswelle zusammen fallen und die Null-Spulengrr.ppen in Orten niedriger Amplitude dieser Welle entsprechen. Sofern eine solche Maschine wahlweise für achtpoligen und zehnpoligen Betrieb ausgeführt werden soll, zeichnet sie sich dann zweckmäßig weiterhin dadurch aus, daß die Null-Spulengruppenorte nur um einen geringen Winkel gegenüber den NuIl-

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durchgängen der sinusförmigen Modulationswelle versetzt angeordnet sind und dazwischen drei im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnete Spulengruppen vorhanden sind, von denen eine ^ede eine andere Windungszahl als die anderen beiden besitzt.

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Zum besseren Verständnis der Erfindung und der Erleichterung ihrer praktischen Ausführung werden nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung zwei Ausführungsformen erläutert, die beide das Prinzip der Erfindung in Anwendung auf eine 8-Pol-/iO-Pol-Maschine mit einer achtpoligen Wicklungsauslegung veranschaulichen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm der Spulengruppierung einer 8-Pol-/10-Pol-Wicl:lung in 60 Huten, konstruiert nach der DT-PS 1 256 312,

Fig. 2 ein ähnliches Diagramm der Spulengruppierung einer 8-P0I-/IO-P0I-Wicklung in 60 Nuten gemäß der Erfindung ,

Fig. 3 ein Wicklungsscbc'Tia einer 8-P0I-/ 10-Po!-Wicklung in 16 Nuten gemäß der Erfindung,

Fig. 4- ein Diagramm der Spulengruppierung einer e-Pol-ZiO-Pol-Wicklung in 72 Nuten, konstruiert gemäß der DT-PS 1 256 312,

Fig. 5 ein ähnliches Diagramm mit der Spulengruppierung einer 8-P0I-/IO-P0I-Wicklung gemäß der Erfindung und

Fig. 6 ein Wicklungsschema einer 8-P0I-/ 10-Pol-Wicklung in 72 Nuten gemäß der Erfindung.

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In der DT-PS 1 256 312 wurde angenommen, daß die Spulengruppierung einer jeden Phasenwicklung "Symmetrisch innerhalb jedes Bereich=- von 180° der Polamplitudenmodulationswelle für die Phasenwicklung mit bezug auf den Mittelpunkt dieser Welle ist. Diese Annahme ergibt schwerwiegende Beschränkungen für die Spulengruppierung und die Eigenschaften der Wicklung.

Denn eine auf 60 Nuten verteilte δ-ΡοΙ-,/ΙΟ-ΡοΙ-Amplitudenmodulationswicklung (P.A.K.-Wicklung) wie die Wicklung (e) in Tabelle 1 der vorgenannten Patentschrift kennte beispielsweise gercäß der darin enthaltenen Lehre gruppiert werden zu 2-3-3-2—2-3-3-2 pro Phase oder 1-4_ώ~1—1-4-4-1. Die Gruppierung 2-3-3-2 ist verhältnisgleich zu 1-1 ■=>—1 ^—Λ

Die Figuren 1 und 2 sowie 4 und 5 äer Zeichnung enthalten Diagramme, welche eine Phasenwicklung einer 3-Pkasenmaschine wiedergeben und eine Periode einer sinusförmigen Polamplit-adenwelle zeigen, die sich entlang des Uisfangs dieser Phasenwicklung erstreckt. Die vertikalen Linien, welche die idealen Orte der" S^ulengruppen gemäß der achtpoligen Auslegung <Li-X Stellen, haben einen Abstand von 360/N Grad, d.Ö* 45°. Die Winkellage der Spulengruppenorte innererIb der sinusförmigen Modulationswelle können, wi^ erkannt worden ist, gemäß dem Grundprinzip der vorliegenden Erfindung geändert werden,obgleich dabei der ideale Winkelabstand zwischen den Spulengruppen ungeändert · bleibt.

