DE2629642B2 - Polumschaltbare Dreiphasenwicklung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine polumschaltbare Dreiphasenwicklung mit Wicklungssträngen, jeweils bestehend aus gleichwertigen Wicklungszweigen, von denen eine Anzahl als Grundwicklungszweige sowohl bei der einen Polpaarzahl als auch bei der anderen Polpaarzahl stromführend ist und die restliche Anzahl der Wicklungszweige als Nullzweige bei einer der Polzahlen wirkungslos ist, wobei die Grundwicklungszweige für die Polpaarzahl, bei der die Nullzweige wirkungslos sind, zu je einem Drittel allen drei Wicklungssträngen zugeordnet sind.

Eine derartige polumschaltbare Dreiphasenwicklung ist aus der DE-AS 10 98 600 bekannt. Diese bekannte Dreiphasenwicklung ist im Verhältnis 3:1 polumschaltbar, wobei in der ersten Polzahlstufe nur zwei Drittel der Spulen und in der zweiten Polzahlstufe mit der durch Drei teilbaren Polpaarzahl alle Spulen stromführend sind. Ferner sind die drei Wicklungsstränge der in beiden Polzahlstufen wirksamen Grundwicklungszweige nicht phasengleich und damit nicht gleichwertig. Es liegen nämlich bei der

Erstpolzahl jeweils zwei 40 breite und damit auch um 40 versetzte Abschnitte vor, die in der Zweitpolstufe mit dreifacher Polzahl auf 120 aufgespreizt werden und dann zu zwei verschiedenen Phasen gehören.

Vergleichbare Dreiphasenwicklungen sind außerdem aus der DE-OS 23 32 769, insbesondere den Fig. 17 und 19 bekanntgeworden, bei denen für 4/6- bzw. 8/6polige Dreiphasenwicklungen mit nur sechs Anschlußpunkten in der einen Polzahlstufe nur drei Viertel aller Spulen wirksam sind. Die restlichen Spulen bilden die besagten Nullzweige. Die in beiden Polzahlstufen wirksamen Grundwicklungszweige sind in Dreifachstern mit getrennten Mittelpunkten geschaltet. Die Nullzweige sind an die zusammengefassten Enden der Grundwicklungszweige parallel oder in Reihe angeschlossen. Bei Reihenschaltung der Nullzweige ergibt sich bei einer 4/6poligen Dreiphasenwicklung im 4poligen Betrieb ein stark oberwellenhaltiges Drehfeld mit ausgeprägten Subharmonischen und geradzahligen Oberfeldern. Durch solche Oberfelder wird das Betriebsverhalten ungünstig beeinflusst, wobei insbesondere bei Asynchronmaschinen mit relativ kleinem Luftspalt Geräusche, Schwingungen, Oberwellenmomente oder Wellenspannungen als parasitäre Effekte in Erscheinung treten können.

Bei den bekannten Dreiphasenwicklungen, bei denen die Polumschaltungen auf einer vertauschten Strangzuordnung einzelner Wicklungszweige beruhen. Ist eine Anpassung der bei den beiden Polzahlen wirksamen effektiven Windungszahlen nur durch eine Sehnung der Spulen im relativ beschränktem Maße möglich, die stets eine Beeinträchtigung der Feldkurvenform ergibt. Außerdem entspricht die bezüglich der Feldform günstigste Spulenweite meist der Polteilung für die höhere Polzahl.

Gegenstand einer nicht vorveröffentlichten eigenen älteren Patentanmeldung (DE-AS 25 06 573) ist eine polumschaltbare Dreiphasenwicklung mit sechs Anschlußpunkten und Polzahlverhältnissen aus geradzahligen Werten geteilt durch ganzzahlige Vielfache von Drei, bei der das Aufteilungsverhältnis der Grundwicklungszweige zu den Nullwicklungszweigen wie bei einer Dreiphasenwicklung nach der DE-OS 23 32 769 einen festen Wert von G:N = 3:1 hat und die Grundwicklung in Dreifachstern Dreifachstern geschaltet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem eigenen älteren Vorschlag und dem Stand der Technik mit einfachen Umschalteinrichtungen eine polumschaltbare Dreiphasenwicklung zu schaffen, die Polpaarzahlverhältnisse p[tief]1 : p[tief]2 aus beliebigen nicht durch Drei teilbaren Zahlenwerten im Zähler und Vielfachen von Drei im Nenner bei größeren Aufteilungsmöglichkeiten für Grund- und Nullwicklungszweige erlaubt, und die auch für sehr große Polzahlspreizungen geeignete Schaltungsmöglichkeiten ergibt, ohne Beeinträchtigung der Feldsymmetrie durch freizügige Anpassung der effektiven Windungszahlen in beiden Polzahlstufen unter Verwendung einfacher, konventionell ausgebildeter und weitgehend gleicher Spulen, so dass in beiden Drehzahlstufen eine zumindest weitgehende Feldsymmetrie erreicht und damit innere Ausgleichströme sowie geradzahlige und subharmonische Feldoberwellen möglichst vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einer polumschaltbaren Dreiphasenwicklung der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, dass bei einer polumschaltbaren Dreiphasenwicklung für ein gebrochenes Polpaarzahlverhältnis von Erst- (p[tief]1) und Zweitpolpaarzahlen (p[tief]2) gemäß p[tief]1 : p[tief]2 (3m:1):3n mit p[tief]2 3n, wobei m und n positive ganze Zahlen sind, die Aufteilung in die G-Grundwicklungs- und die N-Nullzweige gemäß der Beziehung bei gleich der für die Erstpolzahl 2p[tief]1 erforderlichen gleichwertigen Wicklungszweige je Wicklungsstrang erfolgt, wobei t ein ganzzahliger Teiler der Erstpolzahl ist und G durch die Zahl Drei teilbar ist.

Als technischer Fortschritt ergibt sich damit eine größere Freizügigkeit in den ausführbaren Poplpaarzahlverhältnissen (z.B. 3:5, 5:6, 6:7, 7:8 usw., die bisher in dieser Form nicht möglich waren) bei vielfältigeren Aufteilungsmöglichkeiten für die Grundwicklungs- und Nullzweige (d.h. auch andere Verhältnisse als z.B. G:N = 2:1 oder 3:1) sowie mannigfaltige Schaltungsmöglichkeiten auch für große Polzahlspreizungen.

Eine Ausgestaltung der Erfindung gelingt nach Anspruch 2 dadurch, dass die bei der Erstpolzahl 2p[tief]1 zu einem aus gleichphasigen Wicklungszweigen gebildeten Wicklungsstrang gehörenden Spulen hinsichtlich ihrer Phasenlage bei der durch Drei teilbaren Zweitpolzahl 2p[tief]2 lückenlos und überlappungsfrei auf die gesamte Peripherie des Spulenseitensterns aufgefächert sind. Während dies für Polzahlverhältnisse vom Typ >>geradzahlig:ungeradzahlig<< beüblichen Wicklungsanordnungen mit Zonenbreiten
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3 der Fall ist, müssen sich hierfür bei einem doppelt ungeradzahligen Polzahlverhältnis die Wicklungszonen bei der Erstpolpaarzahl p[tief]1 über einen Erstreckungsbereich von 2 kleines Pi 3 erstrecken. Hierzu kann man Dreizonenwicklungen oder eine solche Strangverschachtelung nach Anspruch 7 vorsehen, dass bei Zonenbreiten von kleines Pi 3 der Grundwicklungs- und Nullzweigzonen ein auf 2 kleines Pi 3 verdoppelter Erstreckungsbereich erreicht ist.

Eine Dreiphasenwicklung mit gleichphasigen Wicklungszweigen kann gemäß Anspruch 3 so aufgebaut sein, dass im Spulenseitenstern für die Zweitpolpaarzahl p[tief]2 = 3n die von den bei p[tief]1 = 3m:1 jeweils einen Strang bildenden Grundwicklungszweigen belegten Grundwicklungszonen eine Gesamtbreite von kleines Phi elektrisch und die jeweils dazwischenliegenden, von den Nullzweigen belegten Nullzweigzonen eine Gesamtbreite von kleines Psi elektrisch aufweisen mit kleines Phi:kleines Psi = G:N und kleines Phi + kleines Psi = 2 kleines Pi/3. Es liegt hierbei im Spulenseitenstern für p[tief]2 = 3n eine dreiachsig symmetrische Zonenanordnung vor. Für den praktischen Entwurf einer Wicklung ist der Spulenseitenstern bzw. der Zonenplan für p[tief]2 = 3n ein wichtiges Hilfsmittel, um die Zuordnung der Spulen zu den einzelnen Zweigen vornehmen zu können.

Die Grundwicklungs- und Nullzweigzonen können gemäß Anspruch 4 ineinander verschachtelt sein.

Die Verschachtelung kann nach Anspruch 5 dabei so vorgenommen sein, dass die verschachtelte Grup- pierung des Spulenseitensterns aus k 2, 3, gegenseitig versetzten Elementargruppierungen zusammengesetzt ist, wobei eine jede Elementargruppierung aus in Abständen von jeweils k Sektorteilungen aufeinanderfolgender Elementarsektoren gebildet ist, von denen jeweils G Elementarsektoren der gleichen Grundwicklungszweigzone und N Elementarsektoren jeweils der Nullzweigzone angehören.

Unter Elementargruppierung ist die bei der Mindestnutzahl insgesamt vorhandene Wicklungsaufteilung in Grundwicklungs- und Nullzweige hinsichtlich ihrer Phasenlage im Spulenseitenstern für p[tief]2 = 3n zu verstehen. Die bei k-facher Nutenzahl möglichen Strangverschachtelungen erhält man durch Zusammenfügen von k gegenseitig versetzten Elementargruppierungen. Entsprechend der k-fachen Nutenzahl umfasst jede Elementargruppierung somit nur jeden k-ten Strahl des Spulenseitensterns, der damit seinerseits nur einen Elementarsektor mit 1/k-fachen Öffnungswinkel repräsentiert.

Da die Erfindung von einer konventionellen Wicklungsverteilung bei der Erstpolpaarzahl ausgeht, liegen bei dieser auch völlig symmetrische Verhältnisse vor, und zwar unabhängig von der gewählten Spulenweite. In der zweiten Polzahlstufe bei der Zweitpolpaarzahl sind dagegen die Grundwicklungszweige allein wirksam. Aufgrund ihrer dreizonigen Wicklungskonfiguration treten daher nur dann keine geradzahligen Harmonischen auf, wenn auf die Zweitpolpaarzahl p[tief]2 bezogen Durchmesserspulen vorliegen. Dagegen wird die Feldsymmetrie bei der Zweitpolpaarzahl mit anderen als Durchmesserspulen beeinträchtigt.

Während eine Änderung der Spulenweite die effektiven Windungszahlen beider Polzahlstufen über die Sehnungsfaktoren gemeinsam beeinflusst, ist mittels Strangverschachtelung eine voneinander unabhängige Festlegung erreichbar, wobei man die Spulenweiten jeweils beim günstigen Wert gleich der Polteilung kleines Tau[tief]2 für die Zweitpolpaarzahl belassen kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 6 dadurch möglich, dass die bei der Erstpolpaarzahl p[tief]1 = 3m:1 jeweils einem Wicklungsstrang zugehörigen Spulenseiten der Grundwicklungs- und Nullzweige strangverschachtelt sind. Dadurch können insbesondere bei höheren Nutenzahlen je Pol und Strang vielfältige Varianten ausgeführt werden, wodurch die Zonen- bzw. Wicklungsfaktoren und damit das Verhältnis der Luftspaltinduktionen bei unveränderter Schaltung über einen weiten Bereich veränderbar sind.

