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Im Verhältnis 2 : 3 polumschaltbare Dreiphasenwicklung mit
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sechs Anschlußklemmen Die Erfindung betrifft eine Dreiphasenwicklung
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Aus der D!-AS 25 06 573 (Beschreibung zu Fig. 13 und Tabelle VII)
ist eine 4/6polig umschaltbare Dreiphasenwicklung für N = 54 Nuten mit nicht phasenreinen
Parallelzweigen bekannt, bei der.
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sich wegen der im 4poligen Betrieb unterechiedlichen Amplituden und
Phasenlagen der in den parallelen Wicklungszweigen induzierten Spannungen relativ
große Ausgleichsströme ergeben, die den getrieb der Maschine ungünstig beeinflussen
können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Wicklung nach
dem Oberbegriff des Hauptanspruchs die parallelen Wicklungszweige hinsichtlich Größe
und Phasenlage der in ihnen induzierten Spannungen wesentlich besser zu vergleichmäßigen,
um die Ausgleichströme vernachlässigbar klein zu halten.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine Wicklungsaufteilung
gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs auf einfache Weise, z.B.
für 4/6polig umschaltbare Wicklungen far N s 54, 108, 162 usw. Nuten, für 8/12polig
umschaltbare Wicklungen für N = 108, 216 usw. Nuten, für 12/18polig umschaltbare
Wicklungen für N - 162, 324 Usw. Nuten und andere Polzahlverhältnisse.
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Besonders vorteilhafte Auegestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
von Unteransprüchen.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt
und nachfolgend näher erläutert. Es zeigen Fig. 1a die Spulengruppierung eines Wicklungsatranges
bei 2p1 = 4 für eine 4/6polige umschaltbare Dreiphasenwicklung für N = 54 Nuten
und deren Zugehörigkeit zu den einzelnen Wicklungszeigen für zwei Varianten α
und Fig. ib die Lage der 6poligen Zonenachsen hierzu, Fig. 1c eine der Varianten
in Fig. la entsprechend abgeänderte Wicklungsanordnung mit Einfach- und Doppelspulen,
Fig. 2 die Schaltung für Variante « , bei welcher in beiden Polzahistufen alle Spulen
stromdurchflossen sind und jeder Strang in drei parallele Wicklungszweige mit jeweils
sechs Spulen unterteilt ist, so daß die Strangwindungszahlen w4 und w6 gleich sind,
Fig. 3 eine abgewandelte Schaltung für Variante g , wobei 1er i, beiden Polzahlstufen
stromdurchflossene, in Dreifachstern/ Dreifachstern geschaltete Wicklungsteil nur
2/3 aller Spulen umfaßt, und die restlichen Spulen mit verringertei Windungszahl
w1 ausgeführt und als 6polige Zusatzwicklung ausgeführt sind, so daß sich unterschiedliche
Strangwindungszahlen w4 = 4 w und w6 = 4w + 6w' ergeben, Fig. 4 die Görgespolygone
für die beiden Varianten α und / für 2p1 = 4 bei verschiedenen Spulen-Schrittweiten,
Fig. 5 die Görgespolygone für die beiden Varianten d und fi für 2p2 = 6 bei verschiedenen
Spulenschrittweiten, wobei für eine Schaltung nach Fig. 3 mit zusätzlichen Wicklungszweigen
die verringerten Spulenwindungszahlen zu w' = T bzw. W gewählt sind.
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Die Tabellen I und II geben eine Übersicht über Zonenverteilung, Wicklungssymmetrie,
Wickelfaktoren und Flußdichteverhältnisse.
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Gemäß Fig. 1a besteht der Wicklungsstrang (nachfolgend kurz Strang
genannt) aus vier Spulengruppen I bis IV, die räumlich jeweils um eine Polteilung
#1 = - = 13,5 Nutteilungen auseinanderliegen und abwecheelnd aus Je vier bzw. fünf
jeweils gegensirinig
durchfluteten Einzelspulen gebildet sind. Die
Unterteilung in droi nicht phasenreine Wicklungszweige ist in Fig. 1a mit Kreis,
Quadrat und Dreieck angedeutet, wobei für die Variante « Jeder Wicklungszweig aus
der gleichen Anzahl von sechs Spulen besteht. Mit strichpunktierten Pfeilen sind
die Zonenachsen, das sind die Symmetrieachsen der Oberscichtspulenseiten für 2p1
= 4 dargestelZc.
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In Fig. 1b ist die entsprechende Lage der Zonenachsen bei der Zweitpolzahl
2p2 = 6 gezeigt; sie dienen als Hilfsmittel zur Bestimmung der Phasenlage der einzelnen
Wicklungszweige.
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Das Prinzipschaltbild der vollständigen Wicklung zeigt Fig. 2.