Die Höhe der senkrechten Linien variiert aufeinanderfolgend gemäß der sinusförmigen Wellen-

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BAD ORIGINAL

— ο —

form. Die "Ideal"-Werte genäß der eingezeichneten Sinuswelle und gemäß der gewählten Winkellagen der Spulengruppen innerhalb dieser Sinuswelle sind in der ersten Zeile unter dem Diagramm angegeben. Die "wirklichen" Werte gemäß der beschriebenen praktischen Spulengruppierung sind in der zweiten und der nachfolgenden Zeile aufgetragen.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung, wie in der DT-PS 1 256 312 beschrieben, in welcher die Spulengruppenorte (acht Pole) einen Abstand von 45° besitzen und innerhalb der Halbwellen der Modulationswelle symmetrisch zum Nulldurchgang der Sinuskurve bei 180 angeordnet sind.

Die ideale Spulengruppierung zur Schaffung einer sinusförmigen Polamplitudenverteilung für die gezeigten symmetrischen Polorte würde 1-2,42-2,42-1 usw. sein. Die gegebenen praktischen Spulenverteilungen entsprechend entweder "1,5" oder "4,0" sind jeweils weit entfernt von dem Idealwert von "2,42".

Es ist nun festgestellt worden, daß es möglich ist, an jedem Spulengruppenort, der mit einem Nulldurchgang der sinusförmigen.Polamplitudenmodulationswelle zusammenfällt oder dieser nahe ist, eine Phantom-Spulengrüppe anzuordnen. Weiterhin ist es zulässig, die Modulations-Sinuskurve und die Spulengruppenorte derart relativ zu verschieben, daß ein Spulengruppenort im wesentlichen mit einem Nulldurchgang der Sinuskurve zusammenfällt.

Mit einer "Phantom"-Spulengruppe ist eine

Null-Zahl von Windungen an einem Spulengruppen-409843/0854

~ Q —

ort gemeint. Mit anderen Worten, solche Spulen-•gruppen sind dadurch weggelassen, daß keine Spulen (Windungen) an solchen Orten vorhanden sind. Mit "im wesentlichen mit einem ITulldurchgang" ist eine Winkellage gemeint, für welche der Sinuswert klein ist, und "2IuIl" ist eine Annäherung. Las vorerwähnte Wort "im wesentlichen" schließt fraglos einen Winkelversatz von 5 wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. ein.

Eine derartige Anordnung ist im Diagramm nach Fig. 2 gezeigt, woraus klar' hervorgeht, daß die tatsächliche Spulengruppierung (Windungszahlen in den aufeinanderfolgenden Spulen von 3-4-3-0—3-4-3-0 proportional zu 1-1,35-1,0 usw) und die ideale Spulengruppierung (1-1,41-1-0 usw.) sehr nahe beieinander liegen.

Diese Spulengruppierung, d.h. also diese Windungszahlen in den einzelnen Spulen oder Spulengruppen bedeutet, daß sich die Ausführung dichter dem Ideal nähert und daß der Oberwellengehalt der magnetomotorischen Kraft stark vermindert ist. Auch tritt der praktische Vorteil hinzu, daß diese 8-Po1-/10-PoI-P.A.M.-Wicklung nur 18 Spulengruppen (aus η Windungen bestehende Spulen) insgesamt besitzt, d.h. sechs pro Phase und nicht acht pro Phase. Die Herstellung der Spulen und die Ausführung der Stirnverbindungen wird dadurch vereinfacht.

Ein Wicklungsschema für eine auf 60 Nuten verteilte 8-P0I-/IO-P0I-Wicklung mit einer derartigen Spulengruppierung ist in Fig. 3 wiedergegeben. Der Wickelschritt beträgt durchweg 409843/0854

sechs Nuten, d.h. von Nut 1 nach Nut 7 usw.

Es ist noch ein weiterer Vorteil gegeben, der sich grundsätzlich bei solchen Wicklungen dahingehend auswirkt, daß die Wicklungsfaktoren nahezu gleich sind (I₈ = 0,874 und I₁₀ = 0,862) und das Verhältnis der Luftspaltinduktionen demzufolge 0,958 beträgt. Dies muß als sehr günstig gegenüber dem Wert 0,78 für die bekannte Ausführungsform einer 8-P0I-/IO-P0I-P.A.M.-Wicklung in 60 Nuten nach Pig. 1 angesehen werden. Der geringere Wert für das Verhältnis Bo/B^q der Wicklung nach Pig. 1 bedeutet, daß der Wirkungsgrad des Motors bei der höheren Drehzahl niedriger ist, vährend er normalerweise dann größer sein sollte.