Einen wichtigen Sonderfall stellen Strangverschachtelungen nach Anspruch 7 dar, die darin bestehen, dass bei Zonenbreiten von kleines Pi/3 der Grundwicklungs- und Nullzweige ein auf 2 kleines Pi/3 verdoppelter Erstreckungsbereich erreicht ist. Mit solchen aufgefächerten Wicklungen läßt sich eine besonders günstige Feldsymmetrie erreichen, da sie keine der unerwünschten geradzahligen Harmonischen erzeugen.

Eine besonders einfache Polumschaltung mit nur sechs Anschlußpunkten und lediglich einem dreipoligen Umschalter wird erreicht, wenn gemäß Anspruch 12 die G Grundwicklungszweige für die Erstpolzahl 2p[tief]1 fest in Dreifachsternschaltung mit galvanisch getrennten Mittelpunkten verbunden sind, die die Anschlußpunkte für die Zweipolzahl 2p[tief]2 bilden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Anspruchs 1 sind in weiteren Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist nachfolgend für unterschiedliche markante Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung und Tabellen nachfolgend auch theoretisch eingehend erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Phasenlage der zu einem Strang gehörigen Wicklungszonen bei der Erstpolpaarzahl p[tief]1 für eine konventionelle sechszonige Wicklungsanordnung,

Fig. 2a, b geänderte Phasenlagen und Zonenbreiten für eine von 2p[tief]1 = 8 bzw. 10 auf 2p[tief]2 = 6 umschaltbare Wicklung,

Fig. 3 die Unterteilung des Spulenseitensterns für p[tief]2 = 3 n in Grundwicklungs- und Nullzweigsektoren,

Fig. 4 ein Wicklungsschaltbild mit einer in Dreifachstern/Dreifachstern geschalteten Grundwicklung mit sechs Klemmen und parallelgeschalteten Nullzweigen mit G:N = 9:1,

Fig. 5 eine gleiche Schaltung wie Fig. 4 mit G:N = 3:2,

Fig. 6 eine gleiche Schaltung der Grundwicklungszweige wie Fig. 5 und in Reihe geschaltete Nullzweige mit G:N = 3:2,

Fig. 7 bis 9 verschiedene Wicklungsschaltbilder für größere Polzahlspreizungen mit in Dreieck/Dreifachdreieck bzw. Stern/Dreifachdreieck geschalteten Grundwicklungszweigen und jeweils parallelgeschalteten Nullzweigen,

Fig. 10a-e die Phasenlage der Ströme für Nullzweige in äußerer Reihenschaltung und Ausbildungsmöglichkeiten dafür mit um kleines Pi/6 versetzten Wicklungsachsen,

Fig. 11 a, b, c; 12a, b, c verschiedene Schaltbilder für Dreieck/Dreifachdreieck oder Stern/Dreieck-Umschaltungen mit durchwegs gleichen Wicklungsspulen und in innerer Reihenschaltungen eingefügten Nullzweigen,

Fig. 13 bis 23 zeigen Beispiele, in denen jeweils die räumliche Spulenseitenverteilung eines Wicklungsstranges der Erstpolzahl, dessen Zuordnung zu den einzelnen Wicklungszweigen der Grundwicklung und zu den Nullzweigen, die vorhandene Feldform in der Polardarstellung des Goerges-Polygons für Zweischichtwicklungen mit verschiedenen Spulenschrittweiten und die Spulenseitensterne dargestellt sind.

Im einzelnen zeigt Fig. 13 eine 10/6polige Wicklung für die Mindestnutzahl Z[tief]N = 45 Nuten, mit 2 kleines Pi/3 breiten Ursprungszonen,

Fig. 14, 15 zwei Varianten einer 10/6poligen Wicklung für Z[tief]N = 90 Nuten, mit Strangverschachtelungen,

Fig. 16 eine 10/12polige Wicklung für Z[tief]N = 90 Nuten,

Fig. 17 bis 19 verschiedene 14/12polige Wicklungen für Z[tief]N = 63 und 126 Nuten,

Fig. 20 eine 20/6polige Wicklung für Z[tief]N = 72 Nuten, die für eine Dreieck-Dreifachdreieck- oder Stern/Dreifachdreieck-Umschaltung vorteilhaft ist,

Fig. 21 bis 23 in unterschiedlicher Weise zusammengefasste gleichachsige oder um kleines Pi/6 versetzte Nullzweige für die äußere Reihenschaltung,

Fig. 24 in vereinfachter Darstellung den Unterschied zwischen dreiachsig-symmetrischen sowie periodischen Goerges-Polygonen.

Die ergänzenden Tabellen umfassen folgende Zusammenstellungen:

Tabelle I:

Systematische Aufteilungsmöglichkeiten in G Grundwicklungszweige und N Nullzweige bei verschiedenen m = 1 9 und 2p[tief]1 = 4 bis 56.

Tabelle II:

Notwendige Klemmenzahl und vorliegende Windungszahlverhältnisse bei unterschiedlichen Schaltungen mit parallelen Nullzweigen.

Tabelle III:

Varianten, die eine Zonenerstreckung von 2 kleines Pi/3 bei ungerader Erstpolpaarzahl erfordern.

Tabelle IV:

Verschiedene Polzahlkombinationen bis p[tief]1 und p[tief]2 = 36.

Tabelle V:

Erforderliche Mindestnutzahlen für Wicklungen mit 2p[tief]2 = 6, 12, 18 und 24.

Tabellen VI bis XI:

Wicklungsfaktoren, Flußdichterelationen und Feldformhinweise für die in den Fig. 13 bis 23 angegebenen Wicklungen bei verschiedenen Spulenschrittweiten und Wicklungsschaltungen.

Tabellen XII und XIII:

Verschiedenartige Strangverschachtelungen und deren Systematik bei der Erstpolzahl für ein Beispiel mit q[tief]1 = 6 Nuten je Pol und Strang.

Tabelle XIV:

Verschiedene, aus Elementargruppierungen mit G:N = 3:1 hergeleiteten, verschachtelten Zonenanordnungen für die Zweitpolzahl.

Tabelle XV:

Einfluß von Zonenbreite und Spulenschrittweiten auf die Feldform und Symmetrie bei beiden Polzahlen.

Die nachfolgend benutzten Begriffe sind wie folgt definiert:

Wicklungszweige bestehen jeweils aus gleichvielen in Reihe geschalteten Spulen.

Wicklungsstrang einer jeden Phase setzt sich aus mehreren Wicklungszweigen zusammen.

Nutenstern gibt die Phasenlage der einzelnen Nuten in elektrischen Winkelgraden an und gilt jeweils für eine zugeordnete Polzahl.

Spulenseitenstern (mit gleicher Bezifferung wie Nutenstern) bezieht sich jeweils auf die in einer Nutschicht liegenden Spulenseiten.

Wicklungszonen sind mit Spulenseiten des gleichen Wicklungsstranges bzw. Wicklungszweiges belegte Abschnitte (d.h. Umfangsbereiche in der Maschine oder Sektoren im Spulenseitenstern).

Zonenachse ist die Symmetrielinie einer Wicklungszone.

Mit den Symbolen sind die Grundwicklungszweige und mit die Nullzweige bezeichnet. Die mit gleichen Symbolen gekennzeichneten Grundwicklungszweige gehören bei der Zweitpolzahl 2p[tief]2 jeweils zum gleichen Wicklungsstrang.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung für die polumschaltbaren Wicklungen nach der Erfindung besteht darin, dass die jeweils gleichphasigen Wicklungszonen eines Wicklungsstranges für die Erstpolzahl 2p[tief]1 hinsichtlich ihrer Phasenlagen bei der Zweitpolzahl 2p[tief]2 lückenlos und überlappungsfrei auf den gesamten Umfang des Nuten- bzw. Spulenseitensternes aufgefächert werden. Räumlich liegen die genannten Wicklungszonen gleichmäßig über den Umfang verteilt im Abstand der Polteilung
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voneinander entfernt. Sie umfassen bei einer konventionell ausgebildeten unverschachtelten Ganzlochwicklung jeweils in nebeneinanderliegenden Nuten untergebrachte Spulenseiten. Aufeinanderfolgende Wicklungszonen sind abwechselnd gegensinnig durchflutet, was in Fig. 1 durch die bei den ungeradzahlig nummerierten Zonenachsen vom Zentrum weg und bei den geradzahlig nummerierten Zonenachsen zum Zentrum hin gerichteten Pfeilspitzen zum Ausdruck kommt. Die Zonenbreite beträgt kleines Pi/3 bei der Erstpolpaarzahl p[tief]1; für die Zweitpolpaarzahl p[tief]2 wird sie im Polzahlverhältnis auf verändert.

Aufeinanderfolgende Zonenachsen, die bei der Erstpolpaarzahl um den elektrischen Winkel kleines Pi entfernt sind, schließen dann den Winkel ein, wie es in Fig. 2a für eine 8/6polige Umschaltung und in Fig. 2b für eine 10/6polige Umschaltung gezeigt ist. Mit kleines Alpha´ ist der jeweilige Winkel zwischen den unmittelbar benachbarten Zonenachsen bezeichnet.

Für die geforderte lückenlose und überlappungsfreie Auffächerung der Wicklungszonen auf die gesamte Peripherie des Nutensternes muß kleines Beta/kleines Alpha´ eine ganze Zahl sein. Dies ist jedoch für Ursprungswicklungen mit Zonenbreiten kleines Pi/3 bei der Erstpolzahl 2p[tief]1 nur der Fall, wenn das Polpaarzahlverhältnis p[tief]1 : p[tief]2 oder p[tief]2 : p[tief]1 ein geradzahlig:ungeradzahliger Bruch ist (Fig. 2a).

Bei einem ungeraden:ungeraden Polpaarzahl-Verhältnis (doppelt ungerades Verhältnis) ist hingegen kleines Beta:kleines Alpha´ ein Bruch mit der Zahl Zwei im Nenner (Fig. 2b), so dass mit kleines Pi/3-breiten Wicklungszonen bei der Erstpolpaarzahl p[tief]1 die gestellten Forderungen auf überlappungsfreies und lückenloses Ausfüllen des gesamten Umfanges des Spulenseitensternes für die Zweitpolpaarzahl p[tief]2 = 3n nicht erfüllt werden. In einem solchen Fall müssen daher entweder Dreizonenwicklungen mit der halben Anzahl doppeltbreiter Wicklungszonen 2 kleines Pi/3 vorgesehen werden, was jedoch die Aufteilungsmöglichkeiten in gleichphasige Wicklungszweige einschränkt, oder es ist bei uneingeschränkter Anzahl von Parallelzweigen eine Strangverschachtelung auf einen doppelten Erstreckungsbereich notwendig, wozu im einzelnen anhand von Ausführungsbeispielen weiter unten eingegangen wird.