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Die dick gezeichneten Wicklungazweige des Stranges U4 entsprechen
den in Fig. 1a dargestellten Spulen bzw. Wicklungszweigen. Die beiden anderen Stränge
V4 und W4 sind gleichartig aufgebaut und räumlich jeweils um 1/3 des Umfangs, d.h.
um 18 Nutteilungen, gegenseitig versetzt angeordnet. Die insgesamt neun Wicklungszweige
sind dreifachparallel in Stern geschaltet, wobei die jeweils mit gleichen Symbolen
(O , a, ^ ) versehenen Wicklungszweige zu drei galvanisch getrennten Mittelpunkten
zusammengefaßt sind die als Anschlußklemmen U6, V6, W6 für die 6polige Polzahistufe
dienen. Somit sind bei beiden Polzahlstufen 2p1 = 4 und 2p2 = alle Spulen wirksam
und die Strangwindungszahlen w4 und w6 sind für beide Polzahlen gleich der Windungszahl
eines Wicklungszweige d.h. w4 = w6 = 6 w (sechs Spulen mit w Windungen). Die Wicklur,
benötigt wie gesagt nur sechs Anschlußklemmen. Zur Polumschaltung reicht (im Falle
getrennter Wicklungenj ein einfacher dreipoliger Umschalter aus. Die drei anderen
Anschlußklemmen können jeweils offen bleiben; sie bilden äquipotentiale Mittelpunkte
und sind gegeneinander spannungsfrei. Die in Fig. 1a angegebene Zuordnung der Spulen
zu den einzelnen Wicklungszweigen ist - wie leicrit .ln Hand der Fig. 1b für die
6poligen Zonenachsen überprüfbar ist eo getroffen, daß sich im 6poligen Betrieb
2 t/3 breite Wicklungszonen nach Tabelle I, Zeile 3 ergeben.
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Die in den Fig. 2 und la, α gezeigte Wicklungsanordnung kann
gemäß Fig. 1c auch dahingehend abgeändert werden, daß auf zwei in Umfangs richtung
abwechselnd aufeinanderfolgende konzentriscne Doppelspulen eine Einfachspule folgt.
Zwei nebeneinanderliegende und Jeweils mit den gleichen Zuordnungssymbolen versehene
Spulen bilden dabei eine zusammenhängende Doppelspule.
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Wie Tabelle I, Zeile 1 zeigt, sind die drei mit Kreis, Quadrat und
Dreieck gekennzeichneten parallelen Wicklungszweige im 4poligen Betrieb unterschiedlich
gruppiert. Für die mit Quadrat und Dreieck bezeichneten Wicklungazweige sind die
Zonenfaktoren gleich groß und betragen
Demgegenüber weist der mit Kreis bezeichnete Parallelzweig gemäß #ZO=1/3 (cos ###
+ cos 20° + cos ###) = 0,9422 einen um etwa 2% niedrigeren Zonenfaktor auf.
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Die Resultierenden der Zonenfaktoren und sind gegenüber den in Tabelle
I strichpunktiert eingezeichneten Symmetrieachsen nur um den vernachlässigbaren
geringen Winkel
verschoben.
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Der Mittelwert der Zonenfaktoren beträgt im 4poligen Betrieb
Die zu erwartenden Ausgleichströme lassen sich unter Vernachläsaigung der gegenseitigen
magnetischen Kopplung aus den Differenzspannungen und der Kurzschlußreaktanz der
Wicklungezweige angenähert ermitteln. Dabei sind die Differenzapannungen unmittelbar
den Wicklungafaktoren
bzw. den Zonenfaktoren
zu und
proportional.
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Bei einer wirksamen Kurzschlußreaktanz von beispielsweise XK 15 ß
(in bezogenen Einheiten UN/I) ergeben sich Ausgleichströme i0, in , id in folgender
Größe:
Die von der Spulenschrittweite abhängigen Wicklungsfaktoren
und Verhältnisse der Luftspaltflußdichten B4/B6 sind für die Schaltung nach Fig.
2 entsprechend Fig. 1a, α linken Teil der Tabelle II zusammengefaßt. Die zugehörigen
Görgepolygone sind für 4poligen Betrieb gestrichelt in Fig. 4 und für 6poligen Betrieb
voll auagezogen in Fig. 5 für die verschiedenen Spulenschrittweiten dargestellt.
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Da die Schaltung nach Fig. 2 in beiden Polzahlstufen die gleiche Strangwindungszahl
WA = w2 aufweist, sind die gemäß B4/B6
resultierenden Unterschiede in den Luftspaltflußdichten B4 und B6 bei den beiden
Polzahlen relativ groß. Eine Verringerung dieser Unterschiede läßt sich durch eine
abgeänderte Schaltung nach den Fig. la, A und 3 erzielen. Hierbei sind die mit voll
ausgezogenem Kreis, Quadrat und Dreieck gekennzeichnete Wicklungszweige Jeweils
aus vier Spulen mit w Windungen gebildet, fest in Dreifachstern/Dreifachstern verbunden
und in beiden Polzahletufen wirksam. Die durch gestrichelte Kreise, Quadrate und
Dreiecke gekennzeichneten Spulen sind mit einer verringerten Windungszahl w' ausgeführt
und gemäß Fig. 3 als Zusatzwicklung für den 6poligen Betrieb zwischen den galvanisch
getrennten Mittelpunkten und den Anschlußklemmen U6, V6, W6 eingefügt. Die dick
gezeichneten Wicklungsiweige entsprechen den in Fig. la dargestellten Spulen. Für
diesen Fall sind im 4poligen Betrieb nur 2/3 der Spulen stromführend und die wirksamen
Strangwindungszahlen betragen im 4poligen Betrieb w1 = 4w und im 6poligen Betrieb
w6 = 6w' + #w. Wird mit Rücksicht auf eine durchwegs gleiche Strombelastung der
Spulen im 6poligen Betrieb w' = 3w gewählt, dann ergibt sich für w6 = 6w und das
Flußdichteverhältnis B4/B6 iet gegenüber der Variante Fig. 1a, α und Fig.