Die in Fig. 2 gezeigte Spulengruppierung besitzt noch ein gewisses Ausmaß an räumlicher Symmetrie, indem die Spulen noch symmetrisch zu der Phantom-Spulengruppe am 18O°-Spulengruppenort angeordnet sind.

Ein weiter Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß die Spulengruppenor-be und die sinusförmige Modulationswelle relativ verschoben

■w

sein können, um zu ermögliche:·¹5 daß Spulengruppenorte im wesentlichen mit den Killdurchgängen der sinusförmigen Modulationswr?.*- .3 zusammenfallen, d.h. mit den Stellen niedrig-r Amplitude dieser Welle zusammenfallen, wo diese Werte unter 10% des Scheitelwertes liegen, ohne daß ein Erfordernis dafür besteht, daß die Spulengruppenorte symmetrisch zu den 180°-Punkten der Sinuswelle liegen.

Es sei als weiteres Beispiel eine 8-P0I-/IO-P0I-P.A.M.-Wicklung in 72 Nuten betrachtet. Gemäß dem

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bekannten Grundgedanken nach der DT-FS 1 256 317 ■würde diese Wicklung gruppiert werden zu 2-4-4-2—2-4-4-2, was proportional zu 1-2-2-1 usw. ist, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. In diesem Fall stellt der Wert "2,0" schon eine bessere Annäherung zu dem Idealwert von"2,42" dar, als die entsprechenden Werte für die 60-lTutenwicklung. Die vorliegende Erfindung schafft jedoch einen neuen und besseren Weg zur Herstellung einer 8-Fo1-/10-PoI-P.A.M.-Wicklung in 72 Nuten, welcher nun erläutert wird.

Es ist möglich, die Spulen in vollständig schiefer Weise· über jede 180° der Modulationswelle zu gruppieren. Die Anzahl der Spulen pro Gruppe kann dan proportional zu sin. sin*(45 +CsZ-), sin.(90+<y£) und (135+0<Q gemacht werden, wenn dies eine dichtere Annäherung erbringt. Durch Aufstellung einer einfachen Tabelle dieser Werte für einen kleinen Bereich der Werte des Winkelversatzes wird klar, daß ein Wert vono^= 5° Relativwerte für die Spulengruppierung bildet, die sehr nahe an 0-4-5-3—0-4-5-3 liegen.

Wie in Fig. 5 gezeigt, sind die numerischen Werte für o£ = 5° proportional zu 0,44-3,83-5-3,22.

Wie durch die tatsächlichen Zahlen in der untersten Reihe der Fig. 5 veranschaulicht ist, sind die Null-Spulengruppen an Spulengruppenorten im wesentlichen an den Nulldurchgängen der sinusförmigen Modulationskurve gelegen und befinden sich hier an Stellen, an denen die numerischen Werte 0,44 im Verhältnis zu einem Scheitelwert von 5jO betragen. "Im wesentlichen an den Null durchgängen"

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bedeutet in diesem Fall an Winkelstellen, die um 5° gegenüber den Nulldurchgängen versetzt sind. Die anderen drei Spulengruppenorte in Jeder Halbwelle sind Jeweils dargestellt durch eine verschiedene Spulengruppierung (Windungszahl), wobei die Werte "A-", "5" und "3" Windungen pro Gruppe (Spule) bedeuten.

Diese Anordnung erhält den praktischen Vorteil aufrecht, nur 18 Spulengruppen in der gesamten-Wicklung zu haben. Weiterhin betragen die Wicklungsfaktoren I₈ = 0,863 und I₁₀ = 0,856, und das Luftspaltinduktionsverhältnis Bg / B^q - 0,97. Dieser letzte Wert ist weitaus befriedigender als der Wert 0,855j der mit einem Motor nach Fig. 4 erhalten wird.

Ein Wicklungsschema einer 8-P0I-/IO-P0I-P.A.M.Wicklung in-72 Hüten ist in Fig. 6 gezeigt. Die außerordentliche Einfachheit der Wicklung und die dadurch erhaltenen hervorragenden Wickeldaten gehen klar aus dem Wickelschema hervor. Für die Wicklungen sowohl nach Fig. 3 wie nach Fig. 6 wurden Analysen der magnetomotorischen Kraft für beide Polzahlen durchgeführt, und die Ergebnisse hiervon waren sehr befriedigend.