Weisen beide Polpaarzahlen einen gemeinsamen Teiler u auf, dann ergeben sich u-fach deckungsgleiche Sterne mit 2 p[tief]1/u bzw. p[tief]1/u verschiedenphasigen Zonenachsen. u stellt dabei einen Vervielfachungsfaktor dar, entsprechend dem sich eine niederpoligere Wicklung im praktischen Fall u-mal am Maschinenumfang wiederholt.

Das kennzeichnende Merkmal von erfindungsgemäßen Wicklungen ist die Unterteilung jedes Wicklungsstranges der Erstpolzahl 2 p[tief]1 in 2 p[tief]1/[tief]t gleichphasige Wicklungszweige. Von diesen bildet eine durch Drei teilbare Anzahl G die sogenannte Grundwicklung, die für beide Polzahlstufen wirksam ist und zur Polumschaltung auf die Zweitpolzahl 2 p[tief]2 zu je einem Drittel auf alle drei Wicklungsstränge umgruppiert wird. Die restlichen N Wicklungszweige sind als sogenannte Nullzweige ausgebildet und nur bei der Erstpolpaarzahl p[tief]1 wirksam. In der zweiten Polzahlstufe mit 2 p[tief]2 = 3n ergänzen sich dagegen die in ihnen induzierten Spannungen zu Null.

In charakteristischer Weise werden hierzu die Spulen den einzelnen Wicklungszweigen derart zugeordnet, dass sich bei den für 2 p[tief]2 = 6n hinsichtlich ihrer Phasenlage auf den ganzen Umfang des Spulenseitensterns aufgefächerten Wicklungszone eine dreiachsige symmetrische Sektoranordnung gemäß Fig. 3 ergibt. Zwischen den von den Grundwicklungszweigen gebildeten Sektoren mit der Breite kleines Phi liegen jeweils die von den Nullzweigen gebildeten Sektoren mit der Breite kleines Psi. Entsprechend der Aufteilung in Grundwicklungs- und Nullzweige verhalten sich die Sektorwinkel wie kleines Phi/kleines Psi = G/N mit kleines Phi + kleines Psi = 2 kleines Pi/3.

Außer der in Fig. 3 gezeigten Sektoraufteilung sind auch verschachtelte Zonenaufteilungen für p[tief]2 = 3n möglich, wozu die Sektoren kleines Phi und/oder kleines Psi unterteilt und gegenseitig versetzt angeordnet werden können, wie nachfolgend noch anhand von Ausführungsbeispielen erläutert wird.

Jeder Nullzweig ist jeweils aus drei in Reihe liegenden Wicklungsabschnitten zusammengesetzt, die den drei gegenseitig um 2 kleines Pi/3 versetzten Nullzweigsektoren in Fig. 3 bzw. jeweils einem Teil derselben entsprechen.

Eine besonders einfache Polumschaltung mit nur sechs Anschlußklemmen und lediglich einem dreipoligen Schalter als Umschaltvorrichtung nach Fig. 4 bis 6 ist möglich, wenn man die Wicklungszweige der Grundwicklung in an sich bekannter Weise in Dreifachsternschaltung (Y[hoch]3) mit galvanisch getrennten Sternpunkten schaltet, wobei die drei Sternpunkte die Anschlußpunkte für die zweite Polzahlstufe bilden. Die Nullzweige können dann ebenfalls in Stern (Y) geschaltet und parallel an die Grundwicklung angeschlossen sein. Da sich sechszonige Ganzlochwicklungen regulär in maximal 2 p[tief]1 gleichwertige Parallelzweige unterteilen lassen, gilt für die Zahl der jeweils die Grundwicklungs- und Nullzweige bildenden Wicklungsteile G + N = 2 p[tief]1/[tief]t, wobei t einen ganzzahligen Teiler von 2 p[tief]1 bedeutet.

Ein 2 p[tief]1 = 10poliger Wicklungsstrang läßt sich z.B. in zehn oder fünf gleichphasige Zweige aufteilen. Die Zahl G der bei beiden Polzahlen vorhandenen Grundwicklungszweige ist Drei oder eine durch Drei teilbare Zahl, so dass man gemäß Fig. 4 bei zehn gleichphasigen Zweigen eine Aufteilung G/N = 9:1 wählen kann. Die Spulen der parallelgeschalteten Nullzweige müssen hierfür mit dreifacher Windungszahl ausgeführt werden. Ausgehend von fünf gleichphasigen Zweigen können aber auch alle Spulen gleiche Windungszahlen erhalten und gemäß Fig. 5 parallel geschaltet sein. Die Nullzweige umfassen in diesem Fall 2/5 der gesamten Wicklung.

Da bei parallelgeschalteten Nullzweigen in beiden Polzahlstufen gleiche Windungszahlen w[tief]1 = w[tief]2 wirksam sind, eignet sich diese Schaltung vor allem für nahe beisammenliegende Polpaarzahlen p[tief]1 und p[tief]2, um bei Betrieb mit gleicher Spannung gemäß angeglichene Lufspaltflußdichten B[tief]1 und B[tief]2 zu erhalten.

Gemäß Fig. 6 kann der Nullzweig bei gleicher Zahl von Anschlußklemmen auch in Reihenschaltung an die Grundwicklung angeschlossen sein. Dadurch wird die bei der Erstpolzahl 2 p[tief]1 wirksame Windungszahl erhöht, so dass sich diese Schaltungsvariante für p[tief]1 > p[tief]2 und größere Polzahlunterschiede empfiehlt, um die Flußdichten im Luftspalt einander anzupassen. Die Schaltung nach Fig. 6 ist z.B. für eine 10/6polig umschaltbare Wicklung geeignet, wobei mit Rücksicht auf eine konstante Strombelastung und ausgeglichene Spulendurchflutungen bei 2 p[tief]1 = 10 die Windungszahlen der Grundwicklungs- und Nullzweigspulen im Verhältnis 3:2 stehen müssen.

Die Tabelle I zeigt eine systematische Zusammenstellung der bei verschiedenen Erstpolzahlen 2 p[tief]1 = 4 56 möglichen Aufteilungen der gesamten Wicklung in G Grundwicklungs- und N Nullzweige. Die angegebenen Zahlen G und N sind Relativzahlen, die sich jeweils auf die maximal mögliche Parallelzweigzahl a[tief]max = N + G = 2 p[tief]1 beziehen.

Bei den Schaltungen nach den Fig. 4, 5 und 6 sind, abhängig davon, ob die Nullzweige in Parallel- oder in Reihenschaltung an die Grundwicklung angeschlossen werden, unterschiedliche Windungszahlen für die Grundwicklungs- und Nullzweigspulen erforderlich. Bei diesen Schaltungen sind zwar alle zu einem Strang gehörigen Wicklungszweige phasengleich und haben den gleichen Wicklungsfaktor; Grundwicklungs- und Nullzweige sind jedoch im allgemeinen aus einer unterschiedlichen Zahl von Spulen zusammengesetzt.

Mit Rücksicht auf Spannungsgleichheit gilt bei Parallelschaltung für die erforderlichen Spulenwindungszahlen und wegen des dreifachen Spulenstroms bei Reihenschaltung: worin w[tief]G und w[tief]N die Spulenwindungszahlen der Grundwicklungs- und Nullzweige und a[tief]N die Zahl der gegebenenfalls vorhandenen Nullzweig-Parallelpfade bedeuten. Durch eine a[tief]N-fache Nullzweig-Parallelschaltung wird die notwendige Spulenwindungszahl w[tief]N entsprechend vervielfacht; vergleiche z.B. Fig. 5, wo a[tief]N = 2 parallele Nullzweige vorgesehen sind, um durchwegs gleiche Spulenwindungszahlen w[tief]N = w[tief]G zu erhalten. Die Zahl der maximal möglichen Nullzweig-Parallelpfade a[tief]N,max ist durch den größten gemeinsamen Teiler der in Tabelle I aufgeführten Zahlenwerte für G und N festgelegt.

Für bestimmte Anwendungsfälle, insbesondere bei großen polzahlunterschieden und/oder für Motoren zum Antrieb von Pumpen oder Ventilatoren ist es wünschenswert, die bei der größeren Polzahl wirksame Windungszahl beträchtlich zu vergrößern.

Für den Fall, dass p[tief]1 >> p[tief]2 ist, z.B. bei 16/6- oder 20/6poligen Maschinen, kann man hierzu für die Grundwicklung eine Dreieck-Dreifachdreieck

-Umschaltung verwenden, wie sie in Fig. 7 angedeutet ist. Die in ihrer Windungszahl entsprechend bemessenen Nullzweige liegen jeweils parallel zu den drei in Reihe geschalteten Nullzweigen. Im Gegensatz zu der für die vorherige Schaltung angegebenen Beziehung ist hierfür eine auf das Dreifache vergrößerte Spulenwindungszahl erforderlich.

Mit den Bezeichnungen U, V, W ist auf die Zugehörigkeit zu den drei Wicklungssträngen bei der Erstpolpaarzahl p[tief]1 hingewiesen. Es sind nunmehr neun statt bisher sechs Anschlußklemmen notwendig. In den Fig. 7b, 7c sind die Anschlußschemata gezeigt, wobei für 2 p[tief]1 eine Dreieckschaltung mit parallelem Nullzweig und für 2 p[tief]2 eine Dreifachdreieckschaltung mit jeweils G 3 Grundwicklungszweigen und kurzgeschlossenem, d.h. wirkungslosem Nullzweig, vorliegt.

Ist im umgekehrten Fall p[tief]2 >> p[tief]1, z.B. 4/18polig, dann können die Wicklungszweige gemäß Fig. 8 geschaltet werden. Der Nullzweig - dessen Spulen hierbei mit der gleichen Windungszahl w[tief]N(II) ausgeführt sind wie bei den eingangs behandelten Mehrfachstern-Umschaltungen mit sechs Klemmen - erfordert zwei zusätzliche Klemmen. In der hochpoligen Stufe erfolgt der Anschluß an den Klemmen 1, 4 und 7, wobei nur die in Dreieck geschaltete Grundwicklung Strom führt, die kurzgeschlossenen Nullzweige sind wirkungslos. Für niederpoligen Betrieb werden Netzanschlüsse an 1, 2 und 3 gelegt und es sind acht Schaltbrücken jeweils zwischen den Klemmen 1-4-7, 2-5-8-10 und 3-6-9-11 für eine Vierfach-Dreieckschaltung notwendig.

Mit zehn Klemmen läßt sich auch eine Stern/Dreifachdreieck-Umschaltung der Grundwicklung durchführen, wie es analog zu Fig. 7 in Fig. 9 für p[tief]1 >> p[tief]2 dargestellt ist. Die Klemme 10 ist in der zweiten Polzahlstufe mit p[tief]2 = 3 n notwendig, um in Verbindung mit der Schaltbrücke 1-4-7 die Dreifachdreieckschaltung zu schließen. Bei einem umgekehrten Polzahlverhältnis mit p[tief]2 >> p[tief]1 und Stern/Vierfachdreieckschaltung sind analog zu Fig. 8 zwei zusätzliche Nullzweigklemmen notwendig.

In Tabelle II sind die erforderlichen Klemmenzahlen und die dabei vorliegenden Windungsverhältnisse für parallelgeschaltete Nullzweige zusammengestellt.