2 um 50 % hohor.
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Die Windungszahl w der als 6polige Zusatzwicklung dienenden Spulen
(mit gestricheltem preis, Quadrat und Dreieck gekennzeichnet) kann auch zu w' 6
festgelegt werden, was allerdings Auswirkungen auf die Phasensymmetrie beim 6poligen
Betrieb hat, worauf weiter unten noch eingegangen wird.
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Die Zonengruppierung für die Variante Fig. la, ß im 4poligen Betrieb
ergibt sich aus Zeile 2 der Tabelle I. Hieraus geht hervor, daß die Zonenfaktoren
mit
besser aneinander angeglichen sind als bei Variante Fig. 1a, α Sie unterscheiden
eich nur noch um 1,03 ffi gegenüber rund 2 %, so daß auch die Ausgleichströme auf
den etwa halben Wert zurückgehen und nur mehr rund 4,5 % bzw. 2,3 % betragen.
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Der Winkelfehler zwischen den mit Quadrat und Dreieck gekennzeichneten
Wicklungszweigen ist mit
ebenso wie bei Variante a vernachlässigbar gering.
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Führt man die im 6poligen Betrieb als Zusatzwicklung wirksamen Spulen
mit einer Windungszahl w' = 7 aus, dann weisen die Spulen der mit gestrichelten
Kreisen, Quadraten und Dreiecken gekennzeichneten Wicklungezweige die 1,5 fache
Durchflutung auf und es ergeben sich Strangwindungszahlen von w4 = 4w und w6 = 4w
+ 6 ' 1/2 w = 7w. Gemäß dem Zonengruppierungsschema in der letzten Zeile in Tabelle
I hat dies eine Phasenunsymmetrie im 6poligen Betrieb zur Folge. Die Zonenfaktoren
der drei Stränge betragen
mit einer Phasenwinkeldifferenz von ##=-##=4°37'50".
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Der mittlere Zonenfaktor im 6poligen Betrieb beträgt dann:
Diese Phasenunsymmetrie macht etwa 3 ffi in den Amplituden und etwa # 4 1j.2 Winkelgrade
in den Phasenwinkeln aus - was ebenso wie die anderthalbfache Stromdichte in den
besagten mit einer Spulenwindungszahl von w'= w/2 Wicklungeteilen im 6poligen Betrieb
- zumindest bei kleineren Maschinen ohne Nachteil hingenommen werden kann.
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Gegenüber einer bei 2p2 = 6 phasenreinen Wicklung nach Variante α
oder
Variante ß mit w' = w/3 werden dafür besser aneinander angeglichene Flußdiohten
B4 und B6 im Luftepalt erhalten.
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Die in Fig. 5 für verschiedene Schrittweiten gezeigten gestriohelton
Gargespolygone für den 6poligen Betrieb unterscheiden sich gegenüber den voll ausgezogenen
für Phasensymmetris geltenden Görgespolygonen insbesondere durch eine Verbreiterung
quer zur Symmetrieachse. Für den 4poligen Betrieb gelten für eine Ausführung nach
Variante P die in Fig. 4 voll gezeichneten inneren Görgespolygone.
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In Tabelle II sind für die Schaltungen nach Fig. 2 (Variante <
) und die Schaltung nach Fig. 3 (Variante ß ) für w' = 1/2 w und w' = 1/3 w abhängig
von verschiedenen Schrittweiten die Wicklungsfaktoren #4, #6 und die Flußdichterelationen
B4/B6 gegenübergestellt.
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4/6polig umschaltbare Wicklungen für höhere Nutenzahlen N = 108, 162
uew. lassen sich analog den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ausführen, indem
anstelle von Einzelspulen Jeweils Doppel- oder Dreifachspulen (Mehrfachspulen) angeordnet
werden.
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Bei verdoppelter Nutenzahl ist auch eine gemäß Fig. la gruppierte
insohiohtwicklung möglich. Die linken Spulenschenkel belegen dann Jeweils nur die
ungeradzahlig numerierten und die rechten Spulenschenkel Jeweils die geradzahlig
numerierten Nuten.
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8/12-, 12/18 usw. polige Wicklungen erhält man aus einer 4/6poligen
Wicklung durch 2, 3 usw. mehrmaliges Aneinanderfügen längs des Umfangs.
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6 Patentansprüche 5 Figuren
L e e r s e i t e