Die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung sind nicht mar auf S-Pol-ZiO-Pol-Maschinen anwendbar, sondern allgemein auf Maschinen, bei denen keine der beiden Polzahlen ein Vielfaches von "3" ist und drei Phasenwicklungen identisch sind.

Der Grundgedanke der Erfindung ist als besonders verwertbar für 14-Po1-/16-PoI-Kaschinen und für

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Vielfache der 8-Po1-/10-PoI-Wicklung, beispielsweise eine IG-Pol-z^O-Pol-Wicklung anzusehen. In jedem Falle bestimmt die erste Polzahl die Wicklungsauslegung.

Ansprüche /

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Claims

Ansprüche

: Ι."} Drehzahiumschaltbare Dreiphasen-Wechselstrüihimschine zur Verwendung als Motor oder Generator mit einer aus drei Phasenwicklungen bestehenden Ständerwicklung in einer eine erste Betriebspolzahl bestiinmenden Auslegung, welche nach der Methode der Polampiitudennoiulation auf eine zweite Betriebspoizahl umschaltbar ist, wobei diese Wicklungsauslegung eine Polamplitudemnodulationswelle an.Umfang einer jeden Phasenwicklung bestimmt, die Pole in jeder zweiten Halbwelle ihrer Kodulationswelle zur Schaffung der zweiten Betriebspolzahl in ihrer Polarität umgekehrt werden und die die Pole der ersten Betriebspolzahl liefernde Spulengruppenverteilung in den Phasenwicklungen im wesentlichen in gleichen Winkelabständen angeordnete Spulengruppen von aufeinanderfolgend sich angenähert in sinusförmiger Amplitudenverteilung innerhalb jeder Polamplitudenmodulationswelle ändernder Amplitude enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Spulengruppenverteilung in den vorerwähnten Winkelabständen zu den benachbarten Spulengruppen angeordnete Spulengruppenorte mit Null-Spulengruppen umfaßt, die im wesentlichen an den Fulldurchgängen der sinusförmigen Amplitudenverteilung der Modulationswelle liegen.
2. Dreiphasen-Wechselstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklung Spulengruppenorte aufweist, welche symmetrisch zum 180°-Punkt der sinusförmigen Modulationswelle angeordnet sind.

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3. Drehstrom-Wechselstromiaaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennze ich η et , daß die erste Polzahl durch "4-" teilbar ist und daß eine Spulengruppe mit der höchsten Windungszahl an jedem Scheitelwertort der sinusförmigen Modulationswelle liegt und Null-Spulengruppen an jedem Kulldurchgang dieser Welle angeordnet sind.
4-, Dreiphasen-Wechselstromiraschine nach Anspruch 3 für -wahlweise achtpoliren und zehnpoligen Betrieb, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklung Spulengruppen mit untereinander gleichen Windungszahlen aufweist, die jedoch geringer sind als die Windungszahlen der Spulengruppen an den Scheitelwertorten der Polampiitudensodulationswelle und bei 4-5°, 135°, 225° und 315° dieser Welle liegen.
5. Dreiphasen-Wechselstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ständerwicklung Spulengruppenorte aufweist, welche unsymmetrisch zum 180°-Punkt der sinusförmigen Modulationswelle angeordnet sind.
6. Dreiphasen-Wechselstrommaschine nach Anspruch 5) dadurch gekennzeichnet , daß einige der Spulengruppenorte genau mit den Nulldurchgängen oder den Scheitelwerten der sinusförmigen Modulationswelle zusammenfallen und die Null-Spulengruppen in Orten niedriger Amplitude dieser Welle entsprechen.

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7. Dreiphasen-Wechselstroronaschine nach Anspruch 6 für wahlweise achtpoligen und zehnpoligen Betrieb, dadurch gekennzeichnet , daß die Null-Spulengruppenorte nur um einen geringen Winkel gegenüber den Ifulldurchgängen der sinusförmigen Modulationswelle versetzt angeordnet sind und dazwischen drei im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnete Spulengruppen vorhanden sind, von denen eine jede eine andere Windungszahl als die anderen beiden besitzt.

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