In allen Fällen könnte anstelle der in den Fig. 7 bis 9 vorgenommenen Parallelschaltung der Nullzweige auch eine äußere Reihenschaltung mit Anschluß an den Dreieckspunkten der Grundwicklung vorgesehen werden. Im Anschlußschema nach Fig. 7b und 7c sind dann die Nullzweige jeweils zwischen R, S, T und den Klemmen 1, 4 und 7 bzw. den Klemmen 1, 2 und 3 einzufügen und es sind insgesamt zwölf Anschlußenden erforderlich. Die Nullzweige führen dann den Wurzel aus 3fachen Strangstrom, so dass deren Spulen eine reziprok dazu auf Wurzel aus 3/3 verringerte Windungszahl benötigen. Wegen der gleichzeitig um kleines Pi/6 verschobenen Phasenlage dieser Ströme (Fig. 10a) empfiehlt es sich, die Nullzweige gemäß Fig. 10b so auszubilden, dass deren Achsen ebenfalls um kleines Pi/6 versetzt sind.

Als schematisches Beispiel zeigt Fig. 10c für die Erstpolzahl 2 p[tief]1 die Zonenachsen U, V, W der drei Stränge einer unverschachtelten sechszonigen Wicklung, von denen jede jeweils G gleichphasige Grundwicklungszweige repräsentiert. Letztere sind z.B. beim Strang U, wie es sich aus der Aufteilung der in Fig. 1 angedeuteten Wicklungszonen gemäß Fig. 3 ergibt, aus unterschiedlichen Teilen der oberen (ungeradzahlig nummerierten) und unteren (geradzahligen) Wicklungszonen gebildet. Zwei Möglichkeiten zur erforderlichen Zusammenfassung der für äußere Reihenschaltung geeigneten um kleines Pi/6 phasenversetzten Nullzweige für eine Grundwicklung in Dreieckschaltung gemäß Fig. 10b gehen aus den Fig. 10d und e hervor.

Nach Fig. 10d sind die Nullzweige dreizonig angeordnet, wobei jeweils zwei unmittelbar benachbarte Teilzonen zu einer Nullzweigzone zusammengefasst sind. In den normalerweise negativ stromdurchflossenen Teilzonen (-U, -V und -W) der drei Stränge wird dabei der Durchlaufsinn umgekehrt.

Bei hälftiger Unterteilung einer jeden Teilzone läßt sich gemäß Fig. 10c auch eine sechszonige Nullzweiganordnung erreichen. Hierzu muß allerdings die Zahl verschiedenphasiger Spulenseiten je Teilzone gerade sein.

In analoger Weise können die Nullzweige bei dreizonigen und/oder strangverschachtelten Wicklungsanordnungen für die Erstpolzahl 2 p[tief]1 ausgebildet werden.

Mit insgesamt 12 Anschlußenden läßt sich auch eine >>innere<< Reihenschaltung der Nullzweige ausführen, wie es in Fig. 11 für eine Dreieck/Dreifachdreieck- und in Fig. 12 für eine Stern/Dreifachdreieck-Umschaltung dargestellt ist. Alle Wicklungsspulen sind hierfür völlig identisch ausgeführt und die Null- und Grundwicklungszweige phasengleich gruppiert. Diese beiden Schaltungen eignen sich insbesondere dann, wenn die Erstpolzahl 2 p[tief]1 sehr viel größer als die durch Drei teilbare Zweitpolzahl 2 p[tief]2 ist. Infolge der Nullzweig-Reihenschaltung erhöht sich das Windungsverhältnis w[tief]1/w[tief]2 jeweils um das (1 + N/G)-fache.

Die Anschlußschemata für die hohe Erstpolzahl 2 p[tief]1 sind in den Fig. 11b und 12b gezeigt, die zur Umschaltung auf die niedrige Zweitpolzahl 2 p[tief]2 notwendigen Schaltbrücken gehen aus den Fig. 11c und 12c hervor. Die Nullzweige sind dann jeweils kurzgeschlossen.

Neben den bei Erläuterung des Grundprinzips betrachteten Ganzlochwicklungen sind auch Bruchlochwicklungen ausführbar. Da sich bei Ganzlochwicklungen die Spulenseitenanordnung nach jedem Pol wiederholt, genügt es, wenn gemäß Fig. 2 bei der Ermittlung der bei der anderen Polzahl vorliegenden Phasenlage allein die Zonenachsen betrachtet werden. Bei Ergänzung zum Spulenseitenstern repräsentiert jeder Strahl im Stern der Zonenachsen jeweils ein symmetrisches Strahlenbüschel mit einer der Lochzahl q[tief]1 entsprechenden Zahl von Spulenseiten. Im Gegensatz dazu sind bei Bruchlochwicklungen die Wicklungszonen abwechselnd jeweils aus einer unter- schiedlichen Zahl von Spulenseiten gebildet, wobei sich die Anordnung erst nach U-Polteilungen wiederholt, worin U das sogenannte >>Urschema<< der Wicklung bedeutet. Die gebrochene Lochzahl q ist eine fiktive Zahl, die den Mittelwert der abwechselnd unterschiedlichen Spulenseitenzahlen je Pol und Strang angibt. Die Zonenachsen allein reichen für eine Beurteilung der Symmetrie des Spulenseitensterns nicht mehr aus, insbesondere dann, wenn die Erstpolpaarzahl p[tief]1 ungeradzahlig ist.

Wie es für ein doppelt ungerades Polpaarzahlverhältnis bereits erläutert wurde, sind bei einer ungeraden Erstpolpaarzahl p[tief]1 teilweise Zonenanordnungen mit einem Erstreckungsbereich über 2 kleines Pi/3 erforderlich.

Tabelle III enthält eine Zusammenstellung dieser Fälle. Die angegebenen Zonenbreiten und Erstreckungsbereiche der Wicklungszonen beziehen sich bei Bruchlochwicklungen auf den resultierenden 2 p[tief]1-poligen Spulenseitenstern. Bei einer unverschachtelten Ganzlochwicklung sind Zonenbreite und Erstreckungsbereich identisch. Durch Strangverschachtelung läßt sich der Erstreckungsbereich der Wicklungszonen beliebig verbreitern. Einen wichtigen Sonderfall stellen solche Strangverschachtelungen dar, bei denen kleines Pi/3-breite Wicklungszonen auf einen genau doppeltbreiten Erstreckungsbereich von 2 kleines Pi/3 aufgefächert werden. Solche Wicklungsanordnungen sind z.B. bei einem doppelt ungeradzahligen Polzahlverhältnis vorteilhafter als Dreizonenwicklungen, weil sie keine unerwünschten geradzahligen Harmonischen erzeugen.

Gemäß Tabelle III werden sich über 2 kleines Pi/3 erstreckende Wicklungszonen bei ungerader Erstpolpaarzahl p[tief]1 benötigt. Bei doppelt ungeradzahligem Polzahlverhältnis gilt dies allgemein, da andernfalls entsprechend Fig. 2b eine zu geringe Zonenaufspreizung kleines Beta/kleines Alpha´ vorliegt.

Ungerade Erstpolpaarzahlen p[tief]1 sind entweder Primzahlen (p*) oder Produkte aus mehreren Primzahlen, die größer als Drei sind. Im Hinblick auf die notwendige Aufteilung in mehrere phasengleiche Wicklungszweige für die Grundwicklungs- und Nullzweige sind bei Primzahlen für p[tief]1 nur Halblochwicklungen mit q[tief]1 Z/2 ausführbar, wobei es zum Erhalt gleichmäßig und dreiachsig symmetrisch gruppierter Spulenseitensterne notwendig ist, doppeltbreite (2 kleines Pi/3) Wicklungszonen vorzusehen. Analoges gilt für Lochzahlen q[tief]1 = Z/2 p*, wenn p[tief]1 ein Produkt aus Primzahlen p* größer Drei ist.

Unter Beachtung, dass bei beiden Polzahlen regulär ausführbare Lochzahlen - das sind die Nutenzahlen je Pol und Strang - q[tief]1 und q[tief]2 vorliegen müssen, erhält man als erforderliche Mindestnutzahlen

Die letzte Gleichung resultiert aus den eingeschränkten Ausführbarkeitsbedingungen von Wicklungen mit p[tief]2 = 9 mal k, bei denen nur Bruchlochzahlen mit q[tief]2 = Z/2k möglich sind.

Der Faktor u in beiden Gleichungen ist dann einzusetzen, wenn p[tief]1 und p[tief]2 kürzbar sind, d.h. wenn p[tief]1 = u mal p[tief]1´ und p[tief]2 = u mal p[tief]2´ ist. Dies bedeutet, dass sich eine im Verhältnis p[tief]1´ : p[tief]2´ umschaltbare Wicklungsanordnung längs des Umfangs u-fach wiederholt.

Die angegebenen Gleichungen für die Mindestnutenzahlen lassen sich z.B. aus dem Spulenseitenstern für p[tief]2 = 3 n gemäß Fig. 3 herleiten. Die Öffnungswinkel kleines Phi, kleines Psi der von den Grundwicklungs- und Nullzweigen belegten Sektoren verhalten sich abhängig von der gewählten Aufteilung der Wicklungszweige wie G/N = kleines Phi/kleines Psi mit kleines Phi - kleines Psi = 2 kleines Pi/3.

Das kleinste Wicklungselement ist eine Einzelspule, die im Spulenseitenstern als Strahl erscheint. Je nach der gewählten Aufteilung in Grundwicklungs- und Nullzweige ist eine Mindestzahl von gleichmäßig verteilten Strahlen entsprechend erforderlich. Da die Anzahl der Strahlen den bezüglich ihrer Phasenlage über den gesamten Umfang verteilten Oberschichtspulenseiten eines einzigen Wicklungsstranges entspricht, muß die Mindestnutenzahl das Dreifache, also bei n ungleich 3 k betragen.

Die nochmals um das Dreifache erhöhten Nutenzahlen bei n = 3 k, d.h., p[tief]2 = 9, 18, 27 usw. sind notwendig, um nicht regulär ausführbare Drittel-, Sechstel- usw. Lochwicklungen zu vermeiden.

In Tabelle IV sind eine Reihe praktisch ausführbarer Polpaarzahlverhältnisse mit Polzahlspreizungen p[tief]1 : p[tief]2 bzw. p[tief]2 : p[tief]1 bis etwa Drei zusammengestellt. Sich längs des Umfanges mehrfach wiederholende Wicklungsanordnungen sind jeweils als Zahlenwerte

(mit u als Vervielfachungsfaktor) angegeben. Die mit 1 bezeichneten Bereiche betreffen sechszonig ausführbare ungeradzahlig/geradzahlige Polpaarzahlverhältnisse. Falls dabei die Erstpolpaarzahl eine Primzahl ist (p[tief]1*) sind kleines Pi/3-breite Wicklungszonen nur bei Ganzlochwicklungen entsprechend der Tabelle III ausführbar. Bei Halblochwicklungen und bei den mit II gekennzeichneten doppelt ungeradzahligen Polpaarzahlverhältnissen müssen Wicklungen mit doppeltbreiter Zonenerstreckung (2 kleines Pi/3) vorgesehen werden. Die mit Minuszeichen versehenen Polpaarzahlverhältnisse sind nicht ausführbar.

Für Wicklungen, die auf die Zweitpolzahlen 2 p[tief]2 = 6,

12, 18 und 24 umschaltbar sind, enthält Tabelle V eine Zusammenstellung der erforderlichen Mindestnutenzahlen. Für die Aufteilung in Grundwicklungs- und Nullzweige sind dabei gemäß Tabelle I durchwegs jene Werte für G und N ausgewählt, die den größten gemeinsamen Teiler t aufweisen. Die unterstrichenen Beispiele erfordern bei der Erstpolpaarzahl p[tief]1 eine Wicklungsgruppierung mit 2 kleines Pi/3-breiten Zonen. Hierbei können aber auch bei geraden Zweitpolpaarzahlen p[tief]2 und verdoppelter Nutenzahl Sechszonenwicklungen ausgeführt werden. Ausführbare höhere Nutenzahlen ergeben sich durch Vervielfachung der angegebenen Mindestnutenzahlen oder durch Wahl einer anderen Aufteilung in Grundwicklungs- und Nullzweige nach Tabelle I. So beträgt z.B. für eine 20/18polige Wicklung für eine Aufteilung G:N = 3:2 die nächstgrößere mögliche Nutenzahl Z[tief]N = 27(3+2) = 135.

Es ist klar, dass mit steigenden Polzahlen auch die erforderlichen Mindestnutzahlen zunehmen. Besonders hohe Nutenzahlen ergeben sich insbesondere bei Zweitpolpaarzahlen p[tief]2 = 9, 18, 27 usw. und ebenso, wenn die Erstpolpaarzahl p[tief]1 eine reine Primzahl (p*) ist, weil hier nur teilerfremde oder halbierbare Werte für G und N vorliegen.

Anders ist es dagegen bei ungeraden Erstpolpaarzahlen p[tief]1, die ein Produkt zweier Primzahlen (p*) größer Drei sind, z.B. für

p[tief]1 = 5 mal 5 = 25

p[tief]1 = 5 mal 7 = 35

p[tief]1 = 7 mal 7 = 49

Hier sind Bruchlochzahlen mit den doppelten Primzahlenteilern im Nenner möglich, so dass sich z.B. eine 50/48polig umschaltbare Wicklung bereits mit Z[tief]N = 45 Nuten und einer Aufteilung der Wicklungszweige mit G = 30 und N = 20 ausführen läßt. Bei einer Verdoppelung der Nutenzahl auf Z[tief]N = 90 werden dann auch Wicklungsgruppierungen mit kleines Pi/3-breiten Zonen im Spulenseitenstern und einer Aufteilung mit G:N = 9:1, d.h. G = 45 und N = 5 möglich.

In Fig. 13 ist eine 10/6polig umschaltbare Wicklung für eine erforderliche Mindestnutenzahl Z[tief]N = 45 und einer Aufteilung G:N = 3:2 gezeigt. Hierfür ist eine Ursprungsgruppierung mit 2 kleines Pi/3-breiter Wicklungszone erforderlich, für die in Fig. 13a die Oberschichtspulenseiten des 2 p[tief]1 = 10poligen Wicklungsstranges gezeigt sind. Darunter sind in Fig. 13b die Zonenachsen für die Zweitpolzahl 2 p[tief]2 = 6 eingezeichnet. Gemäß Fig. 13c sind zwei verschiedene 6polige Gruppierungen kleines Alpha, kleines Beta für eine Aufteilung mit G:N = 3:2 möglich. Wahlweise gelten hierfür die in Fig. 13a oberhalb der Spulenseiten angegebenen Zuordnungssymbole zu den einzelnen Wicklungszweigen.

Die Gruppierung kleines Alpha entspricht der in Fig. 3 dargestellten Zonenanordnung; Gruppierung kleines Beta ist eine symmetrisch verschachtelte Variante mit dreifach unterteilten und aufgefächerten Grundwicklungszonen (jeweils eine Spulenseite). Dazwischen liegen die von jeweils einer Spulenseite gebildeten Nullzweigteilsektoren und

Gegenüber der vollständigen sektorartigen Darstellung in Fig. 3 ist in Fig. 13c jeweils nur der Bereich einer Grundwicklungszone mit der Breite kleines Phi und die unmittelbar benachbarten Nullzweig-Teilsektoren mit einer Gesamtbreite kleines Psi also insgesamt nur ein Drittel des 2 p[tief]2-poligen Zonenplans - in linearer Abwicklung dargestellt.

Zur gegenseitigen Anpassung der Flußdichten im Luftspalt empfiehlt sich eine Reihenschaltung der Nullzweige gemäß Fig. 6.

Je nach Spulenweite (Schritt) ergeben sich die in Tabelle VI zusammengestellten Wicklungsfaktoren und Flußdichterelationen. Die zugehörigen Durchflutungspolygone sind in den Fig. 13d und 13e dargestellt. Bei der gewählten Mindestnutenzahl Z[tief]N = 45 betragen die Polteilungen kleines Tau[tief]6 = 7,5 Nuten und kleines Tau[tief]10 = 4,5 Nuten. Bei Wahl der kleines Tau[tief]6 am nächsten kommenden Spulenweite 1 bis 8 (Schrittweite W = 7) wären die Spulen für die andere Polzahl mit stark übersehnt und somit der Wicklungsfaktor kleines Xi[tief]10 sehr niedrig. Es ist daher vorteilhafter, die Spulenweite auf 1 bis 7 oder 1 bis 6 (Schrittweiten W = 6 oder W = 5) zu verkürzen.

Da beide Polpaarzahlen p[tief]1 und p[tief]2 ungerade Zahlen sind, könnte man auch eine Spulenweite 1 bis 23 (Schrittweite W = 22) wählen. Dies entspräche dem halben Maschinenumfang und ergäbe für beide Polzahlen die kleinstmögliche Sehnung, weil dann die Schrittweite W von drei Polteilungen (3 kleines Tau[tief]6) bei 2 p[tief]2 = 6 bzw. von fünf Polteilungen (5 kleines Tau[tief]10) bei 2 p[tief]1 = 10 jeweils nur eine halbe Nutteilung abweichen würde. Eine solche Wicklung würde aber relativ lange Wickelköpfe aufweisen.

In den Fig. 13d und 13e sind für 2 p[tief]1 = 10 sowie für p[tief]2 = 6, Gruppierungen kleines Alpha und kleines Beta für Schrittweiten W = 6, W = 5 und W = 7 sowie für W = 22 Polardiagramme der Felderregerkurven (Goerges-Polygone) dargestellt. Die zugehörigen Werte der Wicklungsfaktoren und Flußdichteverhältnisse B[tief]6/B[tief]10 sind in Tabelle VI zusammengestellt.

Aus den nicht polarsymmetrischen Goerges-Polygonen nach Fig. 13d und e läßt sich erkennen, dass bei der Mindestnutenzahl Z[tief]N = 45 geradzahlige Harmonische auftreten, die sich bei doppelter Nutenzahl Z[tief]N = 90 vermeiden lassen. Hierzu können zwei Wicklungen nach Fig. 13a so ineinander verschachtelt werden, dass die Spulenseiten der einen Wicklung (eine Hälfte) jeweils die ungeradzahligen Nuten und die Spulenseiten der anderen Wicklung (andere Hälfte) jeweils die geradzahligen Nuten belegen, wobei die beiden Hälften um den halben Umfang der Maschine versetzt und entgegengesetzt stromdurchflossen sind.

Diese Wicklung ist in Fig. 14 angedeutet, wobei die Spulenseiten der zweiten Hälfte gestrichelt dargestellt sind. Die Zuordnung zu den Wicklungszweigen ist nach Variante kleines Alpha Fig. 13c vorgenommen. Es ergibt sich hiermit eine symmetrisch strangverschachtelte Sechszonenwicklung mit verdoppelter Zonenerstreckung. Bei einer Schrittweite W = 10 (Spulenweite 1 bis 11) sind die Wicklungsfaktoren und die Flußdichteverhältnisse identisch mit den Werten in Tabelle VI für Schritt 1 bis 6. Gruppierung kleines Alpha (1. Zeile).

Bei Vergrößerung der Schrittweite auf W = 11 ergibt sich

kleines Xi[tief]10 = 0,793,

kleines Xi[tief]6 = 0,861

und B[tief]6/B[tief]10 = 0,921.

Bei Verringerung der Schrittweite auf W = 9 wird

kleines Xi[tief]10 = 0,844,

kleines Xi[tief]6 = 0,762

und B[tief]6/B[tief]10 = 1,11,

wobei in beiden Fällen eine unveränderte Reihenschaltung der Nullzweige gemäß Fig. 6 angenommen ist. Die zugehörigen Durchflutungskurven auch für W = 10 (Goerges-Polygone) sind in Fig. 14b und 14c dargestellt. Es zeigt sich, dass sie bei beiden Polzahlen unabhängig von der Schrittweite jeweils sechsachsig spiegelsymmetrisch sind, was durch den auf 2 kleines Pi/3 verdoppelten Erstreckungsbereich bedingt ist.

Die durch besagte Strangverschachtelung auf 2 kleines Pi/3-Erstreckungsbereich aufgefächerten Wicklungszonen lassen eine uneingeschränkte Zahl von phasengleichen Wicklungszweigen zu, so dass eine solche 10polige Wicklung für Z[tief]N = 90 Nuten gemäß Fig. 15a auch im Verhältnis G:N = 9:1 aufgeteilt werden kann. Den zugehörigen Spulenseitenstern für 2 p[tief]2 = 6 zeigt Fig. 15b. Dort sind die Spulenseiten des in ungeradzahligen Nuten liegenden ersten Teilsystems außerhalb des Kreises und die Spulenseiten des zweiten Teilsystems innerhalb des Kreises mit negativer Stromrichtung eingetragen.

In Tabelle VII sind die sich für verschiedene Spulenweiten ergebenden Wicklungsfaktoren und Flußdichteverhältnisse unter Hinweis auf die zugehörigen Goerges-Polygone zusammengestellt. Der Nullzweig kann wahlweise parallel oder in Reihe zu den Grundwicklungszweigen geschaltet sein. Bei einer Parallelschaltung nach Fig. 4 sind die Nullzweigspulen gegenüber den Spulen der Grundwicklungszweige mit dreifacher Windungszahl auszuführen, wogegen sie bei Reihenschaltung nur ein Drittel der Windungszahlen wie für die Spulen der Grundwicklungszweige benötigen. Die zugehörigen Goerges-Polygone sind für 6poligen Betrieb in Fig. 15c dargestellt. Sie weisen eine dreiachsige Periodizität auf. Für die 10polige Stufe bleiben die Polygone nach Fig. 14c unverändert 6achsig symmetrisch.

Nach Fig. 15b sind den einzelnen Wicklungszweigen von jedem Teilsystem Stranghälften mit voll und gestrichelt dargestellten Spulenseiten in Fig. 15a jeweils gleichviele Spulenseiten zugeordnet, und zwar von den innerhalb des Kreises eingezeichneten je fünf der Grundwicklung (Sektor kleines Phi[tief]1) und von den außerhalb des Kreises liegenden je vier der Grundwicklung sowie eine Spulenseite dem Nullzweig (Sektoren kleines Phi[tief]2 und kleines Psi). Analog zu Fig. 3 gilt hier

Infolge der Gleichphasigkeit beider Teilsysteme lassen sich auch unterschiedliche Aufteilungen ausführen. In den Überlappungssektoren ü kann die Zuordnung einzelner Spulenseiten vertauscht werden, z.B. 55 und -10 oder 57 und -12, ohne dadurch die Wicklungsfaktoren kleines Xi[tief]6 und kleines Xi[tief]10 zu verändern.

Jedoch wird dies die Feldoberwelligkeit und Strangsymmetrie im 6poligen Betrieb beeinflussen, so dass die gemäß Fig. 15c vorhandene dreiachsige Periodizität verlorengeht und die Goerges-Polygone insgesamt unregelmäßiger werden.

Als weiteres Beispiel sind für eine 10/12polig umschaltbare Wicklung die Oberschichtspulenseiten eines 10poligen Wicklungsstranges für Z[tief]N = 90 Nuten in Fig. 16a für konventionelle kleines Pi/3-breite Wicklungszonen und in Fig. 16b für strangverschachtelte, auf 2 kleines Pi/3-Erstreckungsbereich aufgefächerte Wicklungszonen dargestellt. Die mit den Zuordnungssymbolen gekennzeichnete Zugehörigkeit zu den einzelnen Wicklungszweigen ergibt im 6poligen Spulenseitenstern entsprechend dem gewählten Aufteilungsverhältnis G:N = 9:1 in beiden Fällen die gleiche Gruppierung mit Sektorbreiten kleines Phi = 108° und kleines Psi = 12°.

In Tabelle VIII sind für Schrittweiten W = 7 und W = 8 die zugehörigen Wicklungsfaktoren und Flußdichterelationen bei einer wahlweisen Parallel- oder Reihenschaltung des Nullzweiges angegeben. Die beiden Schritt- bzw. Spulenweiten weichen von der Polteilung kleines Tau[tief]12 = 7,5 jeweils nur um eine halbe Nutteilung ab, so dass sich durchwegs gleiche Wicklungsfaktoren kleines Xi[tief]12 = 0,855 ergeben.

Aus den Goerges-Polygonen nach Fig. 16c und 16d ergibt sich, dass die Ausgangsgruppierung nach Fig. 16b eine wesentlich geringere Oberwelligkeit und bessere Wicklungssymmetrie im 12poligen Betrieb aufweist (Fig. 16d). Hier sind dreiachsig symmetrische und enger zusammenliegende Polygonzüge vorhanden. Die Polygonzüge nach Fig. 16c sind dagegen nur einachsig symmetrisch und die innere und äußere Polygonschleife klaffen relativ weit auseinander. Die nur einachsige Symmetrie deutet auf unterschiedlich gruppierte Wicklungsstränge hin. In allen Fällen schließen sich die Polygonzüge erst nach zwei Umläufen, was zeigt, dass eine Unterwelle halber Polzahl angeregt wird.

Für eine 14/12polig umschaltbare Wicklung sind in Fig. 17a die Oberschichtspulenseiten eines Stranges für 2 p[tief]1 = 14 mit 2 kleines Pi/3-breiten Wicklungszonen angedeutet. Bei der gewählten Mindestnutenzahl Z[tief]N = 63 betragen die Lochzahlen q[tief]14 = 1,5 und q[tief]12 = 1,75 Nuten pro Pol und Strang. Die angegebene Zuordnung der Spulenseiten zu den einzelnen Wicklungszweigen findet man anhand des 12poligen Spulenseitensterns in Fig. 17b, wobei zur Aufteilung in Grundwicklungs- und Nullzweige G:N = kleines Phi:kleines Psi = 6:1 festgelegt ist.

Der Nullzweig kann parallel oder in Reihe zu der in Dreifachstern/Dreifachstern geschalteten Grundwicklung angeschlossen sein. Die Parallelschaltung erfordert dann Spulen mit verdoppelter Windungszahl gegenüber den Grundwicklungszweigen.

Für Schrittweiten von W = 5 und W = 4 (Schritte 1-6 bzw. 1-5) - entspricht kleines Tau[tief]14 plus/minus ½ - ergeben sich die in Tabelle IX eingetragenen Zahlenwerte sowie die in Bild 17c und d dargestellten Goerges-Polygone.

Durch Verdopplung der Nutenzahl auf Z[tief]N = 126 lassen sich sowohl die geradzahligen Feldharmonischen bei beiden Polzahlen (fehlende Polarsymmetrie bei den Goerges-Polygonen) als auch die Subharmonischen bei 2 p[tief]2 = 12 (Auseinanderklaffen der Polygonzüge) erheblich verringern, wenn man eine strangverschachtelte Ursprungsgruppierung mit verdoppeltem Erstreckungsbereich vorsieht. In Fig. 18a ist die räumliche Lage der Spulenseiten eines 14poligen Stranges und in Fig. 18b der zugehörige Spulenseitenstern für 2 p[tief]2 = 12 gezeigt. Die außerhalb des Kreises gezeichneten geradzahlig nummerierten Spulenseiten sind positiv, die übrigen negativ stromdurchflossen. Die Achsen der beiden Teilsysteme sind um den einer halben Nutteilung kleines Alpha[tief]N entsprechenden Winkel gegeneinander versetzt.

Im Vergleich zu den Werten in Tabelle IX verringern sich daher die Wicklungsfaktoren kleines Xi[tief]12 bei gleicher relativer Spulenweite auf das cos kleines Delta/2-fache.

Es ist auch möglich, den Winkel kleines Delta größer zu wählen, z.B.

Die in Fig. 18a gestrichelt eingezeichneten negativ stromdurchflossenen Spulenseiten sind dann anders den einzelnen Zweigen zugeordnet.

Bei ist z.B. diese Zuordnung für aufeinanderfolgende Wicklungszonen paarweise gleich, d.h. die Spulenseiten 11, 13, 15 sind dann in gleicher Folge wie die Spulenseiten 2, 4, 6 den einzelnen Zweigen zugeordnet und ebenso die Spulenseiten 29, 31, 33 wie 20, 22, 24 usw.

Die für eine Wicklung nach Fig. 18a und b geltenden Durchflutungspolygone sind in Fig. 18c und d für Schrittweiten von
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dargestellt. Die wesentlich verbesserte Feldform wird beim Vergleich der Polygone für Schritt 1-11 mit den Fig. 17c und d für Schritt 1-6 deutlich. In beiden Fällen ist die relative Schrittweite gleich und beträgt: bzw.

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Bei den zu Fig. 13 bis 19 beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die neun Zweige der Grundwicklung in Dreifachstern geschaltet, so dass in beiden Stufen die gleiche Windungszahl vorliegt. Anpassungsmöglichkeiten für die bei beiden Polzahlen effektiven Windungszahlen sind durch Strangverschachtelung, Änderung der Spulenweiten sowie durch wahlweises Parallel- oder Reihenschalten des Nullzweiges bei der Erstpolpaarzahl p[tief]1 = 3 m plus/minus 1 erreichbar.

Bei großen Polzahlspreizungen und/oder für Ventilatorenmotoren ist es vorteilhaft, für die Grundwicklung Dreieck/Dreifachdreieck- oder Stern/Dreifachdreieck-Umschaltungen vorzusehen, wobei der in seiner Windungszahl entsprechend bemessene Nullzweig gemäß den Fig. 7 bis 12 jeweils parallel oder in innerer oder äußerer Reihenschaltung an die Grundwicklung angeschlossen sein kann. Als Beispiel hierzu ist in den Fig. 20 bis 23 eine 20/6polige Wicklung für Z[tief]N = 72 Nuten dargestellt. Fig. 20a zeigt die räumliche Lage der bei der Erstpolzahl 2 p[tief]1 = 20 zum Wicklungsstrang U gehörenden Oberschichtspulenseiten, die gemäß der vorliegenden Bruchlochzahl nach dem Gruppierungsschema 1-1-1-1-2 auf die einzelnen Pole verteilt sind. Darunter sind die Zonenachsen für die Zweitpolzahl 2 p[tief]2 = 6 eingezeichnet (Fig. 20b), mit deren Hilfe die in Fig. 20a angegebene Zuordnung zu den einzelnen Wicklungszweigen gemäß Fig. 20c gefunden wird.

Die Phasenlage der einzelnen Spulenseiten bei beiden Polzahlen ist aus den Spulenseitensternen in Fig. 20d für 2 p[tief]1 = 20 und in Fig. 20e für die Zweitpolzahl 2 p[tief]2 = 6 ersichtlich. Es liegt jeweils eine unverschachtelte Zonenanordnung gemäß den Fig. 1 und 3 vor, wobei die Aufteilung in Grundwicklungs- und Nullzweige G:N = kleines Phi:kleines Psi = 3:1 beträgt.

Die Spulenweite ist vorteilhafterweise mit 1-13, 1-12 oder 1-11 festgelegt. Sie entspricht dann im ersten Fall genau der Polteilung kleines Tau[tief]2 und liegt jeweils nahe bei der dreifachen Polteilung für kleines Tau[tief]1 (3 kleines Tau[tief]1 = 3 mal 3,6 = 10,8).

Die hierbei vorhandenen, durchwegs hohen Wicklungsfaktoren kleines Xi[tief]20 und kleines Xi[tief]6 sind im Kopfteil der Tabelle XI angegeben. Je nach Schaltung und Ausbildung der Nullzweige ergeben sich die aufgeführten Induktionsverhältnisse B[tief]20/B[tief]6 im Luftspalt. Die jeweiligen Windungszahlverhältnisse und erforderlichen Spulenwindungszahlen für die Nullzweige sind ebenfalls angegeben. Für die Reihenschaltung sind dabei durchwegs konstante Spulendurchflutungen bzw. Stromdichten angenommen. Prinzipiell sind jedoch auch davon abweichende Spulenwindungszahlen w[tief]N möglich.

Die in Fig. 20 angegebene Spulenzuordnung weist Nullzweige auf, die gleichphasig zur Grundwicklung sind. In Fig. 21 sind alle den Nullzweigen zugehörigen Spulenseiten wiederum dargestellt, wobei Fig. 21a für die Erstpolzahl 2 p[tief]1 =20 und Fig. 21b für die Zweitpolzahl 2 p[tief]2 = 6 gilt. Wie aus Fig. 21b ersichtlich ist, ergänzen sich im 6poligen Betrieb die induzierten Spannungen zu Null, so dass dann die Nullzweige spannungslos sind und daher kurzgeschlossen werden können.

Im Gegensatz dazu ist dies bei den für äußere Reihenschaltung vorgesehenen Nullzweige nach Fig. 22 und 23 nicht der Fall. Wie aus den Fig. 22b und 23b hervorgeht, verbleiben im 6poligen Betrieb in Richtung der Resultierenden R weisende Restspannungen. Da diese für alle drei Wicklungsstränge gleich groß sind, dürfen zwar die äußeren Nullzweigklemmen verbunden werden; ein Kurzschluß zwischen Anfang und Ende der Nullzweige muß jedoch vermieden werden. Für die Erstpolzahl sind die Nullzweigspulen so zusammengefasst, dass die Nullzweigachsen jeweils um kleines Pi/6 gegen die Strangachsen der Grundwicklungszweige versetzt sind. Voll eingezeichnet sind jeweils die Nullzweigspulen für (U-W), wobei Fig. 22a eine 6zonige Nullzweiganordnung entsprechend Fig. 10e und Fig. 23a eine 3zonige Nullzweigausbildung entsprechend Fig. 10d angibt.

Die Zahl der bei der Erstpolzahl 2 p[tief]1 durch Strangverschachtelung möglichen Varianten nimmt verständlicherweise bei erhöhten Nutenzahlen stark zu. Tabelle XII soll dies am Beispiel einer 6zonigen Drehstromwicklung mit q[tief]1 = 6 Nuten je Pol und Strang verdeutlichen. Unter a bis l sind unterschiedlich verschachtelte Zonengruppierungen für die 2 p[tief]1-polige Stufe zusammengestellt, die sich alle zur erfindungsgemäßen Polumschaltung eignen und die in identische 2 p[tief]2-polige Gruppierungen nach Fig. 3 oder verschachtelten Abwandlungen hiervon überführt werden können. In der rechten Rubrik sind jeweils die zugehörigen Zonenfaktoren angegeben.

Die Gruppierungen a bis g sind jeweils symmetrisch, die Gruppierungen h bis l dagegen unsymmetrisch. Wie in Tabelle XII durch Punkt und Kreis angedeutet ist, werden die Varianten h bis k dadurch erhalten, dass man z.B. in den ungeradzahligen Nuten eine verschachtelte und in den geradzahligen Nuten eine unverschachtelte Teilgruppierung für die halbe Nutenzahl q´[tief]1 = 3 anordnet und diese für sich jeweils symmetrisch teilgruppierten Wicklungen um eine, drei oder fünf Nuten versetzt anordnet. Variante l ergibt sich unmittelbar aus einer möglichen unsymmetrischen Gruppierung für q´[tief]1 = 3 durch Verdopplung der Nutenzahl.

Bei den symmetrischen Gruppierungen kann man sich die Varianten a, b, c und f aus zwei unverschachtelten und um 1,3,5 und 7 Nuten versetzten Teilgruppierungen und die Varianten d und e aus zwei symmetrisch auf verdoppelten Erstreckungsbereich 2 kleines Pi/3 verschachtelten und um 1 oder 3 Nuten versetzten Teilgruppierungen halber Nutenzahl entstanden denken.

In Tabelle XII ist die Zahl der bei q[tief]1 = 6 möglichen Zonengruppierungen keineswegs vollständig. Durch Kombination einer unsymmetrischen Teilgruppierung mit symmetrischen Gruppierungen jeweils für die halbe Lochzahl q´[tief]1 = 3, die jeweils um den Winkel kleines Delta versetzt angeordnet werden, lassen sich noch andere unsymmetrische Verschachtelungen erreichen (Tabelle XIII). Weitere symmetrische Strangverschachtelungen, die sich aus spiegelbildlich kombinierten unsymmetrischen Teilgruppierungen für q´[tief]1 = 3 erreichen lassen, sind im unteren Teil der Tabelle XIII gezeigt.

Alle diese Verschachtelungen nach Tabelle XII und XIII lassen sich auch bei der 20/6poligen Wicklung für Z[tief]N = 72 Nuten mit q[tief]1 = 6/5 ausführen. Die dargestellten Zonenverteilungen ergeben sich dann allerdings nur in der Summe über jeweils 5 Pole (vergleiche Fig. 20d), die einer unverschachtelten Anordnung gemäß Tabelle XII, Variante a entspricht.

Wie bereits erwähnt ist, sind auch bei der durch Drei teilbaren Zweitpolpaarzahl strangverschachtelte Zonengruppierungen möglich. Solche lassen sich bei um den Faktor k erhöhten Mindestnutzahlen durch k gegenseitig versetzte Elementargruppierungen bilden.

Zum Beispiel sind für eine Aufteilung mit G:N = 3:1 zwölf solche (30/k)° breiten Elementarsektoren vorzusehen, wie es im Kopfteil von Tabelle XIV angedeutet ist, aus denen sich unterschiedlich verschachtelte Zonenanordnungen herleiten lassen. Diese Elementargruppierung entspricht der Grundanordnung nach Fig. 3 mit kleines Phi = kleines Pi/2 und kleines Psi = kleines Pi/6. Drei benachbarte Elementarsektoren mit (30/k)° elektrischer Breite gehören der gleichen Grundwicklungszone an, deren Zonenverteilungsfaktor somit

kleines Xi´[tief]Z = 1/3 mal (cos 0° + 2 mal cos 30°) = 0.9107

beträgt. Der vierte Sektor ist jeweils der Nullzweigzone zugeordnet.

Durch gegenseitiges Versetzen von k solcher Elementargruppierungen ergeben sich die einzelnen in Tabelle XIV für k = 2 und 3 dargestellten Varianten. Mit größer werdender gegenseitiger Verschiebung der Elementargruppierungen wird der Zonenfaktor kleines Xi[tief]Z immer schlechter. Die Verschiebungsfaktoren kleines Xi[tief]v infolge der Verschiebungswinkel zwischen den einzelnen Elementargruppierungen sind in Tabelle XIV angegeben.

Derartige verschachtelte Gruppierungen setzen eine hinreichend hohe Nutenzahl pro Pol voraus. Während die unverschachtelte Gruppierung nach Fig. 3 mit der Mindestnutenzahl Z[tief]N /2 p[tief]2 = 6 Nuten je Pol ausführbar ist, benötigen die Gruppierungen nach Tabelle XIV Z[tief]N /2 p[tief]2 = 12 Nuten je Pol für k = 2. Die Varianten kleines Alpha bis kleines Eta für k = 3 nach Tabelle XIV erfordern mindestens Z[tief]N / 2 p[tief]2 = 18 Nuten pro Pol. Allgemein sind bei der Polpaarzahl p[tief]2 = 3 n für eine k-fach unterteilte Elementargruppierung und bei einer Aufteilung in Grund- und Nullzweigwicklungen im Verhältnis G:N = 3:1 mindestens Z[tief]N / 2 p[tief]2 = k mal 6 Nuten je Pol erforderlich.

Für andere Aufteilungsverhältnisse, insbesondere solchen mit N > 2 erhöht sich die Zahl der bei p[tief]2 = 3 n möglichen Verschachtelungen noch beträchtlich. Zum Beispiel lassen sich bei G:N = 3:2 bereits bei der erforderlichen Mindestnutzahl Z[tief]N = 45 die in Fig. 13c angegebenen zwei unterschiedlichen Elementargruppierungen kleines Alpha und kleines Beta ausführen. Mit beiden kann man nun bei höheren Nutenzahlen durch Verschachtelung und gegenseitiges Kombinieren eine lawinenartig zunehmende Variantenzahl erzielen.

Mittels Strangverschachtelung ist es möglich, die effektiven Windungszahlen beider Polzahlen unabhängig voneinander festzulegen. Da man die Schrittweite jeweils beim günstigen Wert W = kleines Tau[tief]2 belassen kann, zieht diese Maßnahme, im Gegensatz zu einer geänderten Spulensehnung, keine Beeinträchtigung der Feldsymmetrie nach sich (vgl. Tabelle XV). Im Sinne einer angepassten Luftspaltinduktion ist es nötig, dass bei der höheren Polzahl auch die größere effektive Windungszahl vorliegt. Man wird daher bei den Mehrfachstern-Umschaltungen mit parallelen Nullzweigen und nur 6 Klemmen die Strangverschachtelung bevorzugt bei der kleinen Polzahl anwenden.

Wie aus Tabelle XV entnehmbar ist, haben die Zonenbreiten und Schrittweiten einen wesentlichen Einfluß auf die Feldform und Symmetrie bei beiden Polzahlen. Als Symmetriekriterium ist jeweils die Zahl Z der Perioditätsachsen des Goerges-Polygons angegeben, durch welche gemäß kleines Ny = k mal Z plus/minus 1 die auftretenden Ordnungszahlen der Feldharmonischen bestimmt sind.

Der Unterschied zwischen Periodizität und Symmetrie wird anhand von Fig. 24 deutlich. Reale Bei- spiele dreiachsig periodischer Polygone sind die Fig. 15c. Sechsachsig periodische Polygone ergeben sich bei der Erstpolzahl 2 p[tief]1 und unsymmetrischen Strangverschachtelungen. Bei sechsachsigen Polygonen ist Periodizität gleichbedeutend mit Polarsymmetrie. Nicht oder symmetrisch strangverschachtelte Sechszonenwicklungen weisen unabhängig von der Schritt- bzw. Spulenweite stets eine sechsachsige Symmetrie auf.

In der zweiten Polzahlstufe (p[tief]2 = 3 n) ist nur die Grundwicklung wirksam. Aufgrund ihrer dreizonigen Wicklungskonfiguration treten nur dann keine geradzahligen Feldoberwellen auf, wenn bezogen auf 2 p[tief]2 ein Durchmesserschritt vorliegt. Bei abweichender Schrittweite und Ursprungswicklungen mit kleines Pi/3-breiten Wicklungszonen bei p[tief]1 wird das Goerges-Polygon für p[tief]2 normalerweise nur einachsig symmetrisch.

Bei in Reihe geschalteten Nullzweigen, die phasenversetzt sind und/oder abweichende Spulenwindungszahlen aufweisen, verschlechtert sich die Feldform, und es treten subharmonische Oberwellen auf. Das Goerges-Polygon schließt sich erst nach mehreren Umläufen und die Zahl der verbleibenden Symmetrieachsen ist halbiert.

Ein wichtiger Sonderfall liegt bei strangverschachtelten Ursprungsgruppierungen mit 2 kleines Pi/3-Erstreckungsbereich vor. Solche führen bei geradzahligem p[tief]1 zu einer dreiachsigen Symmetrie, wie es auch bei dreizonigen Ursprungswicklungen immer der Fall ist. Bei einem doppelt ungeraden Polzahlverhältnis läßt sich die Wicklung nach Fig. 14 bis 18 in zwei Teilsysteme unterteilen, von denen jedes einer Dreizonenwicklung für die halbe Nutenzahl entspricht. Wird die Aufteilung in Grundwicklungs- und Nullzweige so vorgenommen, dass beide Teilsysteme identisch und phasengleich gruppiert sind, dann ergeben sich auch hier unabhängig von der Spulenweite 6 Symmetrieachsen (Fig. 14c). Für eine Aufteilung, bei der nur die Zahl der vom ersten und zweiten Teilsystem den einzelnen Wicklungszweigen zugeordneten Spulen konstant ist, verbleiben drei Symmetrie- bzw. Periodizitätsachsen (Fig. 15c). Bei unterschiedlicher Aufteilung geht die Symmetrie verloren.

Tabelle I

Aufteilungsmöglichkeiten in jeweils G Grundwicklungs- und N Nullzweige für Sechs- und Dreizonenwicklungen mit Ausnahme der unterstrichenen Werte für G + N, die nur als Sechszonenwicklungen ausführbar sind.

p[tief]1 = 3m plus/minus 1

(Primzahlen mit * gekennzeichnet)

Sonderfälle G:N = 3:1 in ()

Tabelle II

Tabelle III

Tabelle IV (1. Teil)

Ausführbare Polpaarzahlverhältnissen

Tabelle IV (2. Teil)

Tabelle V

Erforderliche Mindestnutzahlen Z[tief]N

* bedeuten Primzahlen für p[tief]1 unterstrichene Erstpolzahlen 2 p[tief]1 weisen Zonenbreite 2 kleines Pi/3 auf.

Tabelle VI

10/6polig

Z[tief]N = 45 Nuten

G:N = 3:2

N in Reihe

Tabelle VII

10/6polig

Z[tief]N = 90 Nuten

G:N = 9:1

Tabelle VIII

10/12polig

Z[tief]N = 90 Nuten

G:N = 9:1

Tabelle IX

14/12polig

Z[tief]N = 63 Nuten

G:N = 6:1

Tabelle X

14/12polig

Z[tief]N = 126 Nuten

G:N = 6:1

Tabelle XI

Tabelle XII

Tabelle XIII

Tabelle XIV

Strangverschachtelung bei p[tief]2 = 3n

*) mit kleines Xi[tief]V als Verschiebungsfaktor infolge Verschiebungswinkel zwischen den Elementargruppierungen

Tabelle XV

Zahl der Periodizität bzw. Symmetrieachsen bei den Goergespolygonen

1) Zwei Teilsysteme (pos.-neg.) identisch und phasengleich gruppiert

2) Alle Wicklungszweige aus jeweils gleichvielen Spulen vom einen und anderen Teilsystem zusammengesetzt.

3) Bei unterschiedlicher Aufteilung.

Claims (31)

1. Polumschaltbare Dreiphasenwicklung mit Wicklungssträngen, jeweils bestehend aus gleichwertigen Wicklungszweigen, von denen eine Anzahl als Grundwicklungszweige sowohl bei der einen Polpaarzahl als auch bei der anderen Polpaarzahl stromführend ist, und die restliche Anzahl der Wicklungszweige als Nullzweige bei einer der Polzahlen wirkungslos ist, wobei die Grundwicklungszweige für die Polpaarzahl, bei der die Nullzweige wirkungslos sind, zu je einem Drittel allein drei Wicklungssträngen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer polumschaltbaren Dreiphasenwicklung für ein gebrochenes Polpaarzahlverhältnis von Erst- (p[tief]1) und Zweitpolpaarzahlen (p[tief]2) gemäß p[tief]1 : p[tief]2 = (3m plus/minus 1):3n mit p[tief]2 = 3n, wobei m und n positive ganze Zahlen sind, die Aufteilung in die G-Grundwicklungs- und die N-Nullzweige gemäß der Beziehung bei gleich der für die Erstpolzahl 2 p[tief]1 erforderlichen gleichwertigen Wicklungszweige je Wicklungsstrang erfolgt, wobei t ein ganzzahliger Teiler der Erstpolzahl ist und G durch die Zahl Drei teilbar ist.

2. Wicklung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Wicklungsverteilung, dass die bei der Erstpolzahl 2 p[tief]1 zu einem aus gleichphasigen Wicklungszweigen gebildeten Wicklungsstrang gehörenden Spulen (Fig. 1) hinsichtlich ihrer Phasenlage bei der durch Drei teilbaren Zweitpolzahl 2 p[tief]2 lückenlos und überlappungsfrei auf die gesamte Peripherie des Spulenseitensternes aufgefächert sind (Fig. 2).

3. Wicklung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Spulenseitenstern für die Zweitpolpaarzahl p[tief]2 = 3n die von den bei der Erstpolpaarzahl p[tief]1 = 3m plus/minus 1 jeweils einen Strang bildenden Grundwicklungszweigen belegten Grundwicklungszonen eine Gesamtbreite von kleines Phi elektrisch und die jeweils dazwischenliegenden, von den Nullzweigen belegten Nullzweigzonen eine Gesamtbreite von kleines Psi elektrisch aufweisen mit kleines Phi : kleines Psi = G : N und kleines Phi + kleines Psi = 2 kleines Pi / 3 (Fig. 3, 13c).

4. Wicklung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwicklungs- und Nullzweigzonen ineinander verschachtelt sind (Fig. 13c, Tabelle XIV).

5. Wicklung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verschachtelte Gruppierung des Spulenseitensternes aus k = 2, 3 gegenseitig versetzten Elementargruppierungen zusammengesetzt ist, wobei eine jede Elementargruppierung aus in Abständen von jeweils k Sektorteilungen aufeinanderfolgenden Elementarsektoren gebildet ist, von denen jeweils G Elementarsektoren der gleichen Grundwicklungszone und N Elementarsektoren jeweils der Nullzweigzone angehören (Tabelle XIV).

6. Wicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Erstpolpaarzahl p[tief]1 = 3m plus/minus 1 jeweils einem Wicklungsstrang zugehörigen Spulenseiten der Grundwicklungs- und Nullzweige strangverschachtelt sind (Tabelle XII, XIII).

7. Wicklung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine solche Strangverschachtelung, dass bei Zonenbreiten von kleines Pi/3 der Grundwicklungs- und Nullzweigzonen ein auf 2 kleines Pi/3 verdoppelter Erstreckungsbereich erreicht ist.

8. Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für eine ungeradzahlige Erstpolpaarzahl p[tief]1, dadurch gekennzeichnet, dass ein verdoppelter Erstreckungsbereich der Grundwicklungs- und Nullzweigzonen aus zwei um eine Umfangshälfte gegeneinander versetzten und entgegengesetzt stromdurchflossenen Teilsystemen der halben Nutenzahl gebildet ist, von denen das eine die ungeraden und das andere die geraden Nuten belegt und jedes - bezogen auf die halbe Nutenzahl - eine unverschachtelte Anordnung mit 2 kleines Pi/3 Zonenbreite aufweist (Fig. 14, 15, 16, 18).

9. Wicklung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenweite ein ungerades Vielfaches der Nutteilung beträgt.

10. Wicklung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beide Teilsysteme in gleicher Weise unterteilt und den einzelnen Grundwicklungs- und Nullzweigen zugeordnet sind (Fig. 14).

11. Wicklung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl Grundwicklungs- als auch Nullzweige jeweils aus Spulen gleicher Windungszahl und gleichen Leiterquerschnitts bestehen (Fig. 4 bis 9).

12. Wicklung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die G Grundwicklungszweige für die Erstpolzahl 2p[tief]1 fest in Dreifachsternschaltung mit galvanisch getrennten Mittelpunkten verbunden sind, die die Anschlußpunkte für die Zweitpolzahl 2p[tief]2 bilden (Fig. 4, 5, 6).

13. Wicklung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die G Grundwicklungszweige für die höhere Polzahl fest in Dreieck geschaltet und für die kleinere Polzahl in Dreifachdreieck umschaltbar sind (Fig. 7).

14. Wicklung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die G Grundwicklungszweige für die höhere Polzahl fest in Stern geschaltet und für die kleinere Polzahl in Dreifachdreieck umschaltbar sind (Fig. 9).

15. Wicklung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die N Nullzweige fest in Stern geschaltet und parallel zur Grundwicklung an die Anschlußpunkte für die Erstpolzahl 2p[tief]1 angeschlossen sind, wobei deren Spulenwindungszahl beträgt, mit w[tief]G = Spulenwindungszahl bei den Grundwicklungszweigen und a[tief]N = Zahl der Nullzweig-Parallelpfade (Fig. 4, 5).

16. Wicklung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die N Nullzweige fest in Dreieck geschaltet und bei der Erstpolzahl

2p[tief]1 parallel an die in Dreieck (bei p[tief]1 >> p[tief]2) bzw. Dreifachdreieck (bei p[tief]1 << p[tief]2) geschalteten Grundwicklungszweigen angeschlossen sind, wobei die Windungszahl der Nullzweigspulen im erstgenannten Fall dagegen im zweitgenannten Fall beträgt (Fig. 7, 8).

17. Wicklung nach Anspruch 14 für p[tief]1 >> p[tief]2, dadurch gekennzeichnet, dass die N Nullzweige fest in Stern geschaltet und bei der Erstpolzahl 2p[tief]1 parallel an die ebenfalls in Stern geschalteten G Grundwicklungszweige angeschlossen sind, wobei die Windungszahl der Nullzweigspulen beträgt (Fig. 9).

18. Wicklung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfänge der Nullzweige jeweils unmittelbar mit den drei jeweils zu einem Anschlußpunkt zusammengefassten Enden der Grundwicklungszweige verbunden sind und die Enden der Nullzweige die Anschlußpunkte für die Erstpolzahl bilden (Reihenschaltung, Fig. 6).

19. Wicklung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen der Nullzweige eine kleinere Windungszahl und einen größeren Leiterquerschnitt als die Spulen der Grundwicklungszweige aufweisen (Fig. 6).

20. Wicklung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spulen der Nullzweige hinsichtlich Windungszahl und Leiterquerschnitt von denen der Grundwicklungszweige um den Faktor Drei unterscheiden.

21. Wicklung nach Anspruch 13 oder 14 für p[tief]1 >> p[tief]2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwicklungs- und Nullzweige bei jedem Wicklungsstrang unmittelbar in Reihe liegen und die drei Wicklungsstränge in Dreieck bzw. Stern geschaltet sind (innere Reihenschaltung, Fig. 11, 12).

22. Wicklung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Spulen der Grundwicklungs- und Nullzweige gleiche Windungszahl und gleichen Drahtquerschnitt aufweisen (Fig. 11, 12).

23. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die G Grundwicklungszweige für die höhere Polzahl fest in Dreieck geschaltet und für die kleinere Polzahl in Dreifachdreieck umschaltbar sind und dass die Anfänge der Nullzweige jeweils unmittelbar mit den Dreieckspunkten der Grundwicklung verbunden und die Enden der Nullzweige die Anschlußpunkte für die Erstpolzahl bilden (äußere Reihenschaltung, Fig. 10, Tab. XI).

24. Wicklung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen der Nullzweige eine um den Faktor Wurzel aus 3 kleinere Windungszahl und einen um den gleichen Faktor größeren Drahtquerschnitt als die Spulen der Grundwicklung aufweisen.

25. Wicklung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Nullzweige so zusammengefasst sind, dass deren Achsen gegenüber den Grundwicklungszweigen um kleines Pi/6 versetzt sind (Fig. 10).

26. Wicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Spulen der Grundwicklungs- und Nullzweige mindestens angenähert mit einem Durchmesserschritt für die durch Drei teilbare Polpaarzahl ausgeführt sind, wobei die Spulenweite mindestens angenähert der Polteilung kleines Tau[tief]2 für die Zweitpolpaarzahl p[tief]2 = 3 n oder ein ungerades Vielfaches davon beträgt.

27. Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen zu konzentrischen Spulengruppen zusammengefasst sind.

28. Wicklung nach Anspruch 27 für eine Zweischichtwicklung mit einheitlicher Nutfüllung, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungszahlen innerhalb jeder konzentrischen Spulengruppe unterschiedlich gewählt sind.

29. Wicklung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer Einschichtwicklung die eine Hälfte der konzentrischen Spulen weggelassen und dafür die andere Hälfte der konzentrischen Spulen mit doppelter Windungszahl ausgeführt ist.

30. Wicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus zwei in den Nuten neben- oder übereinander angeordneten und/oder gegenseitig versetzt liegender und/oder in unterschiedlicher Weise ausgebildeter Teilwicklungen besteht, deren Wicklungszweige jeweils in Reihe geschaltet sind.

31. Wicklung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Spulen der beiden Teilwicklungen zusammengefasst sind, so dass sich zonenüberlappte Zweischichtwicklungen ergeben.